專利名稱：聲板波虛擬陣列傳感器系統(tǒng)及基于該系統(tǒng)的液體檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種液體傳感器系統(tǒng)，尤其涉及一種并行檢測液體多特征參數(shù)的聲板 波虛擬陣列傳感器系統(tǒng)及檢測方法，屬于新型傳感器領域。
背景技術：
液體傳感器主要用于對液體本身特征參數(shù)的檢測，包括密度、體積彈性模量、粘度 三種機械參數(shù)以及介電常數(shù)、電導率兩種電學參數(shù)的測量。液體檢測不僅關注液體某單個 特定的特征參數(shù)，還希望能夠并行檢測液體的多個特征參數(shù)。目前工業(yè)上測量液體各特征參數(shù)的常用儀器或方法非常多。測量液體密度的常用 儀器有浮子式密度計、振動式密度計、放射性同位素密度計、超聲波式密度計等[1]；測量 液體粘度的常用方法有毛細管法、扭擺振動法、落球法、旋轉法等[2]；通常采用邁克爾遜 干涉儀測量液體體積彈性模量[3，4]；采用電容式傳感器測量液體介電常數(shù)[5]；采用電阻 式傳感器、磁電式傳感器測量液體電導率[6，7]?，F(xiàn)有儀器或測量方法存在著許多不足之 處，如儀器體積大、價格昂貴、操作繁瑣、需要試樣多、響應時間長、數(shù)據不易處理、測量精度 低等。并且，對于不同的特征參數(shù)，相應的測量儀器和方法也各不相同。因此，研制出測量 精度高、響應快、性能穩(wěn)定、體積小、試樣微量、數(shù)據易于處理，且能實現(xiàn)并行測量液體多個 特征參數(shù)的傳感器系統(tǒng)，是非常有必要的，也符合未來傳感器微型化、低功耗、低成本、高精 度、長壽命的發(fā)展趨勢。[1]張欲曉，樊尚春.液體密度傳感器.計測技術，2006，26(1) :1_4.[2]高桂麗，李大勇，石德全.液體粘度測定方法及裝置研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢簡 述·化工自動化及儀表，2006，33 (2) =65-70.[3]戴瑋，趙學民，馬書炳，等.液體體變彈性模量測量實驗及研究.物理實驗， 2003，21(4) 14-16.[4]張鳳蘭，計新.液體的體積彈性模量測定.延邊大學學報(自然科學版)， 2002，28 (3) 168-17.[5]馮曉東，鄭聯(lián)英，何朝來.液體介電常數(shù)的精密測定.現(xiàn)代測量與實驗室管理，
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發(fā)明內容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于提供一種聲板波虛擬陣列傳感器系統(tǒng)及檢測方法，可以并行檢 測液體的密度、體積彈性模量、粘度三種機械參數(shù)以及介電常數(shù)、電導率兩種電學參數(shù)。
技術方案一種聲板波虛擬陣列傳感器系統(tǒng)，包括微控制器模塊、信號激勵模塊、聲板波虛 擬陣列器件模塊和信號采集模塊；其中微控制器模塊的輸出端連接信號激勵模塊的輸入 端，信號激勵模塊的輸出端分別連接聲板波虛擬陣列器件的輸入端、信號采集模塊的輸入 端，聲板波虛擬陣列器件模塊與信號采集模塊相連接，信號采集模塊的輸出端連接微控制 器模塊的輸入端。
