专利名称：声板波虚拟阵列传感器系统及基于该系统的液体检测方法
技术领域：
本发明涉及一种液体传感器系统，尤其涉及一种并行检测液体多特征参数的声板 波虚拟阵列传感器系统及检测方法，属于新型传感器领域。
背景技术：
液体传感器主要用于对液体本身特征参数的检测，包括密度、体积弹性模量、粘度 三种机械参数以及介电常数、电导率两种电学参数的测量。液体检测不仅关注液体某单个 特定的特征参数，还希望能够并行检测液体的多个特征参数。目前工业上测量液体各特征参数的常用仪器或方法非常多。测量液体密度的常用 仪器有浮子式密度计、振动式密度计、放射性同位素密度计、超声波式密度计等[1]；测量 液体粘度的常用方法有毛细管法、扭摆振动法、落球法、旋转法等[2]；通常采用迈克尔逊 干涉仪测量液体体积弹性模量[3，4]；采用电容式传感器测量液体介电常数[5]；采用电阻 式传感器、磁电式传感器测量液体电导率[6，7]。现有仪器或测量方法存在着许多不足之 处，如仪器体积大、价格昂贵、操作繁琐、需要试样多、响应时间长、数据不易处理、测量精度 低等。并且，对于不同的特征参数，相应的测量仪器和方法也各不相同。因此，研制出测量 精度高、响应快、性能稳定、体积小、试样微量、数据易于处理，且能实现并行测量液体多个 特征参数的传感器系统，是非常有必要的，也符合未来传感器微型化、低功耗、低成本、高精 度、长寿命的发展趋势。[1]张欲晓，樊尚春.液体密度传感器.计测技术，2006，26(1) :1_4.[2]高桂丽，李大勇，石德全.液体粘度测定方法及装置研究现状与发展趋势简 述·化工自动化及仪表，2006，33 (2) =65-70.[3]戴玮，赵学民，马书炳，等.液体体变弹性模量测量实验及研究.物理实验， 2003，21(4) 14-16.[4]张凤兰，计新.液体的体积弹性模量测定.延边大学学报(自然科学版)， 2002，28 (3) 168-17.[5]冯晓东，郑联英，何朝来.液体介电常数的精密测定.现代测量与实验室管理，
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发明内容
发明目的本发明的目的在于提供一种声板波虚拟阵列传感器系统及检测方法，可以并行检 测液体的密度、体积弹性模量、粘度三种机械参数以及介电常数、电导率两种电学参数。
技术方案一种声板波虚拟阵列传感器系统，包括微控制器�？�、信号激励�？�、声板波虚 拟阵列器件�？楹托藕挪杉？椋黄渲形⒖刂破髂？榈氖涑龆肆有藕偶だ？榈氖淙� 端，信号激励�？榈氖涑龆朔直鹆由宀ㄐ槟庹罅衅骷氖淙攵恕⑿藕挪杉？榈氖淙� 端，声板波虚拟阵列器件�？橛胄藕挪杉？橄嗔樱藕挪杉？榈氖涑龆肆游⒖刂� 器�？榈氖淙攵�。
本发明的声板波虚拟阵列传感器系统中声板波虚拟阵列器件�？榘ㄗ杂苫� 式的声板波器件和金属化形式的声板波器件；其中所述自由化形式的声板波器件包括压电 薄板、输入叉指换能器、输出叉指换能器，其中输入叉指换能器和输出叉指换能器沉积在压 电薄板一侧表面上，分左右两侧对称排布；所述金属化形式的声板波器件的结构为在自由 化形式的声波板器件的基础上，在压电薄板的另一侧表面镀上一层金属薄膜形成。本发明的声板波虚拟阵列传感器系统中所述压电薄板所用材料均为压电陶瓷 PZT-5H。本发明的声板波虚拟阵列传感器系统中声板波器件通过改变激发频率得到各不 相同的声板波模态，即单个声板波器件被扩展成很多个功能上完全独立的虚拟器件。一种基于本发明的声板波虚拟阵列传感器系统的液体多特征参数的检测方法，传 感器系统工作时，微控制器�？榭刂菩藕偶だ？椴咂嫡业缪剐藕牛谜业缪剐� 号施加到声板波虚拟阵列器件�？槭淙攵耍媚嫜沟缧вΣ宀ǎ涞缴宀ㄐ� 拟阵列器件�？槭涑龆说纳宀ㄔ偻ü沟缧вψ怀傻缪剐藕牛宀ǖ拇ヌ匦允� 负载在声板波虚拟阵列器件�？樯系囊禾逄卣鞑问跋欤ü藕挪杉？椴饬可宀ㄐ� 拟阵列器件�？槭淙�、输出电压信号的相位差和振幅比来检测液体的特征参数；包括如下 步骤1)选择压电薄板与液体的接触界面为金属化形式的声板波器件A，且该器件A激 发出的声板波只在水平剪切方向存在振动位移，此时器件A的输出只与液体的密度和粘度 有关；对于器件A，选择相应模态的激发频率得到对应的虚拟器件a，通过测量虚拟器件a输 入、输出信号之间的相位差来检测液体密度，通过测量虚拟器件a输入、输出信号之间的振 幅比来检测液体粘度；2)在按上述步骤测得液体密度和粘度的前提下，选择压电薄板与液体的接触界面 为金属化形式的声板波器件B，且该器件B激发出的声板波在传播方向存在着振动位移；对 于器件B，选择相应模态的激发频率得到对应的虚拟器件b通过测量虚拟器件b输入、输出 信号之间的相位差来检测液体体积弹性模量；3)按上述两个步骤测得液体密度、液体粘度、液体体积弹性模量，选择压电薄板与 液体的接触界面为自由化形式的声板波器件C ；对于器件C，选择相应模态的激发频率得到 对应的虚拟器件C通过测量虚拟器件C输入、输出信号之间的相位差来检测液体介电常数， 通过测量虚拟器件c输入、输出信号之间的振幅比来检测液体电导率。有益效果1.采用声板波传感器可以使检测器件�。藕鸥扇派伲�2.可以通过由三个声板波虚拟器件构成的声板波虚拟阵列器件实现对液体五个 特征参数的并行检测；
