[发明专利]一种用于微机电谐振式粘度传感器的测量系统及方法

说明书

本公开提供了一种用于微机电谐振式粘度传感器的测量系统及方法，该测量系统包括：直流供电模块采用外部24V直流供电，用于为直流脉冲激励信号发生模块和温度采集及数据处理模块供电；直流脉冲激励信号发生模块用于产生脉宽及幅值可调控的直流脉冲激励电压信号V_D，并输送至微机械谐振粘度传感器敏感结构；微机械谐振粘度传感器敏感结构用于在直流脉冲激励电压信号V_D的驱动下产生敏感电流传感信号，并输送至温度采集及数据处理模块；温度采集及数据处理模块用于对敏感电流传感信号进行数据预处理及解析，得到被测流体粘度密度参数。利用本公开，由于能够同时实现微机电谐振式粘度传感器谐振频率和谐振Q值的测量，进而能够实现流体粘度的测量。

技术领域

本公开涉及电子测量技术领域，特别涉及一种用于微机电谐振式粘度传感器的测量系统及方法。

背景技术

粘度是表征流体性质的一项重要参数，也是热物性学、流体力学等科学研究和能源动力、工业控制等工程应用的基础数据。航空、船舶、石油化工、生物医疗、轻工、食品、建材、冶金等领域的生产流程闭环实时控制、安全生产保障、控制与评定产品质量、设备健康状态监控、医学诊断及科学研究等都需要精确测量流体粘度。

随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)的迅速发展，基于MEMS谐振式流体粘度传感器具备尺寸小、响应快、功耗低、抗干扰能力强、易于原位集成等优点，成为近年来科研和产业界广泛关注的焦点。微机械谐振式粘度传感器主要通过测量谐振结构在流体阻尼中的谐振频率f_r以及品质因数(Q值)实现粘度η密度ρ测量，原理如图1所示，图1是微机械谐振式流体粘度的测量机理示意图。在流体近似为牛顿流体且具备不可压缩特性情况下，当谐振结构浸没在被测流体时，考虑到谐振结构受流体粘性力影响，可近似采用纳斯克-斯托克斯流体动力模型计算，其动力学模型可由单自由度的二阶系统系统描述，当施加激励信号时，单模态的动力方程：

式中，m为模态质量，F(t)为激励信号，c和k为阻尼和刚性系数。其中引入表征动力特性的参数，无阻尼本征谐振频率阻尼比其中用Q值表征振动系统的能量耗散特性，是谐振式传感器的重要参数，表征每个振动周期存储于振动系统的总能量与损耗能量的比值，与阻尼比直接相关，直接影响传感器的灵敏度和分辨率。

梳理近十几年谐振式流体粘度传感器研究工作发现，如何降低流体阻尼提高谐振结构Q值以及提高谐振参数高精度测量是提升微机械谐振式粘度传感器测量范围和精度的两大关键问题及突破方向。在提高谐振Q值方面，主要通过优化谐振结构、更改振动模式、提高振动模态等方式实现，但由于现有报道传感器谐振结构仍直接与被测流体接触，其谐振器本征Q值(传感器零点Q值)随粘度增大急剧下降，Q值大多在几十～几百量级，极大限制了传感器的测量范围。在提高谐振参数测量精度方面，当前产品多采用扫频测量方式，通过施加连续扫频或步进扫频激励，利用网络分析或阻抗测量仪器或搭建频域锁相电路实现稳态频率响应获取谐振参数，但由于不同粘度流体中谐振频率往往会随之变化，为提高测量精度，必须采用更细分的扫描步长，极大增加了测量周期，导致难以实现实时原位小型化集成。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本公开的主要目的在于提供一种用于微机电谐振式粘度传感器的测量系统及方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案