专利名称：三端压电陶瓷自激振动粘度传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于理化参数测试技术领域。
粘度是液体(气体)在流动时分子内摩擦力的量度。当两个平行板间充满液体时，其中一板静止，另一板以均速运动。由于液体的粘性作用，垂直于此板不同位置的液体运动状态不同。对于牛顿液体，在一定条件下邻近静止板的液体处于静止状态，在动板附近的液体与动板运动速度相同，中间的液体则以层流状态流动，各个层流的速度不同。液体的牛顿流动定律表明，在层流状态下，液体所受到的剪切应力(τ)与剪切速率(D)成正比。
τ＝ηD式中τ为粘度系数，是液体内摩擦力的特性函数，又称为液体粘度。
测量液体粘度的方法很多测量单位时间内流过液过液体的体积，或者说，流过定量体积的液体所需要的时间，这种粘度计以毛细管粘度计、流孔式粘度计为代表，用这种方法可以测量液体的运动粘度；测量特定物体在液体中下落的时间，这是利用重力作用进行测量的，落塞式、落球式、滚球式粘度计均属于这种类型的粘度计；测量相对转动的物体在液体中运动时的相对偏转角度或相对作用力，转筒式粘度计、锥板式粘度计均属于这种类型粘度计；测量振动物体在液体中的衰减状态，称为振动粘度计，其中有振球式、振片式、振杆式粘度计。以上几种都是比较典型的、古典式的粘度计。有些粘度计配用了计算机后又有了新的发展。
用压电晶体作为驱动元件制作的粘度计是一种新型的粘度计。美国专利(4，799，378)介绍了“压电粘度计”。其结构是把压电驱动元件固定在一个基座上，驱动元件的一端通过一个电绝缘体，与压电接收元件固接，压电驱动元件备有输入信号引线，构成了压电驱动器与接收器，两者水平放置。在压电接收元件的自由端的垂直方向固定一个连接杆，下端与一球体探测器相固接，为粘度探头。当在驱动器的输入引线加以交流电压时，其频率与振动体的固有频率相同，此时产生振动。带动接收压电元件和探头振动，接收器的引线则有电压输出，其频率与驱动信号相同，为140Hz。当探头在液体中运动时，由于液体的阻尼作用使振动状态改变，不同的液体振动状态不同，因而得到不同的交流输出信号。这种输出信号就是液体内摩擦力的表征。输出信号用计算机处理。
该仪器有以下几个缺点和不足联杆固定在接收压电元件的自由端，在上下运动时不作直线运动，有一偏转角，可引入测量误差；探头为球状，球体在液体中运动时，不仅受到粘性阻力的作用，还受到由于重力影响的压力作用，液体密度不同时，其重压力也不同；压电驱动器与接收器网络是他激四端网络，当由于温度、湿度等外界因素改变时，振体的固有频率改变，因而接收器的输出特性也受到影响；样品池为普通圆形，不能固定液面，引入测量误差；用系统机处理信息与数据，造价高。
本实用新型为克服上述四端他激式压电晶体粘度计的缺点和不足，设计出一种三端压电陶瓷自激振动粘度传感器。
本实用新型采用了如下技术用三端压电陶瓷自激振荡原理，输出信号与输入信号是相互联系的，其激振频率与振动体固有频率相同，不会由于温度、湿度变化使频率偏离固有振动频率，结构简单，体积小，有温度自动补偿系统；联接杆是振动体的一部分，在振动时没有偏角作用，仅作微小扇形运动，但由于振幅很小，可以认为作水平运动，减少了测量误差；探头采用菱形金属薄片，面积大，截面小，在运动时受到重压力的影响小，减小了测量误差；样品池采用了溢流式，液面高度固定，没有人为对线误差；用单片机处理信息与数据，造价低。
图一给出了具体结构与工作原理。
三端压电陶瓷自激振动粘度传感器，由矩形体金属弹性振子片(7)、此块压电陶瓷片(8)、支撑杆(9)、联结杆(10)、片状探头(11)组成。此块压电陶瓷片(8)的内电极用导电胶分别中心对称地粘接在弹性振子片(7)的两面，弹性振子片(7)的下端固定一个联接杆(10)的上端，联接杆(10)的下端固接片状电极(11)，此片压电陶瓷片(8)的外电极分别为输入电压信号端(12)和输出电压信号端(13)，输入端(12)的电压信号和输出端(13)的电压信号相同，构成正反馈振荡，在输入电压和输出电压的共同作用下，压电陶瓷片(8)产生机械形变，由弹性振子片(7)、压电陶瓷片(8)、联接杆(10)、片状探头(11)组成的振子系统有三个机械振动节点A、B和C，在节点A处和B处，支撑杆(9)将振子系统固定支撑，被测液样(14)的表面位于节点C处。
