一种基于耦合梁内共振特性的粘度密度测量方法及检测装置

本发明属于液体粘度密度检测，尤其涉及一种基于耦合梁内共振特性的粘度密度测量方法及检测装置。

背景技术：

1、液体的粘度和密度是反应液体性质状态的重要物理学基本参数，对粘度和密度的精确测量对工业生产、卫生医疗、石油化工等领域有着重要意义。因此，研究人员一直热衷于粘密度传感器的开发与研究。其中，压电悬臂梁式粘密度传感器因其结构简单、操作方便、检测灵敏度高以及能够同时在线检测粘度和密度两个参数的优点而得到了广泛的研究及应用。

2、传统的压电悬臂梁式粘密度传感器大多采用单根悬臂梁作为核心检测元件，将单根悬臂梁完全浸没在液体之中，通过压电片来收集包含振动信息的电信号。但在实验过程中，浸没在液体中的单悬臂梁受到大阻尼液体的影响，输出信号的品质因子很低，噪声很大，不利于后续的信号处理及粘密度的解算，而且传统的压电悬臂梁式传感器主要依赖于单根悬臂梁的线性振动信息来进行粘密度的检测，在液体中线性振动状态下的悬臂梁的谐振频率偏移较小，导致检测灵敏度很低。除此之外，传统的压电悬臂梁式粘密度传感器由于不具有自清洁的功能，极容易被一些特殊的液体环境所污染，严重影响检测性能。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于耦合梁内共振特性的粘度密度测量方法及检测装置，以解决传统压电悬臂梁式粘密度传感器检测灵敏度低、输出信号品质因子低、输出信号频率噪声大且不具有自清洁功能的问题，其能够同时在线检测液体的粘度、密度，且对待测液体不具有特异性，结构简单，易于拆卸，测量方便，还可以实现自清洁，降低了维护成本。

2、本发明采取的技术方案是：一种基于耦合梁内共振特性的粘度密度检测装置，包括固定单元、保护单元、夹紧单元、检测单元和收集单元，其中固定单元作为支撑整个装置的骨架，夹紧单元与固定单元的支架下方固定连接，夹紧单元通过夹具与检测单元固定连接，检测单元位于保护单元内部，该保护单元上部与夹紧单元螺纹连接，收集单元与固定单元固定连接。

3、所述固定单元包括支架、齿轮一、转轴一、旋钮一、滑轨一、螺栓一、齿条一和底座，其中滑轨一底部与底座通过螺栓一固定连接，齿条一固定连接在滑轨一的侧面，转轴一与支架转动连接，齿轮一与转轴一中部固定连接，齿轮一与齿条一啮合，支架的滑槽与滑轨一滑动连接，旋钮一与转轴一的一端固定连接。

4、所述保护单元包括压电晶体和保护壳，压电晶体与保护壳上部外侧固定连接，压电晶体在保护壳的顶端沿圆周均匀分布，保护壳侧壁开设有沿圆周分布的圆孔，用于待测液体流入。

5、所述夹紧单元包括固定夹具、活动夹具、旋钮二、转轴二、齿轮二、螺栓二、齿条二、滑轨二和螺栓三，其中固定夹具通过螺栓二与固定单元的支架下方固定连接，滑轨二通过螺栓三与固定单元的支架下方固定连接，滑轨二的一端与固定夹具连接，齿条二固定连接在滑轨二的下部，活动夹具通过滑槽与滑轨二滑动连接，转轴二与活动夹具转动连接，齿轮二与转轴二固定连接，齿轮二与齿条二啮合，旋钮二与转轴二的一端固定连接，通过转动旋钮二可以左右移动活动夹具，调节整个夹紧单元的夹紧程度。

6、所述检测单元包括耦合悬臂梁、低频感知梁压电驱动机构、低频感知梁拾振机构、高频检测梁压电驱动机构和高频检测梁拾振机构，其中低频感知梁压电驱动机构和低频感知梁拾振机构分别连接在耦合悬臂梁的低频感知梁上部两侧，高频检测梁压电驱动机构和高频检测梁拾振机构分别连接在耦合悬臂梁的高频检测梁上部两侧。

7、所述压电驱动机构及拾振机构采用pzt压电陶瓷或pvdf压电薄膜。

8、所述耦合悬臂梁纵向截面为矩形、t形或三角形。

9、所述收集单元包括恒温油箱、加热棒和温度传感器，其中加热棒和温度传感器分别固定连接在恒温油箱的内腔中。

10、一种基于耦合梁内共振特性的粘度密度测量方法，包括下列步骤：

11、第一步，将液体粘度密度检测装置置于水平桌面上，旋动夹紧单元上的旋钮二，夹紧检测单元，之后将保护壳通过螺纹与夹紧单元连接起来；

12、第二步，将待测液体置于收集单元的恒温油箱中，使用加热棒与温度传感器保证待测液体的温度，调节固定单元上的旋钮一将耦合悬臂梁的低频感知梁的末端5mm浸没在待测液体中，并同时保证耦合悬臂梁的高频检测梁完全裸露在空气中；

