專利名稱：一種使用強迫共振扭擺儀測量液體連續(xù)變頻粘彈性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于液體粘彈性測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于強迫共振扭擺 儀來測量液體連續(xù)變頻粘彈性的方法。
背景技術(shù)：
軟物質(zhì)在日常生活中無處不在液晶、聚合物、表面活性劑、生物膜、膠 體、乳液、泡沫、顆粒物質(zhì)以及生命體系等等都屬于軟物質(zhì)。軟物質(zhì)粘彈性的 測量研究不僅能夠幫助人們探索大自然界深奧的物質(zhì)，而且有助于推動制造業(yè)， 藥品和食品工業(yè)，石油行業(yè)，農(nóng)業(yè)等等領(lǐng)域的發(fā)展，對于人們的生活有著十分 重要的關(guān)系。
目前，軟物質(zhì)粘彈性最流行的測量研究儀器主要有，商用流變儀，扭擺儀 和微流變等等。扭擺儀的測量頻率范圍覆蓋了一般商用流變儀的頻率測量范圍， 高頻可高達幾十兆赫茲，具有很高的測量精度，是一種非常重要的復(fù)雜液體粘 彈性測量的方法。
扭擺儀一般可分為兩種測量模式，自由衰減和強迫振動，后者具有更高的 測量精度，而被廣泛使用。
強迫振動扭擺儀是通過分別測量空載和裝載系統(tǒng)的共振曲線，得到裝載系
統(tǒng)的速度共振頻率/。，通頻帶頻率/;和/2相對于空載的偏移，或者是裝載系統(tǒng)的
速度共振頻率/o和最大應(yīng)變速率(纟)^相對于空載系統(tǒng)的變化，然后得到共振頻 率下測量液體施加于扭擺振子的平面波特征復(fù)阻抗，最后再計算得到液體的粘彈性系數(shù)。但是強迫共振扭擺儀的缺點是一次只能測量一個或若干個頻率的液 體粘彈性系數(shù)。
如何實現(xiàn)扭擺儀高精度的連續(xù)變頻測量液體粘彈性一直是科學(xué)家們所關(guān)注 但卻還沒有完全解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種方便易行的方法實現(xiàn)了 強迫共振扭擺儀的連續(xù)變頻測量液體粘彈性。
為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案如下
一種使用強迫共振扭擺儀測量液體連續(xù)變頻粘彈性的方法，先通過強迫共 振扭擺儀測量空載和裝載被測液體后的共振曲線，所述共振曲線包括角位移 頻率曲線(6> ^)、和相位 頻率曲線(p w)，再直接由共振曲線的每對 數(shù)據(jù)點得到該驅(qū)動頻率(^ )下相應(yīng)的液體的粘彈性，即通過每個驅(qū)動頻率(^ ) 對應(yīng)的角位移(^)和相位(P)計算液體的粘彈性(G'、 G'、或7)。
本發(fā)明通過將扭擺儀測量所得的共振曲線，對其有效頻率段內(nèi)的頻率與角 位移、頻率與相位的對應(yīng)參數(shù)來計算被測液體的粘彈性，通過測量及自動計算 實現(xiàn)了在所需驅(qū)動頻率內(nèi)，不同頻率所對應(yīng)的液體的粘彈性，從而實現(xiàn)連續(xù)變 頻液體粘彈性。
上述技術(shù)方案中，在扭擺儀測量共振曲線后，計算液體的粘彈性的具體過 程如下
由(1)和(2)式計算測量液體施加于扭擺振子的平面波特征復(fù)阻抗的實 部(Aw )和虛部()<formula>formula see original document page 6</formula>
(1)
A2 - ￡ 6
其中， A ，《* 分別為空載和裝載液體情況下測量得到的相位和角
位移，^為變化的角頻率，4， A和g分別為儀器參數(shù)； 再由(3)和(4)式計算出液體的粘彈性G'和G"
(2)
(3)
2(~—))(Z,》
C7 (w)=——^-^-
其中，G'和G'分別為液體的儲能模量和損耗模量，p為液體的密度。 在計算被測液體粘彈性時，如果所測液體為牛頓液體，還通過公式(5) 計算其粘度(7)
77
，
(5),
為了使得測量及計算的效果最佳，測量所用的角頻率選取為 虹[200,550 ]rad/s。
進一步的，所測量的液體為不同濃度的甘油-水溶液，或不同濃度的聚氧化 烯水溶液。通過對甘油-水溶液和聚氧化烯水溶液的測量計算，以及用商用流變 儀的測量結(jié)果進行驗證，證實了測量及計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
