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| 石英晶体粘度传感器原理及特性研究 | |
| 天津大学 孙振东 万峰 赵玉春 薛芳 范世福 | |
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摘要：介绍了石英晶体粘度传感器的原理、结构及振荡电路组成。通过实验分析了传感器的响应时间、探头插入深度的影响、温度特性以及粘度灵敏度。
关键词：石英晶体；粘度传感器
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 （图片）表2 样品测量结果平均值 （图片） | |
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