石英晶体粘度传感器原理及特性研究

1概述

粘度是液体内摩擦力的表现。液体粘度测量在石油、化工、制药和临床医学领域具有广泛的应用。传统的粘度计有毛细管粘度计、旋转粘度计、振球式粘度计等。这些测量方法的优点是测量范围宽、精度高，但缺点是或结构复杂或测量方法复杂。本文对石英晶体的粘度敏感性原理、石英晶体粘度传感器结构、振荡电路及其特性进行了分析和研究。

2石英晶体粘度传感器原理与结构

传感器采用AT切型厚度切变振动模式的石英晶体，其振动模式如图1所示。

图1 AT切型石英晶体厚度切变振动示意图

其厚度方向与Y轴平行。由于石英晶体具有压电效应，当在Y方向加交变电场E2后，即在XY面内产生切应变S6，根据弹性力学方程，可求得石英晶体在空气中的振荡频率。

石英晶体在液相介质中振荡时，可将其等效为两层结构。其中第一层(0≤y≤d)为石英晶体层，第二层(d≤y≤d＋dy)为流体层。对流体层，由牛顿流体定律，可导出由流体引起的频率偏移Δf：

Δf＝k(ρ1η1)^1/2

式中，k为与石英晶体有关的结构常数，η1、ρ1分别为被测液体的粘度和密度。由此可见，石英晶体在液体中的频率变化是液体粘度与密度的函数。当测出液体的温度，并确定其密度之后，即可由此确定液体的粘度。

传感器探头结构如图2所示。

图2 传感器探头结构

为了防止引线过长产生的自激振荡，将石英晶体和振荡电路都安装在探头内。在探头内还装有测温元件，以便实时监测试样温度变化，T/V转换电路也封装在探头内。差频信号与经转换放大后的温度信号输入主机。

选用基频为10MHz的AT切型石英晶体，晶片外形结构如图3所示。晶片中心圆形区域为被银电极，根据能量局部化效应，振动能量集中在电极下面的中间区域。为保证石英晶体振荡稳定性，将电极引线用导电胶粘接在晶片边缘倒角处。石英晶片采用单面触液方式。要求粘接面尽可能远离中心电极区，电极引线应尽可能细，以减少引线对晶片产生的应力。

图3 晶片结构

3测量系统及振荡电路

测量系统组成如图4所示。

图4 测量系统图

当将安装有工作晶体和温度传感器的探头置入被测液体之后，由于粘度和密度的影响，晶体的振荡频率发生频移。为测定频移，系统另装有一个参考晶体，它提供稳定的振荡频率。

工作晶体相对参考晶体的频率偏移，由差频电路获得，并输入80C196的HSI测量其频率的大小。被测液体温度经检测电路和A/D转换输入单片机系统。被测液体密度值由键盘输入。

单片机软件包括频率测量子程序、密度测量子程序、密度输入子程序、粘度测量子程序。测量结果由LED显示。系统采用由两个反相器组成的串联谐振式晶体振荡器。振荡电路如图5所示。

图5 振荡电路

振荡电路工作在石英晶体串联谐振频率上，这时，晶体等效阻抗最小，正反馈最强，容易起振。当晶体浸入液体后，由于液体阻尼的影响，振荡器输出电压幅值下降。为此在振荡电路的输出端增加一级带LC选频回路的高频放大器，以提高振荡信号的幅度。放大后的信号经整形与参考频率进行差频比较。

4特性分析

利用图4所示的测量系统，对石英晶体在液相介质中的工作特性进行了实验研究。

4.1响应时间

探头刚放入水中时，差频最大，而后逐渐减小，2min后稳定在4100Hz，如图6所示。这说明，传感器从开始接触液体到稳定振荡需要一定的时间。

图6 响应时间曲线

4.2探头插入深度的影响

表1列出探头在不同液体深度处测得的频率。从表中看出，石英晶体输出频率与在液体中的深度在一定范围内无关。

表1 探头在不同深度测得的频率

4.3线性度实验

将探头浸入不同粘度的液体样品中，测量粘度对晶体谐振的影响，观察并记录频率的变化。

每测量一种样品后，用丙酮清洗石英晶体吸附的液体，并晾干，然后再进行下一组测量。

表2列出对7种不同样品10次测量结果的平均值，单次测量离散值为10Hz。

表2 样品测量结果平均值

表中，x＝(ρ1η1)^1/2，y＝Δf为差频。

由最小二乘法拟和得到：

Δf＝0.6985(ρ1η1)^1/2＋3.403

相关系数＝0.9996。

拟和曲线如图7所示。

图7 频率—粘度曲线

由图可见，Δf与(ρ1η1)^1/2有良好的线性关系。

4.4灵敏度

由回归方程得到传感器的灵敏度S为：

S＝Δf/(ρ1η1)^1/2＝0.6985/(ρ1η1)^1/2

即液体参考系数(ρ1η1)^1/2每变化一个单位，差频变化为698.5Hz，表明传感器具有较高的灵敏度。

4.5温度特性

图8表示粘度与温度的关系。由图看出，随着温度增加，差频减小。这主要是由温度对粘度的影响造成的。

图8 温度—粘度关系曲线

为消除温度影响，采用软件温度补偿方法解决。

5 结束语

通过实验分析，石英晶体对液体的粘度、密度有较高的灵敏度。多数情况下，被测液体的密度差别不大，而粘度分散性很大；因此，利用石英晶体进行粘度特性测量是比较适宜的。石英晶体粘度传感器的优点是灵敏度高、结构简单、成本低、易于小型化，其缺点是测量范围偏窄。如何扩大其测量范围是需要解决的课题。

作者简介：孙振东，男，副教授，长期从事分析仪器的教学、科研和开发工作。