专利名称：一种采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法
技术领域：
本发明涉及一种测量流体密度的方法，更确切地说，是一种采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法。
背景技术：
由于微悬臂梁具有灵敏度高、响应迅速、尺寸小、可批量生产以及实时测量等优点，它已经被广泛地用于化学、物理以及生物检测等领域。微悬臂梁有两种工作方式静态工作方式和动态工作方式。前者主要是测量悬臂梁端部的挠度来实现测量的，如用于测量表面应力、物质的浓度等；而后者是通过测量悬臂梁在工作环境中的谐振频率来实现测量的，如用于测量生物分子质量、流体黏度密度等。压阻式微悬臂梁，由于不需要光学悬臂梁必需的对准工作，并且可将检测系统集成在悬臂梁上，可使得整个测量装置的尺寸大大减小，因而压阻式微悬臂梁在微机械电子系统中的应用非常广泛。采用压阻式微悬臂梁来测量流体的密度，需要寻找压阻式微悬臂梁在待测流体中的谐振频率，这使得测量时间大大加长(大于I分钟)，非常不利于现场流体密度的测量，特别是那些需要实时监测密度的流体。鉴于以上缺点，实有必要提供一种采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法，以缩短测量时间。

发明内容
本发明的目的在于提供一种采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法，不改变现有的测量装置，不需要获得压阻式微悬臂梁在待测流体中的谐振频率，即可实现在线、快速测量流体密度的目的。为了克服现有方法的缺点，本发明提供一种采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法，包括以下步骤(I)将压阻式微悬臂梁浸没于密度已知为P i标准流体中，然后给压阻式微悬臂梁的激励线圈提供一个频率为f 和幅值为U1的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥的输出，结果为V1 ；(2)再给压阻式微悬臂梁的激励线圈提供一个频率仍为f但幅值为U2的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥的输出，结果为V2 ；(3)通过升温或者降温改变先前标准流体的密度到P 2，然后给压阻式微悬臂梁的激励线圈提供一个频率仍为f 和幅值为U1的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥的输出，结果为V3 ； (4)再给压阻式微悬臂梁的激励线圈提供一个频率仍为f但幅值为U2的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥的输出，结果为V4 ；根据以上测量结果以及密度工作方程P = ak+b，确定密度工作方程中的待定参数a和b。此处，k为激励线圈改变电压前后的惠斯通电桥输出差值与激励线圈改变电压前后差值的比值，即 ki = (V1-V2V(U1-U2)，k2 = (V3-V4V(U1-U2)。联立方程 P ! = aki+b 和 P 2=ak2+b，即可唯一确定待定参数a和b，需要指出的是a和b只与微悬臂梁本身的结构、激励线圈输入电压的频率、惠斯通电桥供电电流大小以及外界磁场强度等参数有关，不会因待测流体以及输入电压幅值的改变而改变；(5)将压阻式微悬臂梁浸没于待测流体中，然后给压阻式微悬臂梁的激励线圈提供一个频率仍为f和幅值为U1的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥的输出，结果为\。再给压阻式微悬臂梁的激励线圈提供一个频率仍为f 但幅值为U2的正弦交流 电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥的输出，结果为v6。根据这些测量结果确定匕值(k3=(V5-V6)/(U1-U2))，然后根据密度工作方程P = ak+b即可确定待测流体的密度。本发明所述的压阻式微悬臂梁是采用电磁激励的，外磁场是采用永磁铁提供的。对于标定好的压阻式微悬臂梁，不要再改变其惠斯通电桥供电电流大小、激励线圈供电电压的频率以及永磁铁的磁场强度。所述永磁铁为钐钴永磁铁。所述的压阻式微悬臂梁，其形状可以是常见的矩形悬臂梁，也可以是三角形悬臂梁，梯形悬臂梁，或者是其它任意形状悬臂梁。本发明采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法至少具有以下优点本发明不需要改变现有的装置即可实现在线测量；另外更重要的是，不需要获得悬臂梁在待测流体中的谐振频率，从而极大地节省了测量时间，为真正的在线和快速测量提供了保证，采用本发明所提供的方法，可以在几秒内甚至更短即可利用标定好的压阻式微悬臂梁实现待测流体密度的测量。


图I为本发明所述的压阻式微悬臂梁平面结构示意图；图2为本发明所述的三角形压阻式微悬臂梁的结构示意图；图3为本发明所述的梯形压阻式微悬臂梁的结构示意图；图4为本发明所述的任意形状压阻式微悬臂梁的结构示意图；图5为本发明的实验数据效果图；图中的标号如下表示