粘度传感器探头为菱形、圆形和椭圆形的金属薄片。
三端压电陶瓷自激振动粘度传感器的外部电路工作原理如下电压输出端(13)经前置放大器(16)和振荡输出放大器(17)再到电压输入端(12)，构成正反馈自激振荡电路；前置放器(16)的输出端联接交／直流转换器(AC／DC)(17)的输入端；被测液样(14)中插入温度探测器(19)，探测器(19)的温度数值经温度／电压转换器(T／V)(20)输入到直流放大器(21)的输入端；AC／DC转换器(17)和直流放大器(21)的输出信号通过A／D转换器(24)送至微机CPU(22)，CPU(22)的外围设备(23)进行被测液样(14)的设定温度下的测量数据进行存储，打印或屏幕显示。
测量液体粘度时的具体操作可如下进行把液样(14)倒入样品池(15)中直到溢流口位置，样品池(15)置入恒温液(5)中，预热恒温到液样(14)温度平衡，使传感器(19)探头浸没于液样(14)中，通过CPU外围设备(23)的键盘预置温度。在预置温度下，仪器可自动给出测量结果，同时，该议器也可以在任意温度下进行手动直接测量，同样可以给出测量结果。
本实用新型具有测量液体粘度值、测量液体瞬时粘度值、测量液样实时温度值、测量液体的温／粘曲线、测量液体／固体转换温度的功能。
本实用新型测量范围宽、应用范围广，可以广泛地用于石油、化工、食品、医药、造纸、农业各个领域，尤其在石油生产系统，需求量更大。因此，该传感器系统国民经济中的直接经济效益和间接经济效应都是可观的。同时，还可以进入国际市场。
权利要求1.三端压电陶瓷自激振动粘度传感器，它由矩形金属弹性振子(7)、两块压电陶恣片(8)、两个支撑杆(9)、联接杆(10)、片状探头(11)组成，其特征在于两块压电陶瓷片(8)的内电极用导电胶分别中心对称粘接于弹性振子片(7)的两面，弹性振子片(7)的下端固接联接杆(10)的上端，联接杆(10)的下端固接片状探头(11)，两块压电陶瓷片(8)的外电极分别为输入电压信号端(12)和输出电压信号端(13)，输入端(12)的电压信号和输出端(13)的电压信号同相，构成正反馈振荡，在输入电压和输出电压的共同作用下，压电陶瓷片(8)产生机械形变，由弹性振子片(7)、压电陶瓷片(8)、联接杆(10)、片状探头(11)组成的振子系统有三个机械振动节点A、B和C，在节点A处和节点B处，两个支撑杆(9)将振子系统固定支撑，被测液样(14)的表面位于节点C处。
2.按照权利要求1所说的粘度传感器，其特征在于所说的电压输出端(13)经前置放大器(16)和振荡输出放大器(18)再到电压输入端(12)构成正反馈回路，所说的前置放大器(16)的输出端联接交直流转换器(AC／DC)(17)的输入端，所说的被测液样(14)中插入温度探测器(19)，探测器(19)的温度数值经温度电压转换器(T／V)(20)输入到直流放大器(21)的输入端，AC／DC转换器(17)和直流放大器(21)的输出信号通过A／D转换器(24)送至微机CPU(22)，CPU(22)的外围设备(23)进行被测液样(14)在设定温度下的测量数据进行存储、打印或屏幕显示。
3.按照权利要求1所说的粘度传感器，其特征在于所说的片状探头(11)为金属材料，形状为菱形、圆形和椭圆形。
专利摘要本实用新型属于理化参数测量技术领域。利用压电陶瓷片(8)受到电激励后产生形变，与其胶合在一起的弹性金属片(7)随之形变，由另一压电陶瓷片(8)接收，信号经过放大后再以正反馈形式把信号传给激励压电陶瓷片(8)，因而产生电—机自激振荡。在弹性金属片(7)的下端通过一联接杆(10)固接片状探头(11)。在液样(14)中运动时，受到阻尼力作用，使振荡器的输出电压幅度下降。输出电压幅度信号经过电路与微机处理给出待测液样的粘度值。
文档编号G01N11/10GK2089634SQ9120165
公开日1991年11月27日 申请日期1991年1月31日 优先权日1991年1月31日
发明者王永洪, 钟景贺, 王洁, 孙振东, 郭伟, 赵玉春 申请人:天津大学