一种基于压电体声波谐振式传感器的液体属性测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电子测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于压电体声波谐振式 传感器的液体属性测量方法，用于液体密度、粘度的测量方法，可以应用于化学、材料、生物 以及物理等领域。
【背景技术】
[0002] 分析化学以及生物医学领域的绝大多数检测对象都是在液体环境中，所以必须要 对液体进行分析。而分析液体特性时，我们通常关注它的密度、粘度等液体属性。
[0003] 测量液体的粘度、密度时，传统的方法是用电子天平以及粘度计分开测量。首先用 分析天平称量已知体积的待测液体的质量，应用公式（1)进行计算得到密度：
[0004] Pi ~ ~ (1)
[0005] 然后，用粘度计（比如旋转式粘度计、超声波式粘度计、毛细管粘度计等）测量得 到液体的粘度。上述方法在分析化学以及生物医学领域存在一定的局限和不足，主要表现 如下：
[0006] (1)、现有的分析天平精度最高只能达到微克量级，而在分析化学以及生物医学领 域很多场合需要更高的测量精度；
[0007] (2)、分析化学以及生物医学领域中，很多样品的价格非常昂贵，而传统的测量方 法所需的样品量比较大；
[0008] (3)、传统的方法不能在线、实时的给出测试数据的分析结果。
[0009] 基于压电体声波谐振式传感器的液体属性测量方法可以在一定程度上弥补上述 不足，压电体声波谐振式传感器的应用在开始逐渐成为的研宄热点。
[0010] 基于压电体声波谐振式传感器（包括陶瓷材料和石英晶体材料）的压力传感器已 有产品问世。基于石英晶体材料的QCM(石英晶体微天平）传感器也在生物、化学、物理等 领域得到越来越多的应用。但是，应用压电体声波谐振式传感器进行液体属性分析的相关 研宄还不多。
[0011] 到目前为止，只有为数不多的几篇论文研宄了基于QCM(石英晶体微天平）传感 器的未知溶液的密度、粘度测量方法，但是都还存在一定的缺陷和不足。κ. K. Kanazawa，J. G. Gordon等人证明了 QCM传感器的频率变化与其接触液体的属性（即密度粘度的乘积 项）存在一定的对应关系（见论文 Κ·Κ· Kanazawa，J.G. Gordon，Frequency of a quartz microbalance in contact with liquid，Anal. Chem. 57 (1985) 1770 - 1771)，但是他们忽 略了液体的质量也会使得QCM传感器的频率发生变化这一事实。Ward，M. D和Buttir，D. A 等人于 1990 年在《Science》上发表的论文"In situ interfacial mass detection with piezoelectric transducers，Science 1990, 249, 1000-1007" 证实 QCM 表面的液体质量 也会使其产生频率偏移，后来Schumacher团队以及A. R. Loveday团队也验证了该结论的 正确性（见论文 Schumacher，R. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1990, 29, 329-343 ;Hillman，A. R. ;Loveday，D.C. ;Swam，M.J. J.Chem.Soc. Faraday Trans. 1991，87, 2047-2053) ο Martin等人补充了液体的质量效应对QCM传感器的频率变化影响（见论文Stephen J. Martin, ^Victoria Edwards Granstaff, and Gregory C. Frye, Characterization of a Quartz Crystal Microbalance with Simultaneous Mass and Liquid Loading, Anal. Chem. 1091，63, 2272-2281)。
[0012] 但是，他们认为只用一个QCM传感器不可能分离出液体的粘度和密度，并于1993 年提出了用2个QCM传感器测量的方法，申请了专利（专利号：US005201215)。该方法中， 一个表面光滑，只对液体的密度粘度乘积项有响应；另一个表面有纹路，除了对液体的密度 粘度乘积项有响应外，还一个附加响应，该附加响应只与液体的密度有关。2009年，N. Doy、 G. McHale以及M. I. Newton等人在Martin的研宄基础上进行了更进一步的研宄，提出了 基于双QCM传感器测量的液体粘度、密度显性表达式（见论文"Separate Density and Viscosity Determination of Room Temperature Ionic Liquids using Dual Quartz Crystal Microbalances''）。
