專利名稱：一種壓電激勵(lì)壓電檢測的諧振式音叉液體密度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電激勵(lì)壓電檢測的諧振式音叉液體密度傳感器，是一種高精度諧振式準(zhǔn)數(shù)字傳感器，屬于測試計(jì)量儀表領(lǐng)域的，用于高精度在線測量液體密度，其諧振元件 為調(diào)諧叉體。
背景技術(shù)：
密度是液體的重要物理性質(zhì)，測量液體密度是醫(yī)藥、食品、石油化工等諸多行業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要手段之一。因此，液體密度的測量對(duì)企業(yè)有著十分重要的意義。傳統(tǒng)的液體密度測量方法，如天平稱量法、密度瓶法、浮計(jì)法等，這類方法主要是手動(dòng)操作、人工讀數(shù)，其測量過程復(fù)雜、采樣量大、耗時(shí)長，且易受人為因素的影響，故只能用于非連續(xù)的測量場合，不能將物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)直觀的數(shù)字顯示和生產(chǎn)過程的在線測量， 因此無法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程控制的自動(dòng)化。由于液體密度的測量很容易受到溫度、壓力及液體粘度的影響，因此在測量液體密度時(shí)，還需要精確測量其溫度、壓力以及粘度。諧振式液體密度測量傳感器不僅結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、磨損小，而且可靠性高、測量精度高、效率高、響應(yīng)快。目前，國外已經(jīng)有很多科研人員在研究利用諧振原理測量液體密度，如英國Solartron電子有限公司的7828 型密度測量傳感器，日本恒河電機(jī)制作所的便攜式F D77型，Kyoto公司的DA-IOl型以及美國、瑞士、德國、奧地利等國家生產(chǎn)的諧振式密度傳感器。而我國只有極少數(shù)諧振式密度傳感器產(chǎn)品，所采用的方法主要有振動(dòng)弦法、振動(dòng)管法、振動(dòng)膜法以及振動(dòng)筒法。其中，振動(dòng)弦法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易受環(huán)境與液體流動(dòng)的機(jī)械振動(dòng)影響，且精度較低；振動(dòng)管法使用的較為普遍，但其流量小，振型不對(duì)稱，振動(dòng)頻率不夠穩(wěn)定；振動(dòng)膜法工作不易穩(wěn)定，可靠性差；振動(dòng)筒法對(duì)制造工藝的要求很高，振動(dòng)筒壁厚不均勻易使其振型不對(duì)稱，振動(dòng)頻率不穩(wěn)定，且液體粘度會(huì)影響振動(dòng)筒的頻率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種測量精度高、穩(wěn)定性好、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低的一種壓電激勵(lì)壓電檢測的諧振式音叉液體密度傳感器。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種壓電激勵(lì)壓電檢測的諧振式音叉液體密度傳感器， 包括調(diào)諧叉體、固支體、壓電激勵(lì)器、壓電拾振器和溫度傳感器；壓電激勵(lì)器和壓電拾振器均與調(diào)諧叉體呈正交的角度貼裝在固支體上；壓電激勵(lì)器將產(chǎn)生的交變力通過固支體傳導(dǎo)到調(diào)諧叉體，壓電拾振器拾取調(diào)諧叉體的振動(dòng)頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)諧叉體振動(dòng)頻率的檢測；調(diào)諧叉體的振動(dòng)頻率與液體密度是單調(diào)的函數(shù)關(guān)系，因此實(shí)現(xiàn)了液體密度的實(shí)時(shí)在線測量；溫度傳感器貼裝于固支體上，實(shí)時(shí)檢測被測液體溫度，用于補(bǔ)償調(diào)諧叉體的彈性模量變化。所述調(diào)諧叉體和固支體采用3J53恒彈合金或316L不銹鋼經(jīng)過精加工一體化加工出來，兩者的連接處采用半徑為0. 5mm的退刀槽過渡，以消除應(yīng)力對(duì)調(diào)諧叉體振動(dòng)頻率的影響。