电极2的正极连接，另一条绝缘导线与各个螺旋叉指电极2的负极连接。
[0024]压电陶瓷圆环I上、下表面外圆边边缘位置分别设置有一定宽度的圆环形电极9，压电陶瓷圆环I上、下表面位于中心环孔边缘位置亦分别设置有一定宽度的圆环形电极10，压电陶瓷圆环I每个表面螺旋叉指电极2正负极交错分布，压电陶瓷圆环I上、下表面螺旋叉指电极2正极2-2分别与所在表面中心环孔边缘位置的圆环形电极10连接，压电陶瓷圆环I上、下表面螺旋叉指电极2的负极2-1分别与所在表面外圆边边缘位置的圆环形电极9连接，压电陶瓷圆环I的中心环孔孔壁上还成型有内侧电极11，内侧电极11分别与压电陶瓷圆环I上、下表面连接叉指电极正极的圆环形电极10连接，内侧电极11、环孔边缘位置的圆环形内电极10分别分割出部分电极区域12与上、下表面螺旋叉指电极2某一负极电极2-1连接。
[0025]压电陶瓷圆环I厚度为0.4?1mm，外径为20?30mm，内径为5?10mm，其上下两表面螺旋叉指电极2厚度为5?10 μπι，采用多对交叉指型电极结构，相邻螺旋叉指电极2间距为I?3mm，上下两面未镀螺旋叉指电极2部分刻槽深度为0.1?0.2mm。
[0026]螺旋叉指电极2和压电陶瓷圆环I刻槽通过激光或化学刻蚀加工，且两面螺旋叉指电极2位置对应一致。
[0027]金属台阶轴3采用不锈钢材料，螺旋叉指电极2材料为银，绝缘垫片6材料为石英，绝缘环7材料为橡胶。
[0028]金属台阶轴3和绝缘垫片6的适当位置加工通孔用于灌封绝缘导线8。
[0029]本发明中，包括有一个压电陶瓷圆环I及紧固压电陶瓷圆环I的金属台阶轴3 ;压电陶瓷圆环I上下两面镀有螺旋叉指电极2，未镀电极部分为一定深度刻槽；金属台阶轴3末端为螺纹4，通过螺母5将压电陶瓷圆环I紧固在金属台阶轴3端侧；所述的压电陶瓷圆环I与金属台阶轴3端侧和螺母4端面之间各有一绝缘垫片6，压电陶瓷圆环I内侧与金属台阶轴3之间套有绝缘环7 ;金属台阶轴3内灌封两条绝缘导线8用于螺旋叉指电极2引线。压电陶瓷圆环I厚度为0.4?1mm，外径为20?30mm，内径为5?10mm，其上下两面螺旋叉指电极2厚度为5?10 μπι，采用多对交叉指型电极结构，相邻叉指电极间距为I?3mm，上下两面未镀电极部分刻槽深度为0.1?0.2mm。
[0030]螺旋叉指电极2和压电陶瓷圆环I刻槽通过激光或化学刻蚀加工，且两面螺旋叉指电极2位置对应一致。在刻蚀螺旋叉指电极2工艺过程中，刻蚀电极材料后继续向下刻蚀压电陶瓷材料一定深度，从而形成刻槽结构。
[0031]金属台阶轴3采用不锈钢材料，螺旋叉指电极2材料为银，绝缘垫片6材料为石英，绝缘环7材料为橡胶。在金属台阶轴3和绝缘垫片6的适当位置加工通孔用于灌封绝缘导线。
[0032]螺旋叉指电极2正负电极交错分布，圆环面外边缘保留一定宽度圆环形电极9用于连接螺旋叉指电极的负极2-1，圆环面内边缘保留一定宽度圆环形电极10用于连接螺旋叉指电极的正极2-2压电陶瓷圆环内侧电极11用于连接上下两面的正电极，内边缘圆环型电极10和内侧电极11分割出部分电极区域12用于连接上下两面的负电极及引线端。制作过程中，先在压电陶瓷圆环I上下两面及内侧面镀有5?10 μπι银电极层，通过激光或化学刻蚀工艺在上下两面加工出螺旋叉指电极2，刻蚀电极材料后继续向内刻蚀压电陶瓷材料0.1?0.2_深度，从而形成刻槽结构。
[0033]如图4所示电路，当本发明探头工作在空气中时，其一阶扭转谐振频率附近的电学等效电路由静态电容Ctl以及串联支路Rm、Lm、Cm构成，其中Rm表示由压电陶瓷圆环内部材料机械损耗引起的等效电阻，1^表示由压电陶瓷圆环质量引起的等效电感，Cm表示由压电陶瓷圆环刚度引起的等效电容。当本发明探头工作在待测液体中时，由于压电陶瓷圆环与液体之间的振动耦合作用，其工作状态受到液体的影响，电学等效电路发生了相应的变化。其静态电容受液体介电影响，增加Cf;其串联支路增加了 Rf、L#PLg，其中&和1^是由压电圆环面外液体振动耦合作用引起的，且满MRf= 23ifsLf，仁为串联谐振频率，而Lg是由压电圆环刻槽内的液体同步运动引起的。当压电陶瓷圆环材料尺寸确定，CfR与待测液体介电常数有关，&和Lf仅与待测液体粘度和密度的乘积有关，Lg仅与待测液体的密度有关。通过标准液标定测试，可获得各参量之间的关系曲线。
[0034]参见图5、6，由压电陶瓷圆环的电学等效电路可以得到其电导、电纳频率特性曲线。图中4为串联谐振频率，此时等效电导G取得最大值Gmax;f JPf2为半功率点，此时等效电导G取得最大值Gmax的二分之一，或者等效电纳B在f i处取得最大值而在f 2处取得最小值为并联谐振频率，此时等效电纳B在较低频率点为零；fa为反谐振频率，此时等效电纳B在较高频率点为零。以上五个特征频率点的频率值可由等效电路的参数表示，通过测量压电陶瓷圆环在空气和待测液体中一阶扭转谐振频率附近的导纳频率响应曲线，获得五个特征频率点，即可计算出(^、&、1^和1^值，利用标定的关系曲线，可得到待测液体的粘度、密度和介电常数。