权利要求
1.一种采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法，其特征在于 包括以下步骤 (1)将压阻式微悬臂梁浸没于密度已知为P1标准流体中，然后通过第一和第二焊盘(1、2)给压阻式微悬臂梁的激励线圈(9)提供一个频率为f和幅值为Ul的正弦交流电，惠斯通电桥(8)通过第三、第五和第六焊盘(3、5、6)供给恒流电源，并使用锁相放大器通过第四和第七焊盘(4、7)测量惠斯通电桥⑶的输出，结果SV1 ； (2)再通过第一和第二焊盘(1、2)给压阻式微悬臂梁的激励线圈(9)提供一个频率仍为f 但幅值为U2的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥(8)的输出，结果为V2 ； (3)通过升温或者降温改变先前标准流体的密度到P2，然后通过第一和第二焊盘(I、2)给压阻式微悬臂梁的激励线圈(9)提供一个频率仍为f 和幅值为U1的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥(8)的输出，结果为V3; (4)再通过第一和第二焊盘(1、2)给压阻式微悬臂梁的激励线圈(9)提供一个频率仍为f 但幅值为U2的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥(8)的输出，结果为V4 ； (5)根据以上测量结果以及密度工作方程P=ak+b，确定密度工作方程中的待定参数a和b，此处，k为激励线圈(9)改变电压前后的惠斯通电桥(8)输出差值与激励线圈改变电压前后差值的比值，即 k: = (V1-V2V(U1-U2)，k2 = (V3-V4V(U1-U2)，联立方程 P ! = ah+b和P 2 = ak2+b,即可唯一确定待定参数a和b ; (6)将压阻式微悬臂梁浸没于待测流体中，然后通过第一和第二焊盘(1、2)给压阻式微悬臂梁的激励线圈(9)提供一个频率仍为f 和幅值为U1的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥(8)的输出，结果为V5 ;再通过第一和第二焊盘(1、2)给压阻式微悬臂梁的激励线圈(9)提供一个频率仍为f 但幅值为U2的正弦交流电，并使用锁相放大器测量惠斯通电桥⑶的输出，结果为V6;根据这些测量结果确定匕值，k3= (V5-V6)/(U1-U2)，然后根据密度工作方程P = ak+b即可确定待测流体的密度。
2.一种采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法，其特征在于(I)将压阻式微悬臂梁浸没于密度为P !的标准流体中，使惠斯通电桥通恒流电源，然后对压阻式微悬臂梁的激励线圈(9)施加正弦交流电，其中，正弦交流电的频率为f，幅值为U1，得到惠斯通电桥的输出V1 ; (2)改变施加到压阻式微悬臂梁的激励线圈(9)上的交流电的幅值为U2，得到惠斯通电桥的输出V2 ; (3)改变标准流体的密度为P2，重复(I)至(2)，分别得到惠斯通电桥的输出V3和V4 ； (4)联立方程P I = ak:+b和P 2 = ak2+b求解参数a和b,其中，Ic1 =(V1-V2V(U1-U2)A2= (V3-V4)/(U1-U2) ；(5)将压阻式微悬臂梁浸没于待测流体中，重复(I)至(2)，分别得到惠斯通电桥的输出V5和V6，然后根据公式P = ak+b即可得到待测液体的密度，其中，k = (V5-V6)Z(U1-U2)0
3.如权利要求2所述的采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法，其特征在于所述的压阻式微悬臂梁，其形状是矩形悬臂梁或三角形悬臂梁或梯形悬臂梁或其它任意形状悬臂梁。
4.如权利要求I所述的采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法，其特征在于所述的压阻式微悬臂梁是采用电磁激励的，外磁场是采用永磁铁提供的。
5.如权利要求4所述的采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法，其特征在于所述永磁铁为钐钴永磁铁。
全文摘要
本发明提供了一种采用压阻式微悬臂梁在线快速测量流体密度的方法，本发明不需要改变现有的装置即可实现在线测量；另外更重要的是，不需要获得悬臂梁在待测流体中的谐振频率，从而极大地节省了测量时间，为真正的在线和快速测量提供了保证，采用本发明所提供的方法，可以在几秒内甚至更短即可利用标定好的压阻式微悬臂梁实现待测流体密度的测量。
文档编号G01N9/00GK102621036SQ201210093049
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月31日 优先权日2012年3月31日
发明者刘志刚, 宋渤, 张桂铭, 徐龙起, 王晓坡, 蒋庄德, 赵玉龙, 赵立波, 黄恩泽 申请人:西安交通大学