[0013] 以上两种方法都采用了两个不同的QCM传感器，测试过程比较复杂，测量数据准 确度有待提高。
[0014] 2011 年，Atsushi Itoh 和 Motoko Ichihashi 等人米用同时测量 QCM 传感器 的频率变化和导纳变化，然后建立方程组求得到液体的密度和粘度（见论文"Separate measurement of the density and viscosity of a liquid using a quartz crystal microbalance based on admittance analysis(QCM-A)"）。该方法虽然只用了单个 QCM 传 感器，但是测试过程比较复杂，测量数据准确度有待提高。
【发明内容】
[0015] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于压电体声波谐振式传感器 的液体属性测量方法，采用一个压电体声波谐振式传感器实现液体密度和粘度的测量，并 简化测试过程，并提高测量数据的准确度。
[0016] 为实现上述发明目的，本发明基于压电体声波谐振式传感器的液体属性测量方 法，其特征在于，包括以下步骤：
[0017] (1)、把压电体声波谐振式传感器接到驱动电路，驱动电路接到直流稳压电源，传 感器驱动电路的输出连接到频率计；
[0018] 通上电后，压电体声波谐振式传感器开始工作，记录频率计的输出，即压电体声波 谐振式传感器的参考谐振频率f Q;
[0019] (2)、加载一定体积的待测液体到压电体声波谐振式传感器上表面，记录待测液体 的体积Vu和频率计输出的压电体声波谐振式传感器的谐振频率f i，记录频率变化为△ =
[0020] (3)、在步骤（2)的基础上，再次加载一定体积的待测液体到压电体声波谐振式传 感器上表面，记录待测液体的体积' 2和频率计输出的压电体声波谐振式传感器的谐振频 率f2，记录频率变化为Δ f2= fQ-f2;
[0021] 待测液体的体积从Vu变化到V U时，引起压电体声波谐振式传感器的频率变化为 Af2-Af1;
[0022] (4)、计算待测液体的密度P A :
【主权项】
1. 一种基于压电体声波谐振式传感器的液体属性测量方法，其特征在于，包括以下步 骤： (1) 、把压电体声波谐振式传感器接到驱动电路，驱动电路接到直流稳压电源，传感器 驱动电路的输出连接到频率计； 通上电后，压电体声波谐振式传感器开始工作，记录其参考谐振频率fQ; (2) 、加载一定体积的待测液体到压电体声波谐振式传感器上表面，记录待测液体的体 积Vu和压电体声波谐振式传感器的谐振频率，记录频率变化为Af 1= f ^f1; (3) 、在步骤（2)的基础上，再次加载一定体积的待测液体到压电体声波谐振式传感器 上表面，记录待测液体的体积'2和压电体声波谐振式传感器的谐振频率f 2，记录频率变化 为 Af2= f 〇-f2; 待测液体的体积从Vu变化到V u时，引起压电体声波谐振式传感器的频率变化为 Af2-Af1; (4) 、计算待测液体的密度P L为：
(5) 、计算待测液体的粘度ru为：
【专利摘要】本发明公开了一种基于压电体声波谐振式传感器的液体属性测量方法，通过两次测量，获得不同体积下待测液体引起的压电体声波谐振式传感器的频率变化，创新性地建立待测液体密度和粘度与压电体声波谐振式传感器频率变化的联系，这样只需要测量出频率变化量，通过本发明构建的计算方法即可求解得到待测液体的密度和粘度。与现有的基于QCM传感器测量液体属性方法相比，本发明只需要用一个传感器，通过测量两次加载液体后的传感器频率变化，应用相关算法即可求解出液体的密度和粘度，测试过程，测量数据的准确度高。同时，该发明所描述的方法还具有所需样品量少，在线、实时、定量等特点。
【IPC分类】G01N9-24, G01N29-036, G01N11-00
【公开号】CN104833610
【申请号】CN201510198143
【发明人】谭峰, 邱渡裕, 叶芃, 曾浩, 赵勇, 蒋俊, 潘卉青, 郭连平, 吴书豪
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年4月23日