本發(fā)明的聲板波虛擬陣列傳感器系統(tǒng)中聲板波虛擬陣列器件模塊包括自由化形 式的聲板波器件和金屬化形式的聲板波器件；其中所述自由化形式的聲板波器件包括壓電 薄板、輸入叉指換能器、輸出叉指換能器，其中輸入叉指換能器和輸出叉指換能器沉積在壓 電薄板一側表面上，分左右兩側對稱排布；所述金屬化形式的聲板波器件的結構為在自由 化形式的聲波板器件的基礎上，在壓電薄板的另一側表面鍍上一層金屬薄膜形成。本發(fā)明的聲板波虛擬陣列傳感器系統(tǒng)中所述壓電薄板所用材料均為壓電陶瓷 PZT-5H。本發(fā)明的聲板波虛擬陣列傳感器系統(tǒng)中聲板波器件通過改變激發(fā)頻率得到各不 相同的聲板波模態(tài)，即單個聲板波器件被擴展成很多個功能上完全獨立的虛擬器件。一種基于本發(fā)明的聲板波虛擬陣列傳感器系統(tǒng)的液體多特征參數(shù)的檢測方法，傳 感器系統(tǒng)工作時，微控制器模塊控制信號激勵模塊產生高頻正弦電壓信號，該正弦電壓信 號施加到聲板波虛擬陣列器件模塊輸入端，利用逆壓電效應產生聲板波，傳輸?shù)铰暟宀ㄌ?擬陣列器件模塊輸出端的聲板波再通過正壓電效應轉換成電壓信號，聲板波的傳播特性受 負載在聲板波虛擬陣列器件模塊上的液體特征參數(shù)影響，通過信號采集模塊測量聲板波虛 擬陣列器件模塊輸入、輸出電壓信號的相位差和振幅比來檢測液體的特征參數(shù)；包括如下 步驟1)選擇壓電薄板與液體的接觸界面為金屬化形式的聲板波器件A，且該器件A激 發(fā)出的聲板波只在水平剪切方向存在振動位移，此時器件A的輸出只與液體的密度和粘度 有關；對于器件A，選擇相應模態(tài)的激發(fā)頻率得到對應的虛擬器件a，通過測量虛擬器件a輸 入、輸出信號之間的相位差來檢測液體密度，通過測量虛擬器件a輸入、輸出信號之間的振 幅比來檢測液體粘度；2)在按上述步驟測得液體密度和粘度的前提下，選擇壓電薄板與液體的接觸界面 為金屬化形式的聲板波器件B，且該器件B激發(fā)出的聲板波在傳播方向存在著振動位移；對 于器件B，選擇相應模態(tài)的激發(fā)頻率得到對應的虛擬器件b通過測量虛擬器件b輸入、輸出 信號之間的相位差來檢測液體體積彈性模量；3)按上述兩個步驟測得液體密度、液體粘度、液體體積彈性模量，選擇壓電薄板與 液體的接觸界面為自由化形式的聲板波器件C ；對于器件C，選擇相應模態(tài)的激發(fā)頻率得到 對應的虛擬器件C通過測量虛擬器件C輸入、輸出信號之間的相位差來檢測液體介電常數(shù)， 通過測量虛擬器件c輸入、輸出信號之間的振幅比來檢測液體電導率。有益效果1.采用聲板波傳感器可以使檢測器件小，信號干擾少；2.可以通過由三個聲板波虛擬器件構成的聲板波虛擬陣列器件實現(xiàn)對液體五個 特征參數(shù)的并行檢測；
3.由于聲板波虛擬器件通過對聲板波實際器件施加相應的激發(fā)頻率而獲得，因此 可以在使用過程中根據虛擬陣列器件的檢測能力來對虛擬器件進行靈活的選擇、組合和擴 充。


圖1是本發(fā)明的結構模塊框圖。圖2是本發(fā)明的壓電薄板與液體接觸界面為自由化形式的聲板波器件立體示意 圖。圖3是本發(fā)明的壓電薄板與液體接觸界面為自由化形式的聲板波器件測量液體 的平面示意圖。圖4是本發(fā)明的壓電薄板與液體接觸界面為自由化形式的聲板波器件封裝圖。圖5是本發(fā)明的壓電薄板與液體接觸界面為金屬化形式的聲板波器件立體示意 圖。圖6是本發(fā)明的壓電薄板與液體接觸界面為金屬化形式的聲板波器件測量液體 的平面示意圖。圖7是本發(fā)明的壓電薄板與液體接觸界面為金屬化形式的聲板波器件封裝圖。圖8是本發(fā)明的聲板波虛擬陣列器件實物圖。