本發(fā)明提出一種全新的方法，克服了現(xiàn)有強迫共振扭擺儀只能在特定的率上測量液體粘彈性的這個缺陷，直接由空載和裝載系統(tǒng)的主振動模式的共振 曲線的每對數(shù)據(jù)點得到該驅(qū)動頻率下相應(yīng)的測量液體的粘彈性，通過應(yīng)用實驗 室自制的強迫共振扭擺儀，測量了不同濃度的甘油-水溶液的粘度及其不同濃度 的聚氧化烯(PEO)水溶液的粘彈性，并且還應(yīng)用商用流變儀重復(fù)驗證了 PEO-水溶液實驗的可靠性。實驗結(jié)果準(zhǔn)確地驗證了該方法的可行性，表明了該方法 的應(yīng)用實現(xiàn)了真正意義的強迫共振扭擺儀的連續(xù)變頻測量液體粘彈性。


圖1為本發(fā)明所用的扭擺型粘度共振測量儀的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為所測得的空載、加入不同濃度甘油-水溶液的共振曲線，其中(a)為角 位移-測量頻率曲線，(b)為相位-測量頻率曲線；
圖3為根據(jù)圖2所測得的曲線及相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(1)和(2)公式計算得
到的測量液體的平面波特征復(fù)阻抗的實部(^^: A)和虛部(^p/: ☆)示意
圖，其中(一)為根據(jù)^=^,二，^。/2計算得道的理論阻抗值，C為甘 油一水溶液的甘油濃度；
圖4為根據(jù)圖3的數(shù)據(jù)，通過(5)公式計算得到的不同甘油一水溶液的(a)
測量粘度 7"及其(b)對應(yīng)的相對誤差l^-1。|/^。，其中仏fe。為理論的粘 度值；
圖5為測量濃度為(a) 0=2.0%和(b) C=4.0%W PEO—水溶液的粘彈性(G' 和G')隨測量頻率變化的曲線示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明。
本發(fā)明所采用的強迫共振扭擺儀結(jié)構(gòu)如附圖1所示，包括扭絲1、固定夾頭2、轉(zhuǎn)動夾頭與扭擺桿3、尼龍線4、平衡砝碼5、驅(qū)動線圈對6、永久磁鐵7、 光源及光準(zhǔn)直管8、底座和支架9、差分光電池IO、反射鏡ll、轉(zhuǎn)輪12、熱電 偶13、倒置轉(zhuǎn)杯14、被測液體及盛液杯15、控溫水浴池16、保溫泡沬塑料蓋 17。
采用上述扭擺儀測量空載和裝載不同濃度甘油-水溶液的共振曲線，所述共 振曲線包括角位移 頻率曲線(<9 ^)、和相位 頻率曲線(p w)，如附 圖2所示，然后由(1)和(2)式計算得到不同濃度甘油-水溶液施加于扭擺振 子的平面波特征復(fù)阻抗的實部(Wp/)和虛部(Zw)，如附圖3所示，為附圖 2所對應(yīng)的復(fù)阻抗圖，具體的計算公式及計算模塊設(shè)置于扭擺儀的軟件模塊屮
<formula>formula see original document page 8</formula>其中, ^ ,《/分別為空載和裝載液體情況卜測量得到的相位和角
位移，"為變化的角頻率；4， ￡4和g分別為儀器參數(shù)(儀器參數(shù)值可通過 標(biāo)準(zhǔn)樣品定標(biāo)得到)。
最后再由(3)和(4)式計算出液體的粘彈性(G和G")。
<formula>formula see original document page 8</formula>(4)
l果測量的液體為牛頓液體，則測量的粘度由(5)式得到<formula>formula see original document page 9</formula>
在(3)、 (4)和(5)式中，G'和G"分別為液體的儲能模量和損耗模量，p 為液體的密度，w為驅(qū)動角頻率，^,(w)和^^(^)為該頻率下的特征復(fù)阻抗的
實部及虛部。
附圖4 (a)和(b)(由圖3阻抗圖的數(shù)據(jù)，通過(5)式計算得到)分別給 出了由附圖1所示扭擺儀測量的不同濃度甘油-水溶液的實驗結(jié)果及其對應(yīng)測量 的相對誤差。該實驗結(jié)果準(zhǔn)確地證明了該方法的可行性，并表明了，在測量角 頻率為w e [200,550 ]rad/s ，測量液體粘度在10~1420 cp范圍內(nèi)，儀器的復(fù)阻抗 測量精度可達到卜2%，而粘度測量的精度約為4.0%。
