一种基于机电阻抗法的粘度计的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及粘度计制备领域，具体涉及一种基于机电阻抗法的粘度计。
【背景技术】
[0002] 液体流动时，在分子间产生内摩擦的性质，称为液体的粘性，粘性的大小用粘度表 示。粘度是许多工业生产中需要监测的指标之一，测定粘度的原理一般大都是由斯托克斯 公式和泊肃叶公式导出有关粘滞系数的表达式，求得粘滞系数。粘度参数的测定，对于预测 产品生产过程的工艺控制、输送性以及产品在使用时的操作性，具有重要的指导价值，在化 工、印刷、医药、石油、汽车等诸多行业有着重要的意义。
[0003] 目前，用于测定运动粘度的粘度计包括毛细管式、旋转式和振动式。毛细管式粘度 计通常为赛氏粘度计，是一种常见的粘度计。在恒温恒压条件下，利用被测液体流过固定长 度毛细管的时间来计算样品的粘度。常见的旋转式粘度计是锥板式粘度计，利用稳定流动 状态下流体给边界以恒定的作用力，通过圆柱形边界的扭矩和来反映样品的粘度。振动粘 度计利用流体中的物体振动时受到流体的阻力获得流体的粘度，当然此作用力的大小与流 体的粘度有关，但由于此作用力不能直接测得，所以通常的振动粘度计都是通过测量机械 阻抗来间接获得被测液体的粘度。 【实用新型内容】
[0004] 为了实现粘度的准确测量，本实用新型提出了一种基于机电阻抗法的粘度计，利 用机电阻抗法来测试粘度，既能准确地反映被测液体的粘度，又可以实现原位测量。
[0005] 本实用新型的目的在于提出一种基于机电阻抗法的粘度计。
[0006] 本实用新型的基于机电阻抗法的粘度计包括：压电梁、固定台、阻抗分析仪和计算 机；其中，压电梁包括振动片、悬臂梁和压电片；悬臂梁的一端固定在固定台上，另一端为 自由端；在悬臂梁的自由端上设置有振动片，悬臂梁的对称轴与振动片的对称轴共线，且悬 臂梁所在的平面与振动片所在的平面互相垂直；振动片浸入被测液体内；在悬臂梁的两个 表面上分别粘贴有厚度相同的压电片；压电片连接至阻抗分析仪；阻抗分析仪连接至计算 机。
[0007] 例如，测量压电梁在每个频率点的导纳值，从而得到压电梁的共振频率，根据共振 频率得到被测液体的动力粘度。
[0008] 悬臂梁采用刚性的材料，如钢片，以保证具有一定的刚度。
[0009] 振动片为规则的形状，厚度h在0. 1mm~0. 2mm之间，材料与悬臂梁相同。
[0010] 本实用新型在悬臂梁的自由端设置振动片，振动片的振动方向与振动片所在的平 面平行，当振动片浸入被测液体后，由液体的粘度引起的振动片的表面摩擦力将改变压电 梁的共振频率，测量得到与液体的粘度有关的共振频率，进而通过建立力学模型，再利用测 得的共振频率计算得到被测液体的动力粘度。振动片、悬臂梁和压电片构成了机电阻抗耦 合系统，通过测量压电梁的机电阻抗（导纳）的共振频率，计算得到被测液体的动力粘度。
[0011] 本实用新型的基于机电阻抗法的粘度计的测试方法，包括以下步骤：
[0012] 1)根据被测液体的粘度范围，设置计算机的测试参数，测试参数包括扫频范围 fi~f2和激励电压，其中，fJPf2分别为起始频率和终止频率；
[0013] 2)将振动片完全浸入被测液体内，固定压电梁的固定端；
[0014] 3)按照设定的扫频范围，从fi~f2逐点进行扫频测试，获得每个频率点的导纳Y， 得到频率与导纳的频响曲线；
[0015] 4)根据频响曲线，如果得到了共振频率f。，则进入步骤5)，如果没有得到共振频 率，则返回步骤1)，调整扫频范围重新进行测量；
[0016] 5)根据测得的共振频率计算得到被测液体的动力粘度n:
[0017]
[0018] 其中，为共振角频率，《。= 2Jrfj。为共振频率，A为振动片的面积，mt为压电 梁自由端简化的集中质量，云为压电梁的等效刚度，&为压电梁单位长度质量，L为压电梁 的长度，P为被测液体的密度。
[0019] 本实用新型的优点：
[0020] 本实用新型通过测量压电梁的机电阻抗的共振频率，计算得到被测液体的动力粘 度，方法准确可靠，由于机电阻抗的测量非常准确，所以与其相关的被测粘度值也能够准确 得到；并且，本实用新型的测试部件为压电梁，其测试方式简便，受空间几何约束小，测试性 能在各种温度、气压等环境下都可以保持良好的稳定性，所以能够满足不同环境的原位测 试要求。
【附图说明】
[0021] 图1为本实用新型的基于机电阻抗法的粘度计的示意图；
[0022] 图2为本实用新型的基于机电阻抗法的粘度计的压电梁的示意图；
[0023] 图3为本实用新型的基于机电阻抗法的粘度计的压电梁的简化力学模型图；
[0024] 图4为本实用新型的基于机电阻抗法的粘度计的压电梁的等效电路图；
[0025] 图5为本实用新型的基于机电阻抗法的粘度计的共振频率随液体的粘度变化的 曲线图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本实用新型。
[0027] 如图1所示，本实施例的基于机电阻抗法的粘度计包括：压电梁2、固定台3、阻抗 分析仪4和计算机5 ;其中，如图2所示，压电梁2包括振动片21、悬臂梁22和压电片23 ; 悬臂梁22的一端固定在固定台3上，另一端为自由端；在悬臂梁的自由端上设置有振动片 21，悬臂梁22的对称轴位于振动片21所在的平面内，并且悬臂梁所在的平面与振动片所在 的平面互相垂直；在悬臂梁的两个表面上分别粘贴有两块厚度相同的压电片23 ;压电片连 接至阻抗分析仪4;阻抗分析仪4连接至计算机5;振动片21浸入被测液体1内。悬臂梁 22采用钢片，振动片21为圆形，振动片和悬臂梁均采用钢片。
