专利名称：一种使用强迫共振扭摆仪测量液体连续变频粘弹性的方法
技术领域：
本发明属于液体粘弹性测量技术领域，特别是涉及一种基于强迫共振扭摆 仪来测量液体连续变频粘弹性的方法。
背景技术：
软物质在日常生活中无处不在液晶、聚合物、表面活性剂、生物膜、胶 体、乳液、泡沫、颗粒物质以及生命体系等等都属于软物质。软物质粘弹性的 测量研究不仅能够帮助人们探索大自然界深奥的物质，而且有助于推动制造业， 药品和食品工业，石油行业，农业等等领域的发展，对于人们的生活有着十分 重要的关系。
目前，软物质粘弹性最流行的测量研究仪器主要有，商用流变仪，扭摆仪 和微流变等等。扭摆仪的测量频率范围覆盖了一般商用流变仪的频率测量范围， 高频可高达几十兆赫兹，具有很高的测量精度，是一种非常重要的复杂液体粘 弹性测量的方法。
扭摆仪一般可分为两种测量模式，自由衰减和强迫振动，后者具有更高的 测量精度，而被广泛使用。
强迫振动扭摆仪是通过分别测量空载和装载系统的共振曲线，得到装载系
统的速度共振频率/。，通频带频率/;和/2相对于空载的偏移，或者是装载系统的
速度共振频率/o和最大应变速率(纟)^相对于空载系统的变化，然后得到共振频 率下测量液体施加于扭摆振子的平面波特征复阻抗，最后再计算得到液体的粘弹性系数。但是强迫共振扭摆仪的缺点是一次只能测量一个或若干个频率的液 体粘弹性系数。
如何实现扭摆仪高精度的连续变频测量液体粘弹性一直是科学家们所关注 但却还没有完全解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种方便易行的方法实现了 强迫共振扭摆仪的连续变频测量液体粘弹性。
为了实现上述发明目的，采用的技术方案如下
一种使用强迫共振扭摆仪测量液体连续变频粘弹性的方法，先通过强迫共 振扭摆仪测量空载和装载被测液体后的共振曲线，所述共振曲线包括角位移 频率曲线(6> ^)、和相位 频率曲线(p w)，再直接由共振曲线的每对 数据点得到该驱动频率(^ )下相应的液体的粘弹性，即通过每个驱动频率(^ ) 对应的角位移(^)和相位(P)计算液体的粘弹性(G'、 G'、或7)。
本发明通过将扭摆仪测量所得的共振曲线，对其有效频率段内的频率与角 位移、频率与相位的对应参数来计算被测液体的粘弹性，通过测量及自动计算 实现了在所需驱动频率内，不同频率所对应的液体的粘弹性，从而实现连续变 频液体粘弹性。
上述技术方案中，在扭摆仪测量共振曲线后，计算液体的粘弹性的具体过 程如下
由(1)和(2)式计算测量液体施加于扭摆振子的平面波特征复阻抗的实 部(Aw )和虚部()<formula>formula see original document page 6</formula>
(1)
A2 - ￡ 6
其中， A ，《* 分别为空载和装载液体情况下测量得到的相位和角
位移，^为变化的角频率，4， A和g分别为仪器参数； 再由(3)和(4)式计算出液体的粘弹性G'和G"
(2)
(3)
2(~—))(Z,》
C7 (w)=——^-^-
其中，G'和G'分别为液体的储能模量和损耗模量，p为液体的密度。 在计算被测液体粘弹性时，如果所测液体为牛顿液体，还通过公式(5) 计算其粘度(7)
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，
(5),
为了使得测量及计算的效果最佳，测量所用的角频率选取为 虹[200,550 ]rad/s。
进一步的，所测量的液体为不同浓度的甘油-水溶液，或不同浓度的聚氧化 烯水溶液。通过对甘油-水溶液和聚氧化烯水溶液的测量计算，以及用商用流变 仪的测量结果进行验证，证实了测量及计算结果的准确性。
本发明提出一种全新的方法，克服了现有强迫共振扭摆仪只能在特定的率上测量液体粘弹性的这个缺陷，直接由空载和装载系统的主振动模式的共振 曲线的每对数据点得到该驱动频率下相应的测量液体的粘弹性，通过应用实验 室自制的强迫共振扭摆仪，测量了不同浓度的甘油-水溶液的粘度及其不同浓度 的聚氧化烯(PEO)水溶液的粘弹性，并且还应用商用流变仪重复验证了 PEO-水溶液实验的可靠性。实验结果准确地验证了该方法的可行性，表明了该方法 的应用实现了真正意义的强迫共振扭摆仪的连续变频测量液体粘弹性。
图1为本发明所用的扭摆型粘度共振测量仪的结构示意图； 图2为所测得的空载、加入不同浓度甘油-水溶液的共振曲线，其中(a)为角 位移-测量频率曲线，(b)为相位-测量频率曲线；
图3为根据图2所测得的曲线及相关数据，通过(1)和(2)公式计算得
到的测量液体的平面波特征复阻抗的实部(^^: A)和虚部(^p/: ☆)示意
图，其中(一)为根据^=^,二，^。/2计算得道的理论阻抗值，C为甘 油一水溶液的甘油浓度；
图4为根据图3的数据，通过(5)公式计算得到的不同甘油一水溶液的(a)
测量粘度 7"及其(b)对应的相对误差l^-1。|/^。，其中仏fe。为理论的粘 度值；
图5为测量浓度为(a) 0=2.0%和(b) C=4.0%W PEO—水溶液的粘弹性(G' 和G')随测量频率变化的曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
本发明所采用的强迫共振扭摆仪结构如附图1所示，包括扭丝1、固定夹头2、转动夹头与扭摆杆3、尼龙线4、平衡砝码5、驱动线圈对6、永久磁铁7、 光源及光准直管8、底座和支架9、差分光电池IO、反射镜ll、转轮12、热电 偶13、倒置转杯14、被测液体及盛液杯15、控温水浴池16、保温泡沬塑料盖 17。