附圖5給出了濃度為(a) 0=2.0%和(b) 〔=4.0%的聚氧化烯水溶液(PEO) 的扭擺儀的實驗結(jié)果(圖中的實線(G')和虛線數(shù)據(jù)(G'))及其商用流變儀的 實驗結(jié)果(圖中的空心點數(shù)據(jù)，(G': G":〇))對比。PEO的具體測量及
計算過程與上述甘油-水溶液相似，扭擺儀和商用流變儀的測量結(jié)果在交叉頻率 段的結(jié)果重合性很好，再次驗證了該方法的可行性。本儀器的相位測量精度為 ±0.0003°，角位移測量精度為1%。
權(quán)利要求
1、一種使用強迫共振扭擺儀測量液體連續(xù)變頻粘彈性的方法，其特征在于先通過強迫共振扭擺儀測量空載和裝載被測液體后的共振曲線，所述共振曲線包括角位移～頻率曲線(θ～ω)、和相位～頻率曲線( id="icf0001" file="A2008100271170002C1.tif" wi="15" he="4" top= "50" left = "142" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>)，再直接由共振曲線的每對數(shù)據(jù)點得到該驅(qū)動頻率(ω)下相應(yīng)的液體的粘彈性，即通過每個驅(qū)動頻率(ω)對應(yīng)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"/>)計算液體的粘彈性(G′、G″、或η)。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用強迫共振扭擺儀測量液體連續(xù)變頻粘彈性的 方法，其特征在于計算液體的粘彈性的具體過程如下由(1)和(2)式計算測量液體施加于扭擺振子的平面波特征復(fù)阻抗的實 部()和虛部()11《,如諷)2+1 《r如，a,:r)2十11(1)0其中, A ，《余，ew分別為空載和裝載液體情況下測量得到的相位和角位移，"為變化的角頻率，4, ￡4和A分別為儀器參數(shù)； 再由(3)和(4)式計算出液體的粘彈性G'和G"(2)(3)(4)其中，g'和g"分別為液體的儲能模量和損耗模量，p為液體的密度。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的使用強迫共振扭擺儀測量液體連續(xù)變頻粘彈性的 方法，其特征在于還通過公式(5)計算牛頓液體的粘度(7)<formula>formula see original document page 3</formula>
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的使用強迫共振扭擺儀測量液體連續(xù)變頻粘彈性的方法，其特征在于所測量的角頻率為^ g [200，550 ]rad/s 。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的使用強迫共振扭擺儀測量液體連續(xù)變頻粘彈性的 方法，其特征在于所測量的液體為不同濃度的甘油-水溶液，或不同濃度的聚氧 化烯水溶液。
全文摘要
本發(fā)明一種使用強迫共振扭擺儀測量液體連續(xù)變頻粘彈性的方法，先通過強迫共振扭擺儀測量空載和裝載被測液體后的共振曲線，所述共振曲線包括角位移～頻率曲線(θ～ω)、和相位～頻率曲線(φ～ω)，再直接由共振曲線的每對數(shù)據(jù)點得到該驅(qū)動頻率(ω)下相應(yīng)的液體的粘彈性，即通過每個驅(qū)動頻率(ω)對應(yīng)的角位移(θ)和相位(φ)計算液體的粘彈性(G′、G″、或η)。本發(fā)明提出一種全新的方法，克服了現(xiàn)有強迫共振扭擺儀只能在特定的頻率上測量液體粘彈性的這個缺陷，實現(xiàn)了真正意義的強迫共振扭擺儀的連續(xù)變頻測量液體粘彈性。
文檔編號G06F17/10GK101308076SQ20081002711
公開日2008年11月19日 申請日期2008年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月31日
發(fā)明者張進修, 熊小敏, 王藝臻 申請人:中山大學(xué)