所述壓電激勵(lì)器和壓電拾振器均與調(diào)諧叉體呈正交的角度對(duì)稱貼裝在固支體上， 壓電激勵(lì)器和壓電拾振器距離固支體的中心軸線距離為0. 5倍固支體內(nèi)徑。本發(fā)明的原理根據(jù)敏感元件的諧振原理，當(dāng)調(diào)諧叉體與被測液體接觸時(shí)，調(diào)諧叉體的附加質(zhì)量發(fā)生變化，導(dǎo)致其振動(dòng)頻率發(fā)生變化，調(diào)諧叉體的振動(dòng)頻率與液體密度是單調(diào)的函數(shù)關(guān)系，以頻率的變化來反映被測液體的密度。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明是一種高精度諧振式準(zhǔn)數(shù)字傳感器，測量精度高，穩(wěn)定性好，可靠性高， 結(jié)構(gòu)簡單，體積小，功耗低，可以在線連續(xù)測量不同溫度下各種液體的密度；(2)本發(fā)明采用調(diào)諧叉體作為諧振元件，調(diào)諧叉體采用周邊固支結(jié)構(gòu)，即調(diào)諧叉體和固支體的結(jié)構(gòu)是一體加工出來的，調(diào)諧叉體的振型簡單，不容易引起振型的跳變，工作時(shí)
穩(wěn)定可靠；(3)本發(fā)明采用壓電激勵(lì)和壓電檢測，激勵(lì)和檢測方式簡單，而且壓電激勵(lì)器和壓電拾振器的體積小、結(jié)構(gòu)簡單，便于貼裝；(4)本發(fā)明壓電激勵(lì)器和壓電拾振器垂直于調(diào)諧叉體的方向?qū)ΨQ貼裝在固支體內(nèi)部，距離固支體的中心軸線距離為0.5倍固支體內(nèi)徑，這樣檢測出的信號(hào)較強(qiáng)，整個(gè)檢測過程容易電路實(shí)現(xiàn)；在進(jìn)行液體密度測量時(shí)，壓電激勵(lì)器和壓電拾振器與被測液體不相互接觸，故不需要漏電保護(hù)。(5)本發(fā)明的壓電激勵(lì)壓電檢測的諧振式音叉液體密度傳感器可用于工業(yè)生產(chǎn)中液體密度的高精度在線連續(xù)測量，利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化控制。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)裝配示意圖；圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)俯視圖；圖3為本發(fā)明的調(diào)諧叉體和固支體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的壓電激勵(lì)器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明的壓電拾振器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明的溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1-6所示，本發(fā)明的壓電激勵(lì)壓電檢測的諧振式音叉液體密度傳感器由調(diào)諧叉體1、固支體2、壓電激勵(lì)器3、壓電拾振器4、溫度傳感器5組成。如圖2、圖4、圖5、圖6所示，壓電激勵(lì)器3、壓電拾振器4和溫度傳感器5都貼裝在固支體2上。壓電激勵(lì)器3和壓電拾振器4垂直于調(diào)諧叉體1的方向?qū)ΨQ貼裝在固支體 2上，分別距離固支體2的中心軸線距離為0. 5倍固支體內(nèi)徑。如圖3所示，調(diào)諧叉體1和固支體2的結(jié)構(gòu)是一體加工出來的，并采用半徑為 0. 5mm的退刀槽過渡以消除應(yīng)力對(duì)調(diào)諧叉體1振動(dòng)頻率的影響。調(diào)諧叉體1和固支體2是這個(gè)傳感器的最重要的部件，其制作材料采用3J53恒彈合金或316L不銹鋼，它們的加工質(zhì)量直接影響傳感器的性能，故采用精加工的方法將其加工成型。