【主权项】
1.一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头，其特征在于:包括金属台阶轴、压电陶瓷圆环，所述压电陶瓷圆环上、下表面分别镀有多道螺旋叉指电极，压电陶瓷圆环上、下表面上相邻螺旋叉指电极之间设置为一定深度的刻槽，金属台阶轴的末端外壁设置有螺纹，所述压电陶瓷圆环通过中心环孔中的螺母螺合安装在金属台阶轴的末端上，且金属台阶轴末端螺合有在压电陶瓷圆环下表面将压电陶瓷圆环紧固在金属台阶轴台阶上的螺母，所述压电陶瓷圆环上表面与金属台阶轴台阶之间、压电陶瓷圆环下表面与螺母之间分别设置有套在金属台阶轴末端上的绝缘垫片，压电陶瓷圆环中心的环孔孔壁与金属台阶轴末端之间设置有套在金属台阶轴末端上的绝缘环，所述金属台阶轴内灌封有两条绝缘导线，其中一条绝缘导线与各个螺旋叉指电极的正极连接，另一条绝缘导线与各个螺旋叉指电极的负极连接。
2.根据权利要求1所述的一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头，其特征在于:压电陶瓷圆环上、下表面螺旋叉指电极正负极交错分布，压电陶瓷圆环上、下表面外圆边边缘位置分别设置有一定宽度的圆环形外电极，压电陶瓷圆环上、下表面位于中心环孔边缘位置亦分别设置有一定宽度的圆环形内电极，压电陶瓷圆环的中心环孔孔壁上还成型有内侧电极；压电陶瓷圆环上、下表面螺旋叉指电极正极分别与所在表面中心环孔边缘位置的圆环形内电极连接，内侧电极分别与压电陶瓷圆环上、下表面连接叉指电极正极的圆环形内电极连接，其中一条绝缘导线与圆环形内电极连接，作为正极引出导线；压电陶瓷圆环上、下表面螺旋叉指电极的负极分别与所在表面外圆边边缘位置的圆环形外电极连接，圆环形内电极和内侧电极分别分割出部分负极电极区域与上、下表面螺旋叉指电极某一负极电极连接，另一条绝缘导线与圆环形内电极分割出的负极电极区域连接，作为负极引出导线。
3.根据权利要求1所述的一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头，其特征在于:所述压电陶瓷圆环厚度为0.4?1mm，夕卜径为20?30mm，内径为5?10mm，其上下两表面螺旋叉指电极厚度为5?10 μ m，采用多对交叉指型电极结构，相邻螺旋叉指电极间距为I?3mm，上下两面未镀螺旋叉指电极部分刻槽深度为0.1?0.2mm。
4.根据权利要求1所述的一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头，其特征在于:所述螺旋叉指电极和压电陶瓷圆环刻槽通过激光或化学刻蚀加工，且两面螺旋叉指电极位置对应一致。
5.根据权利要求1所述的一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头，其特征在于:所述金属台阶轴采用不锈钢材料，螺旋叉指电极材料为银，绝缘垫片材料为石英，绝缘环材料为橡胶。
6.根据权利要求1所述的一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头，其特征在于:所述金属台阶轴和绝缘垫片的适当位置加工通孔用于灌封绝缘导线。
【专利摘要】本发明公开了一种压电扭振式粘度、密度及介电常数在线同时测量探头，包括有一个压电陶瓷圆环及紧固压电陶瓷圆环的金属台阶轴，压电陶瓷圆环上下两面镀有对应的螺旋叉指电极，压电陶瓷圆环上下两面未镀电极部分为一定深度刻槽，金属台阶轴两端加工有螺纹，压电陶瓷圆环通过螺母紧固在金属台阶轴末端，且压电陶瓷圆环与螺母和金属台阶轴之间各有一绝缘垫片，压电陶瓷圆环内壁与金属台阶轴之间套有绝缘环，金属台阶轴内灌封两条绝缘导线用于螺旋叉指电极引线，金属台阶轴另一端螺纹用于探头固定。本发明探头结构紧凑、适宜于微型化，可用于非导电牛顿液体粘度、密度及介电常数在线测量。
【IPC分类】G01R27-26, G01N11-16, G01N9-10
【公开号】CN104634702
【申请号】CN201510100139
【发明人】潘成亮, 孟雪奎, 肖广军, 于连栋, 李维诗, 夏豪杰, 张永宾, 赵亚慧
【申请人】合肥工业大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年3月6日