[实用新型]基于石英晶体微天平的液体密度和粘度的测量装置

说明书

本实用新型公开了一种基于石英晶体微天平的液体密度和粘度的测量装置，该装置包括正弦驱动单元、QCM传感单元、同步检测单元、模数转换器、数字信号处理器和计算机，正弦驱动单元用于产生正弦扫频信号；QCM传感单元通过正弦扫频信号驱动，用于感测液体，将液体的密度和粘度信息转换成交流电压信号；同步检测单元用于将QCM传感单元输出的交流电压信号转换为对应于QCM电导变化的直流电压信号；模数转换器用于对直流电压信号进行模数转换；数字信号处理器用于提取数字信号的电导峰值和该峰值下的串联谐振频率；计算机用于对数字信号处理器输出进行计算得到液体的密度和粘度。本实用新型装置体积小、集成度高，测量过程简单，测量结果准确。

技术领域

本实用新型涉及传感器检测领域，具体涉及基于石英晶体微天平的液体密度和粘度的测量装置及方法。

背景技术

密度与粘度是液体最基本的两个物理属性，在分析化学、生物医学、环境工程等领域具有重要的意义。石英晶体微天平(quartz crystal microbalance,QCM)可用于测量液体的物理属性，如液体的密度和粘度，它能够将待测液体的物理属性转化为可测量的频率信号或电导信号。

目前，基于QCM传感器的分析仪器在生物分子相互作用、高分子材料吸附、病菌检测、电化学沉淀分析以及空气卫生质量检测等领域的应用很广泛，但是将其应用到液体属性测量领域的还很少。1993年，Martin等人通过两个QCM传感器谐振频率变化得到液体的密度和粘度，其中一个电极表面光滑，对液体的密度和粘度的乘积项有响应，另一个电极表面设有微槽，除了对液体的密度和粘度的乘积项有响应外，还对只与液体的密度有关的附加项有响应。由于对两个不同结构的QCM传感器频率贡献进行了近似等效，测量误差相对较大，测试过程也比较复杂。2011年，Itoh等人提出一种采用单个QCM传感器结合导纳分析的方法测量液体的密度和粘度，但是需要测量的数据较多，数据分析过程很困难，同时测量过程中所用的网络分析仪体积庞大，价格昂贵，不利于在实际生产中应用。

实用新型内容

本实用新型所解决的技术问题在于提供一种基于石英晶体微天平的液体密度和粘度的测量装置及方法，装置体积小、集成度高，测量过程简单，测量结果准确。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：基于石英晶体微天平的液体密度和粘度的测量装置，包括正弦驱动单元、QCM传感单元、同步检测单元、模数转换器、数字信号处理器和计算机，其中：

正弦驱动单元用于产生正弦扫频信号，并输送到同步检测单元和QCM传感单元；

QCM传感单元通过正弦驱动单元输出的正弦扫频信号驱动，用于感测液体，将液体的密度和粘度信息转换成交流电压信号，并输送到同步检测单元；

同步检测单元用于对正弦驱动单元和QCM传感单元的输出信号进行处理，将QCM传感单元输出的交流电压信号转换为对应于QCM电导变化的直流电压信号，并输送到模数转换器；

模数转换器对同步检测单元输出的直流电压信号进行模数转换，并将数字信号输送到数字信号处理器；

数字信号处理器用于产生正弦驱动单元所需的频率控制字和模数转换器所需的采集时序，提取数字信号的电导峰值和该峰值下的串联谐振频率，并输送到计算机；

计算机用于对数字信号处理器输出的电导峰值和该峰值下的串联谐振频率进行计算，得到液体的密度和粘度。

所述QCM传感单元包括电阻R、缓冲放大器Buf、QCM传感器和可调电感L₀，电阻R的一端连接正弦驱动单元，电阻R的另一端连接缓冲放大器Buf的正向输入端，缓冲放大器Buf的反相输入端连接缓冲放大器Buf的输出端，缓冲放大器Buf的输出端连接同步检测单元，QCM传感器和可调电感L₀并联后一端连接缓冲放大器Buf的正向输入端，另一端接地。