本發(fā)明的工作過程在空氣中測量出調(diào)諧叉體的固有頻率，由電路產(chǎn)生一個(gè)正弦信號(hào)，壓電激勵(lì)器以某個(gè)具有一定帶寬的頻率振動(dòng)并將產(chǎn)生的交變壓電力通過固支體傳導(dǎo)到調(diào)諧叉體，使調(diào)諧叉體按照自身固有頻率產(chǎn)生簡諧振動(dòng)，然后由壓電拾振器拾取調(diào)諧叉體的振動(dòng)頻率，并且將信號(hào)輸出到電路中，然后再輸入到壓電激勵(lì)器，這樣就形成了一個(gè)閉環(huán)的激勵(lì)拾振系統(tǒng)，由于調(diào)諧叉體身具有選頻的功能，最后調(diào)諧叉體以自身的固有頻率振動(dòng)。測量液體密度時(shí)，當(dāng)調(diào)諧叉體浸入到被測液體中，由于壓電元件和液體被相互不接觸， 所以 液體不會(huì)影響壓電元件的正常工作。液體和調(diào)諧叉體完全接觸后調(diào)諧叉體的附加質(zhì)量發(fā)生了變化，調(diào)諧叉體振動(dòng)的固有頻率會(huì)發(fā)生改變，通過壓電拾振器拾取該振動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)調(diào)諧叉體振動(dòng)頻率的檢測。調(diào)諧叉體的振動(dòng)頻率與液體密度是單調(diào)的函數(shù)關(guān)系，故可以求出液體的密度。本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種壓電激勵(lì)壓電檢測的諧振式音叉液體密度傳感器，其特征在于包括調(diào)諧叉體 (1)、固支體(2)、壓電激勵(lì)器(3)、壓電拾振器(4)和溫度傳感器(5)；壓電激勵(lì)器(3)和壓電拾振器(4)均與調(diào)諧叉體(1)呈正交的角度貼裝在固支體(2)上；壓電激勵(lì)器(3)將產(chǎn)生的交變力通過固支體(2)傳導(dǎo)到調(diào)諧叉體(1)，壓電拾振器(4)拾取調(diào)諧叉體(1)的振動(dòng)頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)諧叉體(1)振動(dòng)頻率的檢測；調(diào)諧叉體(1)的振動(dòng)頻率與液體密度是單調(diào)的函數(shù)關(guān)系，因此實(shí)現(xiàn)了液體密度的實(shí)時(shí)在線測量；溫度傳感器(5)貼裝于固支體(2)上，實(shí)時(shí)檢測被測液體溫度，用于補(bǔ)償調(diào)諧叉體(1)的彈性模量變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電激勵(lì)壓電檢測的諧振式音叉液體密度傳感器，其特征在于所述調(diào)諧叉體(1)和固支體(2)采用3J53恒彈合金或316L不銹鋼經(jīng)過精加工一體化加工出來，兩者的連接處采用半徑為0. 5mm的退刀槽過渡，以消除應(yīng)力對(duì)調(diào)諧叉體(1)振動(dòng)頻率的影響。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電激勵(lì)壓電檢測的諧振式音叉液體密度傳感器，其特征在于所述壓電激勵(lì)器(3)和壓電拾振器(4)均與調(diào)諧叉體(1)呈正交的角度對(duì)稱貼裝在固支體⑵上，壓電激勵(lì)器(3)和壓電拾振器⑷距離固支體(2)的中心軸線距離為0.5倍固支體(2)內(nèi)徑。
全文摘要
一種壓電激勵(lì)壓電檢測的諧振式音叉液體密度傳感器，包括調(diào)諧叉體、固支體、壓電激勵(lì)器、壓電拾振器和溫度傳感器。壓電激勵(lì)器和壓電拾振器均貼裝在固支體上，壓電激勵(lì)器將產(chǎn)生的交變力通過固支體傳導(dǎo)到調(diào)諧叉體，使調(diào)諧叉體按照自身固有頻率產(chǎn)生簡諧振動(dòng)，當(dāng)調(diào)諧叉體浸入到被測液體中，調(diào)諧叉體的附加質(zhì)量發(fā)生變化，導(dǎo)致調(diào)諧叉體的振動(dòng)頻率發(fā)生變化，通過壓電拾振器拾取該振動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)調(diào)諧叉體振動(dòng)頻率的檢測。調(diào)諧叉體的振動(dòng)頻率與液體密度是單調(diào)的函數(shù)關(guān)系，因此可實(shí)現(xiàn)液體密度的實(shí)時(shí)在線測量。溫度傳感器貼裝于固支體上，實(shí)時(shí)檢測被測液體溫度，用于補(bǔ)償調(diào)諧叉體的彈性模量變化。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)不同溫度下各種液體密度的高精度在線測量。
文檔編號(hào)G01N9/24GK102353612SQ201110183489
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月1日
發(fā)明者史繼穎, 王帥, 鄭德智 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)