[0028] 当压电梁自由端的振动片浸入被测液体中时，压电梁的简化力学模型如图3所 示。其中，L表示压电梁的长度，hp和21分别为压电片和悬臂梁的厚度，mt为压电梁自由 端简化的集中质量，ct表示由于被测液体粘度引起的阻尼，这里qA为振动片 的面积，，：《为振动角频率且有《 = 2Jrf，f为振动频率，n为动力粘度，P为被 测液体的密度。根据以上简化的模型，得到压电梁的振动方程：
[0029]
[0030] 其中，瓦为压电梁的等效刚度，A为压电梁的单位长度质量，x和u分别为横纵坐 标，t为时
[0031]
[0032] 其中，PjPPn分别为压电片和悬臂梁的密度，分别为压电片和钢片的 弹性常数。
[0033] 边界条件可表示为：
[0034]
[0035] 这样，方程（1)的通解可表示为：
[0036] u= [a jcosAbx+ a 2sinAbx+ a 3coshAbx+ a 4sinhAbx]eJMt (4)
[0037]其中，' 4 乂)''，a"a2、a3和a4分别为待定常数。
[0038] 相关研究表明，压电梁构成的振动系统，可以用等效电路来代替，等效机电耦合电 路的电路图如图4所示。根据压电连续方程，等效机电耦合电路中电流I可以被表示为：
[0039](5) jc=U
[0040] 其中：N为转换系数，C。为等效电容，V为加载电压。
[0041 ]
[0042]
[0043] 其中，d31为压电片的压电常数，为压电片的介电常数。
[0044] 另外，图4中相参数C"=-CVN2,Z"~Zc阻抗参数被定义如下：
[0045]
[0046]
[0048]其中，c=cos入bL，s=sin入bL，m=cosh入bL，n=sinh入bL〇[0049] 由以上几式可以计算得到，压电梁的导纳Y为：
[0047]
[0050]
[0051] 其中，# /暴考。
[0052] 当频率为压电悬臂梁的共振频率时，导纳会达到最大值，所以有：
[0053] 1+cm+sm0〇-cn0 0 = 〇(10)
[0054] 另外，0。和Xb。也是在共振频率处获得的参数值，所以有：
[0055]
[0056] 根据以上表达式，可计算得到阻尼系数ct为：
[0057]
[0058] 又:q.，所以最终计算得到被测液体的动力粘度：
[0059]
[0060] 根据式（13)可知，一旦测得压电梁的机电阻抗（导纳等）的共振频率，即可计算 得到被测液体的动力粘度。同时根据解（13)可知，随着粘度的增加，压电悬臂梁的各阶共 振将逐渐降低，如图5所示。
[0061] 被测液体的粘度范围可以通过常见的液体的粘度和密度值表得到。下表为25°C、 常压下的常见的液体的粘度和密度值表：
[0062]
[0063] 最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本 领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，各种 替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要 求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
【主权项】
1. 一种基于机电阻抗法的粘度计，其特征在于，所述粘度计包括：压电梁、固定台、阻 抗分析仪和计算机；其中，所述压电梁包括振动片、悬臂梁和压电片；所述悬臂梁的一端固 定在固定台上，另一端为自由端；在悬臂梁的自由端上设置有振动片，悬臂梁的对称轴与振 动片的对称轴共线，且悬臂梁所在的平面与振动片所在的平面互相垂直；所述振动片浸入 被测液体内；在悬臂梁的两个表面上分别粘贴有厚度相同的压电片；所述压电片连接至阻 抗分析仪；所述阻抗分析仪连接至计算机。2. 如权利要求1所述的粘度计，其特征在于，所述振动片为规则的形状。3. 如权利要求1所述的粘度计，其特征在于，所述振动片的厚度在0.Imm~0. 2mm之 间。4. 如权利要求1所述的粘度计，其特征在于，所述悬臂梁采用刚性的材料。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于机电阻抗法的粘度计。本实用新型的粘度计包括：压电梁、固定台、阻抗分析仪和计算机；其中，压电梁包括振动片、悬臂梁和压电片；悬臂梁的一端固定在固定台上，另一端为自由端；在悬臂梁的自由端上设置有振动片；在悬臂梁的两个表面上分别粘贴有厚度相同的压电片；压电片连接至阻抗分析仪。本实用新型通过测量压电梁的机电阻抗的共振频率，计算得到被测液体的动力粘度，方法准确可靠，由于机电阻抗的测量非常准确，所以与其相关的被测粘度值也能够准确得到；并且，测试部件为压电梁，其测试方式简便，受空间几何约束小，测试性能在各种温度、气压等环境下都可以保持良好的稳定性，所以能够满足不同环境的原位测试要求。
【IPC分类】G01N11/10
【公开号】CN204924854
【申请号】CN201520700710
【发明人】李法新, 谭池
【申请人】北京大学
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2015年9月10日