采用上述扭摆仪测量空载和装载不同浓度甘油-水溶液的共振曲线，所述共 振曲线包括角位移 频率曲线(<9 ^)、和相位 频率曲线(p w)，如附 图2所示，然后由(1)和(2)式计算得到不同浓度甘油-水溶液施加于扭摆振 子的平面波特征复阻抗的实部(Wp/)和虚部(Zw)，如附图3所示，为附图 2所对应的复阻抗图，具体的计算公式及计算模块设置于扭摆仪的软件模块屮
<formula>formula see original document page 8</formula>其中, ^ ,《/分别为空载和装载液体情况卜测量得到的相位和角
位移，"为变化的角频率；4， ￡4和g分别为仪器参数(仪器参数值可通过 标准样品定标得到)。
最后再由(3)和(4)式计算出液体的粘弹性(G和G")。
<formula>formula see original document page 8</formula>(4)
l果测量的液体为牛顿液体，则测量的粘度由(5)式得到<formula>formula see original document page 9</formula>
在(3)、 (4)和(5)式中，G'和G"分别为液体的储能模量和损耗模量，p 为液体的密度，w为驱动角频率，^,(w)和^^(^)为该频率下的特征复阻抗的
实部及虚部。
附图4 (a)和(b)(由图3阻抗图的数据，通过(5)式计算得到)分别给 出了由附图1所示扭摆仪测量的不同浓度甘油-水溶液的实验结果及其对应测量 的相对误差。该实验结果准确地证明了该方法的可行性，并表明了，在测量角 频率为w e [200,550 ]rad/s ，测量液体粘度在10~1420 cp范围内，仪器的复阻抗 测量精度可达到卜2%，而粘度测量的精度约为4.0%。
附图5给出了浓度为(a) 0=2.0%和(b) 〔=4.0%的聚氧化烯水溶液(PEO) 的扭摆仪的实验结果(图中的实线(G')和虚线数据(G'))及其商用流变仪的 实验结果(图中的空心点数据，(G': G":〇))对比。PEO的具体测量及
计算过程与上述甘油-水溶液相似，扭摆仪和商用流变仪的测量结果在交叉频率 段的结果重合性很好，再次验证了该方法的可行性。本仪器的相位测量精度为 ±0.0003°，角位移测量精度为1%。
权利要求
1、一种使用强迫共振扭摆仪测量液体连续变频粘弹性的方法，其特征在于先通过强迫共振扭摆仪测量空载和装载被测液体后的共振曲线，所述共振曲线包括角位移～频率曲线(θ～ω)、和相位～频率曲线( id="icf0001" file="A2008100271170002C1.tif" wi="15" he="4" top= "50" left = "142" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>)，再直接由共振曲线的每对数据点得到该驱动频率(ω)下相应的液体的粘弹性，即通过每个驱动频率(ω)对应的角位移(θ)和相位( id="icf0002" file="A2008100271170002C2.tif" wi="3" he="4" top= "73" left = "126" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>)计算液体的粘弹性(G′、G″、或η)。
2、根据权利要求1所述的使用强迫共振扭摆仪测量液体连续变频粘弹性的 方法，其特征在于计算液体的粘弹性的具体过程如下由(1)和(2)式计算测量液体施加于扭摆振子的平面波特征复阻抗的实 部()和虚部()11《,如讽)2+1 《r如，a,:r)2十11(1)0其中, A ，《余，ew分别为空载和装载液体情况下测量得到的相位和角位移，"为变化的角频率，4, ￡4和A分别为仪器参数； 再由(3)和(4)式计算出液体的粘弹性G'和G"(2)(3)(4)其中，g'和g"分别为液体的储能模量和损耗模量，p为液体的密度。
3、 根据权利要求2所述的使用强迫共振扭摆仪测量液体连续变频粘弹性的 方法，其特征在于还通过公式(5)计算牛顿液体的粘度(7)<formula>formula see original document page 3</formula>
4、 根据权利要求1或2或3所述的使用强迫共振扭摆仪测量液体连续变频粘弹性的方法，其特征在于所测量的角频率为^ g [200，550 ]rad/s 。
5、 根据权利要求4所述的使用强迫共振扭摆仪测量液体连续变频粘弹性的 方法，其特征在于所测量的液体为不同浓度的甘油-水溶液，或不同浓度的聚氧 化烯水溶液。
全文摘要
本发明一种使用强迫共振扭摆仪测量液体连续变频粘弹性的方法，先通过强迫共振扭摆仪测量空载和装载被测液体后的共振曲线，所述共振曲线包括角位移～频率曲线(θ～ω)、和相位～频率曲线(φ～ω)，再直接由共振曲线的每对数据点得到该驱动频率(ω)下相应的液体的粘弹性，即通过每个驱动频率(ω)对应的角位移(θ)和相位(φ)计算液体的粘弹性(G′、G″、或η)。本发明提出一种全新的方法，克服了现有强迫共振扭摆仪只能在特定的频率上测量液体粘弹性的这个缺陷，实现了真正意义的强迫共振扭摆仪的连续变频测量液体粘弹性。
文档编号G06F17/10GK101308076SQ20081002711
公开日2008年11月19日 申请日期2008年3月31日 优先权日2008年3月31日
发明者张进修, 熊小敏, 王艺臻 申请人:中山大学