上述圖中的標號名稱1.壓電薄板，2.輸入叉指換能器，3.輸出叉指換能器，4.液 體試樣，5.粘結劑，6.座體，7.液槽，8.射頻連接器，9.引線，10.絕緣墊板，11.底蓋，12.金屬薄膜。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明如圖1所示，一種聲板波虛擬陣列傳感器系統(tǒng)。其結構包括微控制器模塊、信號激 勵模塊、聲板波虛擬陣列器件模塊和信號采集模塊。其中微控制器模塊的輸出端連接信號 激勵模塊的輸入端；信號激勵模塊的輸出端連接聲板波虛擬陣列器件模塊的輸入端；信號 采集模塊有兩個輸入端，分別連接聲板波虛擬陣列器件模塊的輸入端和輸出端；信號采集 模塊的輸出端連接微控制器模塊的輸入端。聲板波虛擬陣列器件的特點是基于聲板波自身的頻散特性，同一個聲板波器件可 以通過改變激發(fā)頻率得到各不相同的聲板波模態(tài)，各模態(tài)檢測液體時具有各不相同的頻移 和衰減，相當于單個聲板波器件可以被擴展成很多個功能上完全獨立的虛擬器件。傳感器系統(tǒng)工作時，微控制器模塊控制信號激勵模塊產生一定頻率的高頻正弦電 壓信號，該信號施加到聲板波虛擬陣列器件模塊輸入端，利用逆壓電效應產生聲板波，傳輸 到聲板波虛擬陣列器件模塊輸出端的聲板波再通過正壓電效應轉換成電壓信號。聲板波 的傳播特性受負載在聲板波虛擬陣列器件模塊上的液體特征參數(shù)影響，通過信號采集模塊 測量聲板波虛擬陣列器件模塊輸入、輸出電壓信號的相位差和振幅比來檢測液體的特征參 數(shù)。如圖2所示，壓電薄板與液體接觸界面為自由化形式的聲板波器件立體示意圖。 包括壓電薄板1、輸入叉指換能器2、輸出叉指換能器3。其中壓電薄板1所用材料為壓電陶瓷PZT-5H，長度為25mm，寬度為10mm，厚度為0. 15mm ；輸入叉指換能器2和輸出叉指換能 器3沉積在壓電薄板表面上，所用材料為銅，叉指對數(shù)為6對，叉指周期為1mm，叉指寬度為 0. 25mm，叉指間距為0. 25mm，孔徑為5mm，兩叉指之間的中心距為12mm。xl方向為聲板波傳 播方向、x2方向為水平剪切方向，x3方向為基片法線方向。如圖3所示，壓電薄板與液體接觸界面為自由化形式的聲板波 器件測量液體的平 面示意圖。采用輸入叉指換能器2和輸出叉指換能器3沉積在壓電薄板1的其中一個界面 而液體試樣4與另一個界面接觸的結構形式，使叉指換能器與液體分離開來，不受液體侵 蝕。如圖4所示，壓電薄板與液體接觸界面為自由化形式的聲板波器件封裝圖。沉積 叉指換能器的壓電薄板1表面朝下，通過粘結劑5固定在座體6上。粘接劑5不僅起粘合作 用，還能夠作為吸聲材料加以應用。座體6由鋁合金制成，上端開液槽7以滴入液體試樣， 下端留有足夠的空腔，為射頻連接器8的安裝留出位置。脈沖點焊叉指換能器并接出引線 9與射頻連接器8相連，射頻連接器8通過絕緣墊板10固定在座體6兩側。座體6下方安 裝底蓋11。如圖5所示，壓電薄板與液體接觸界面為金屬化形式的聲板波器件立體示意圖。 如圖6所示，壓電薄板與液體接觸界面為金屬化形式的聲板波器件測量液體的平面示意 圖。如圖7所示，壓電薄板與液體接觸界面為金屬化形式的聲板波器件封裝圖。與相應的 圖2、圖3、圖4相比，在與液體試樣4接觸的壓電薄板1表面鍍上了一層厚度為800埃的金 屬薄膜12，且在封裝時將該金屬薄膜12與座體6接觸，以保證金屬薄膜12的可靠接地。如圖8所示，聲板波虛擬陣列器件實物圖。實際制作三個聲板波器件，壓電薄板所 用材料都為壓電陶瓷PZT-5H。