13、第三步，对低频感知梁压电驱动机构与高频检测梁压电驱动机构分别输入激励电压扫频信号，驱动耦合悬臂梁整体产生振动；

14、第四步，在示波器上获取末端在液体中的低频感知梁与完全裸露在空气中的高频检测梁上的低频感知梁拾振机构、高频检测梁拾振机构输出的电压信号，所述耦合悬臂梁以第一内共振模态振动时，对应末端浸没在液体中的低频感知梁的内共振特征曲线为第一内共振曲线信号，获取所述耦合悬臂梁以第一内共振模态振动时，对应裸露在空气中的高频检测梁的内共振特征曲线为第二内共振曲线信号；

15、第五步，根据获取的两个内共振曲线信号，读取第一内共振曲线信号上低频感知梁的跳升幅值a1d及第二内共振曲线信号上高频检测梁的跳升频率ω2d；经推导得到粘密度传感方程：

16、

17、

18、其中m1为低频感知梁的等效质量，dm为液体施加在低频感知梁上的附加质量，c1为液体施加在低频感知梁上的附加阻尼，f为外界激励的加速度，a与b为只与耦合悬臂梁自身有关的参数；

19、步骤七，由于将低频感知梁末端浸入待测液体5mm，浸没段被视为一个半径为2.5mm的小球，因此，在耦合悬臂梁整体受到外界激励后稳定振动时，这个小球会以某个频率在液体中稳定振动，此时，液体给予小球的附加质量dm与液体给予小球的附加阻尼c1由以下公式得到：

20、

21、

22、ω1d为一阶内共振模态下，低频感知梁在液体中的谐振频率，ρ为液体密度，η为液体粘度，rs为低频感知梁宽度的一半；

23、第六步，从两个内共振曲线信号中读取a1d及ω2d，带入到传感方程，即解算得到液体的粘度密度。

24、本发明所述第五步中，所述粘度密度传感方程的推导过程如下：

25、步骤一，利用谐波平衡法推导高检测频梁跳升频率ω2d及低频感知梁跳升幅值a1d：

26、

27、x1＝a1cos(ωt+φ1)

28、x2＝a2cos(3ωt+φ2)

29、其中m1为低频感知梁的等效质量，c1为低频感知梁的固有阻尼，可以忽略不计，x1为低频感知梁的振动响应，为低频感知梁振动响应的一阶导数，为低频感知梁振动响应的二阶导数，x2为高频检测梁的振动响应，a1为低频感知梁振动振幅，a2为高频检测梁振动振幅，ω为低频感知梁的谐振频率，φ1为低频感知梁振动的相位，φ2为高频检测梁振动的相位，k1为低频感知梁的线性刚度，为低频感知梁的非线性刚度，为线性耦合刚度，kc3为非线性耦合刚度，f为外界激励的加速度，dm为液体施加在低频感知梁上的附加质量，c1为液体施加在低频感知梁上的附加阻尼；

30、步骤二，将x1、x2带入上式可得：

31、

32、步骤三，提取上式系数有：

33、

34、步骤四，忽略低频感知梁固有阻尼c1，并设a＝k1+kc1，b＝kc3+kn1：

35、

36、且对于低频感知梁的跳升幅值a1d有：

37、

38、步骤五，将上述公式带入ω2的表达式有：

39、

40、步骤六，将a1的表达式带入ω2并整理，可得：

41、

42、本发明还包括第七步，在进行完振动信息的收集并检测完成后，向压电晶体中输入合适的激励电压，驱动保护壳产生振动，以实现装置的自清洁。

43、本发明的有益效果在于：

44、1、本发明通过将耦合悬臂梁上的低频感知梁末端浸没在液体中来感知液体的粘度密度，并同时收集末端浸没在液体中的低频感知梁及完全裸露在空气中的高频检测梁上的内共振信息来进行检测，实现了传感-检测的分离，与检测完全浸没在液体中的单悬臂梁振动信息的传统压电悬臂梁式粘度密度传感器相比，两个振动信号的品质因子得到大幅度提升。

45、2、本发明通过耦合悬臂梁上发生的内共振效应对液体粘度密度进行检测，利用内共振效应本身具有的噪声抑制的优点，与检测完全浸没在液体中的单悬臂梁振动信息的传统压电悬臂梁式粘度密度传感器相比，两个振动信号的频率噪声水平大大降低。

46、3、本发明通过耦合悬臂梁上发生的内共振效应对液体粘度密度进行检测，利用内共振效应本身具有的倍频特性，在受到液体的作用后，高频检测梁上输出信号的频率偏移是低频感知梁的整数倍，因此，与传统压电悬臂梁式粘度密度传感器相比，粘密度检测的灵敏度也提高了数倍。

47、4、本发明的保护单元、检测单元、夹紧单元之间通过螺纹连接，结构简单，易于安装及拆卸，使用灵活。

48、5、本发明设置有保护壳和压电晶体，通过压电晶体的振动带动保护壳产生振动，与传统压电悬臂梁式粘度密度传感器相比，能够实现装置的自清洁，大大降低了维护成本。