[发明专利]振动式黏弹力传感器的测量电路及测量设备、测量方法

说明书

本发明提供振动式黏弹力传感器的测量电路，包括调节电路、控制器、电压控制电流源、模拟开关、黏弹力传感器、信号采集电路、模数转换器以及参考电阻，该电路使得测量结果对大部分的电路参数的漂移不敏感；该电路测得信号正比于传感器阻抗，不需要做复杂的变换，减小计算复杂度的同时也对提高精度有益，且电路结构简单，传感器工作点设置方便，适应于多种待测样本而不易停振。本发明还涉及振动式黏弹力传感器的测量方法。该方法平衡了扫描时的频率分辨率和时间上的采样率之间的矛盾，可以获得具有较好的频率分辨率和较高时间采样率的效果。本发明还涉及振动式黏弹力传感器的测量设备。

技术领域

本发明涉及黏弹力测量仪器技术领域，尤其涉及振动式黏弹力传感器的测量电路及测量设备、测量方法。

背景技术

振动式的黏弹力测量装置通常利用一个机械探头，此机械探头被驱动作周期性的振荡。机械探头与待测样本接触，样本的黏弹性会影响探头的运动状态。通过监控探头的运动状态便可以分析待测样本的黏弹性。一种现有的振动式黏弹力传感器，其结构类似于电动式扬声器。

黏弹力传感器结构示意图与拆分示意图分别如图1、图2所示。永磁体在它与磁极间的气隙产生均一磁场；探针适配器分别黏附于一无支撑的线圈和环形弹簧组件的内圆；环形弹簧外圆起定位作用，它与磁极紧密结合，安装时使得上述线圈处于永磁体和磁极间气隙中均一磁场内。

当上述线圈通过电流时，由于它处在磁场中，因而会受到磁力作用，从而带动探针适配器和环形弹簧组件一起运动。当线圈中通过一定频率的交流电流时，传感器的动件便会以这个频率发生振动。

在进行黏弹力测量时，探针适配器通过头部安装的一次性探针与测样接触。测样的力学性质会影响传感器动件的运动状态，测样的弹性会影响传感器振动的共振频率，测样的黏性会影响线圈在电路中的等效阻抗。

所以，通过监控测量过程中传感器的共振频率及线圈等效阻抗的变化，便可以表征测样粘弹力的变化。

许多振动式黏弹力传感器的检测电路有分开的驱动部分和检测部分，驱动部分只负责驱动传感器振动，检测部分检测传感器运动状态，结构比较复杂。

另一类的检测电路，驱动部分和检测部分共用一套电路，同时驱动传感器振动和检测其运动状态。这类电路的具体实现方式为将传感器线圈接入一个振荡电路，电路产生自激振荡，稳定于共振状态。这类电路的缺点是电路参数调整困难，并且很容易停振。

另外，对于有分辨率和时间采样率的要求的测量结果，其中，分辨率包含频率分辨率和阻抗分辨率。阻抗分辨率主要由测量电路确定。

频率分辨率的要求即每次频谱扫描时，扫描频率点的频率步进足够小，以使测量结果能表征足够小的共振频率变化。要提高频率分辨率首先直接数字频率合成器硬件上首先要支持足够小频率调节，其次测量方法中设置的扫描频率步长要足够小。

单次频谱扫描时间主要取决于单个频率点的频率值、传感器阻抗测量所要求的建立周期数以及频率点数。

频率点的值由共振频率位置决定，由传感器决定，该值无法改变。

建立周期数由传感器决定，特别是高Q值器件需要较长的建立时间，该值无法改变。

时间采样率的要求即在测量的黏弹力变化时间内，要获得足够多点数的共振频率和共振阻抗数据，以反映黏弹力随时间变化的更多细节。此即要求单次频谱扫描时间足够短。

由此可见，频率分辨率和时间采样率的要求之间存在矛盾：要提高频率分辨率即要求更小的频率调节步长，相同扫描区间的情况下，必然要求更多的扫描频率点数，从而导致时间采样率的降低。

发明内容