由于陶瓷本身不具備壓電性，需要經過極化處理而獲得壓電 效應并達到取向要求。將PZT-5H沿寬度方向極化，壓電薄板上的聲板波只在水平剪切方向 存在振動位移；將PZT-5H沿長度或厚度方向極化，壓電薄板上的聲板波在傳播方向存在著 振動位移。對于該傳感器系統(tǒng)，基于層狀介質的聲波傳播理論建立了負載液體的聲板波理論 模型，并編寫代碼進行了仿真計算和分析。理論模型和仿真結果表明1、對于壓電薄板與液 體接觸界面為自由化形式的聲板波器件，測量結果同時受液體機械參數(shù)和電學參數(shù)影響； 2、對于壓電薄板與液體接觸界面為金屬化形式的聲板波器件，測量結果不受液體電學參數(shù) 影響；3、對于只在水平方向存在振動位移的聲板波，測量結果不受液體體積彈性模量影響； 4、聲板波虛擬陣列器件模塊輸入、輸出電壓信號的相位差主要受液體密度、體積彈性模量、 介電常數(shù)影響；5、聲板波虛擬陣列器件模塊輸入、輸出電壓信號的振幅比主要受液體粘度、 電導率影響。該傳感器系統(tǒng)中，微控制器模塊采用美國TI公司的單片機MSP430F2617 ；信號激 勵模塊采用美國AD公司的直接數(shù)字頻率合成器(DDS，Direct Digital Synthesizer)芯 片AD9834 ；信號采集模塊采用美國AD公司的幅相測量芯片AD8302，能同時測量從低頻到 2. 7GHz范圍內的兩信號之間的振幅比和相位差。—種基于該聲板波虛擬陣列傳感器系統(tǒng)的并行檢測液體多特征參數(shù)的檢測方法， 包括如下步驟1.選擇壓電薄板與液體的接觸界面為金屬化形式的聲板波器件，且該器件(記為器件Α)激發(fā)出的聲板波只在水平剪切方向存在振動位移。此時器件A的輸出只與液體的密度和粘度有關。對于器件A，選擇合適的激發(fā)頻率得到對應的虛擬器件(記為器件a)。 通過測量虛擬器件a輸入、輸出信號之間的相位差來檢測液體密度，通過測量虛擬器件a輸 入、輸出信號之間的振幅比來檢測液體粘度；2.在按上述步驟測得液體密度和粘度的前提下，選擇壓電薄板與液體的接觸界面 為金屬化形式的聲板波器件，且該器件(記為器件B)激發(fā)出的聲板波在傳播方向存在著振 動位移。對于器件B，選擇合適的激發(fā)頻率得到對應的虛擬器件(記為器件b)。通過測量 虛擬器件b輸入、輸出信號之間的相位差來檢測液體體積彈性模量；3.在按上述兩個步驟測得液體三個機械參數(shù)的情況下，選擇壓電薄板與液體的接 觸界面為自由化形式的聲板波器件(記為器件C)。對于器件C，選擇合適的激發(fā)頻率得到 對應的虛擬器件(記為器件C)。通過測量虛擬器件C輸入、輸出信號之間的相位差來檢測 液體介電常數(shù)，通過測量虛擬器件c輸入、輸出信號之間的振幅比來檢測液體電導率。
權利要求
一種聲板波虛擬陣列傳感器系統(tǒng)，其特征在于包括微控制器模塊、信號激勵模塊、聲板波虛擬陣列器件模塊和信號采集模塊；其中微控制器模塊的輸出端連接信號激勵模塊的輸入端，信號激勵模塊的輸出端分別連接聲板波虛擬陣列器件的輸入端、信號采集模塊的輸入端，聲板波虛擬陣列器件模塊與信號采集模塊相連接，信號采集模塊的輸出端連接微控制器模塊的輸入端。
2.根據權利要求1所述的聲板波虛擬陣列傳感器系統(tǒng)，其特征在于所述聲板波虛擬 陣列器件模塊包括自由化形式的聲板波器件和金屬化形式的聲板波器件；其中所述自由化 形式的聲板波器件包括壓電薄板(1)、輸入叉指換能器(2)、輸出叉指換能器(3)，其中輸入 叉指換能器⑵和輸出叉指換能器⑶沉積在壓電薄板⑴一側表面上，分左右兩側對稱 排布；所述金屬化形式的聲板波器件的結構為在自由化形式的聲波板器件的基礎上，在壓 電薄板(1)的另一側表面鍍上一層金屬薄膜(12)形成。
