基于复合压电扭转纤维结构的粘度传感器研究

【摘要】：粘度是反映流体运动学特性的重要物理参量,粘度测定在能源化工、生物医疗、食品环保等工业生产和科学研究领域有着广泛的应用价值。现有的粘度测量方法,虽能达到较高的测量精度,但普遍存在体积大、样品用量多、难以在线测量、价格昂贵等缺点。因此,发展微型化、高精度、低成本、可快速在线测量的粘度测量技术有着迫切的应用需求和重要的研究价值。针对上述问题,本文提出了一种基于复合压电扭转纤维结构的新型粘度传感器,并优化了粘度测量方法以获得较高的测量精度。首先,本文分析了复合压电扭转纤维谐振器的振动原理,通过有限元仿真优化结构设计,制作并测试了三种不同材料探头的复合谐振器样机;其次,详细分析了复合压电扭转纤维谐振器与液体的振动耦合特性,完善了振动耦合的机电等效电路,优化了基于导纳圆拟合的粘度测量方法;最后,搭建实验测试平台,以甘油水溶液为标准粘度液,测试了三种不同材料探头的复合谐振器样机的粘度测量性能。实验结果表明:石英探头的复合谐振器在空气中的机械品质因子高达220,具有较高的粘度测量分辨率;不锈钢、铍青铜探头的复合谐振器在空气中的机械品质因子都达到150以上,具有较宽的粘度测量范围。综合而言,本文设计的复合粘度计具有良好的粘度测量性能,在100mPa·s~3500mPa·s范围内,Rf与(?)保持良好的线性关系,相关系数R-square可达0.99953。本文提出的新型粘度传感器,不仅实现了微型化,而且结构简单紧凑,测量范围广、成本低,可用于工业生产和科学研究过程中设备管道、样品容器内液体粘度的在线测量,尤其适用于狭小空间内液体以及微量液体样品的粘度测量,在微型化高精度粘度测量场合有着良好的应用前景。