3.根據權利要求2所述的聲板波虛擬陣列傳感器系統(tǒng)，其特征在于所述壓電薄板(1) 所用材料均為壓電陶瓷PZT-5H。
4.根據權利要求2所述的聲板波虛擬陣列傳感器系統(tǒng)，其特征在于所述聲板波器件 通過改變激發(fā)頻率得到各不相同的聲板波模態(tài)，即單個聲板波器件被擴展成很多個功能上 完全獨立的虛擬器件。
5.一種基于權利要求1所述的聲板波虛擬陣列傳感器系統(tǒng)的液體多特征參數(shù)的檢測 方法，其特征在于傳感器系統(tǒng)工作時，微控制器模塊控制信號激勵模塊產生高頻正弦電壓 信號，該正弦電壓信號施加到聲板波虛擬陣列器件模塊輸入端，利用逆壓電效應產生聲板 波，傳輸?shù)铰暟宀ㄌ摂M陣列器件模塊輸出端的聲板波再通過正壓電效應轉換成電壓信號， 聲板波的傳播特性受負載在聲板波虛擬陣列器件模塊上的液體特征參數(shù)影響，通過信號采 集模塊測量聲板波虛擬陣列器件模塊輸入、輸出電壓信號的相位差和振幅比來檢測液體的 特征參數(shù)；包括如下步驟1)選擇壓電薄板與液體的接觸界面為金屬化形式的聲板波器件A，且該器件A激發(fā) 出的聲板波只在水平剪切方向存在振動位移，此時器件A的輸出只與液體的密度和粘度有 關；對于器件A，選擇相應模態(tài)的激發(fā)頻率得到對應的虛擬器件a，通過測量虛擬器件a輸 入、輸出信號之間的相位差來檢測液體密度，通過測量虛擬器件a輸入、輸出信號之間的振 幅比來檢測液體粘度；2)在按上述步驟測得液體密度和粘度的前提下，選擇壓電薄板與液體的接觸界面為金 屬化形式的聲板波器件B，且該器件B激發(fā)出的聲板波在傳播方向存在著振動位移；對于器 件B，選擇相應模態(tài)的激發(fā)頻率得到對應的虛擬器件b通過測量虛擬器件b輸入、輸出信號 之間的相位差來檢測液體體積彈性模量；3)按上述兩個步驟測得液體密度、液體粘度、液體體積彈性模量，選擇壓電薄板與液體 的接觸界面為自由化形式的聲板波器件C ；對于器件C，選擇相應模態(tài)的激發(fā)頻率得到對應 的虛擬器件c通過測量虛擬器件c輸入、輸出信號之間的相位差來檢測液體介電常數(shù)，通過 測量虛擬器件c輸入、輸出信號之間的振幅比來檢測液體電導率。
全文摘要
本發(fā)明提供一種聲板波虛擬陣列傳感器系統(tǒng)及基于該系統(tǒng)的液體檢測方法。本發(fā)明的系統(tǒng)結構包括微控制器模塊、信號激勵模塊、聲板波虛擬陣列器件模塊和信號采集模塊。本發(fā)明的方法通過微控制器模塊控制信號激勵模塊產生一定頻率的高頻正弦電壓信號，該信號施加到聲板波虛擬陣列器件模塊輸入端，利用逆壓電效應產生聲板波，傳輸?shù)铰暟宀ㄌ摂M陣列器件模塊輸出端的聲板波再通過正壓電效應轉換成電壓信號，聲板波的傳播特性受負載在聲板波虛擬陣列器件模塊上的液體特征參數(shù)影響，通過信號采集模塊測量聲板波虛擬陣列器件模塊輸入、輸出電壓信號的相位差和振幅比來檢測液體的特征參數(shù)；本發(fā)明具有檢測器件小，信號干擾少等優(yōu)點。
文檔編號G01N11/00GK101806776SQ20101014987
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月19日 優(yōu)先權日2010年4月19日
發(fā)明者宣建青, 張小寧, 陳智軍 申請人:南京航空航天大學