3.由于声板波虚拟器件通过对声板波实际器件施加相应的激发频率而获得，因此 可以在使用过程中根据虚拟阵列器件的检测能力来对虚拟器件进行灵活的选择、组合和扩 充。
图1是本发明的结构�？榭蛲�。图2是本发明的压电薄板与液体接触界面为自由化形式的声板波器件立体示意 图。图3是本发明的压电薄板与液体接触界面为自由化形式的声板波器件测量液体 的平面示意图。图4是本发明的压电薄板与液体接触界面为自由化形式的声板波器件封装图。图5是本发明的压电薄板与液体接触界面为金属化形式的声板波器件立体示意 图。图6是本发明的压电薄板与液体接触界面为金属化形式的声板波器件测量液体 的平面示意图。图7是本发明的压电薄板与液体接触界面为金属化形式的声板波器件封装图。图8是本发明的声板波虚拟阵列器件实物图。上述图中的标号名称1.压电薄板，2.输入叉指换能器，3.输出叉指换能器，4.液 体试样，5.粘结剂，6.座体，7.液槽，8.射频连接器，9.引线，10.绝缘垫板，11.底盖，12.金属薄膜。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明如图1所示，一种声板波虚拟阵列传感器系统。其结构包括微控制器�？�、信号激 励�？�、声板波虚拟阵列器件�？楹托藕挪杉？�。其中微控制器�？榈氖涑龆肆有藕� 激励�？榈氖淙攵耍恍藕偶だ？榈氖涑龆肆由宀ㄐ槟庹罅衅骷？榈氖淙攵耍恍藕� 采集模块有两个输入端，分别连接声板波虚拟阵列器件�？榈氖淙攵撕褪涑龆耍恍藕挪杉� �？榈氖涑龆肆游⒖刂破髂？榈氖淙攵恕Ｉ宀ㄐ槟庹罅衅骷奶氐闶腔谏宀ㄗ陨淼钠瞪⑻匦裕桓錾宀ㄆ骷� 以通过改变激发频率得到各不相同的声板波模态，各模态检测液体时具有各不相同的频移 和衰减，相当于单个声板波器件可以被扩展成很多个功能上完全独立的虚拟器件。传感器系统工作时，微控制器模块控制信号激励�？椴欢ㄆ德实母咂嫡业� 压信号，该信号施加到声板波虚拟阵列器件�？槭淙攵耍媚嫜沟缧вΣ宀ǎ� 到声板波虚拟阵列器件�？槭涑龆说纳宀ㄔ偻ü沟缧вψ怀傻缪剐藕�。声板波 的传播特性受负载在声板波虚拟阵列器件�？樯系囊禾逄卣鞑问跋欤ü藕挪杉？� 测量声板波虚拟阵列器件�？槭淙搿⑹涑龅缪剐藕诺南辔徊詈驼穹壤醇觳庖禾宓奶卣鞑� 数。如图2所示，压电薄板与液体接触界面为自由化形式的声板波器件立体示意图。 包括压电薄板1、输入叉指换能器2、输出叉指换能器3。其中压电薄板1所用材料为压电陶瓷PZT-5H，长度为25mm，宽度为10mm，厚度为0. 15mm ；输入叉指换能器2和输出叉指换能 器3沉积在压电薄板表面上，所用材料为铜，叉指对数为6对，叉指周期为1mm，叉指宽度为 0. 25mm，叉指间距为0. 25mm，孔径为5mm，两叉指之间的中心距为12mm。xl方向为声板波传 播方向、x2方向为水平剪切方向，x3方向为基片法线方向。如图3所示，压电薄板与液体接触界面为自由化形式的声板波 器件测量液体的平 面示意图。采用输入叉指换能器2和输出叉指换能器3沉积在压电薄板1的其中一个界面 而液体试样4与另一个界面接触的结构形式，使叉指换能器与液体分离开来，不受液体侵 蚀。如图4所示，压电薄板与液体接触界面为自由化形式的声板波器件封装图。沉积 叉指换能器的压电薄板1表面朝下，通过粘结剂5固定在座体6上。粘接剂5不仅起粘合作 用，还能够作为吸声材料加以应用。座体6由铝合金制成，上端开液槽7以滴入液体试样， 下端留有足够的空腔，为射频连接器8的安装留出位置。脉冲点焊叉指换能器并接出引线 9与射频连接器8相连，射频连接器8通过绝缘垫板10固定在座体6两侧。座体6下方安 装底盖11。如图5所示，压电薄板与液体接触界面为金属化形式的声板波器件立体示意图。 如图6所示，压电薄板与液体接触界面为金属化形式的声板波器件测量液体的平面示意 图。如图7所示，压电薄板与液体接触界面为金属化形式的声板波器件封装图。与相应的 图2、图3、图4相比，在与液体试样4接触的压电薄板1表面镀上了一层厚度为800埃的金 属薄膜12，且在封装时将该金属薄膜12与座体6接触，以保证金属薄膜12的可靠接地。如图8所示，声板波虚拟阵列器件实物图。实际制作三个声板波器件，压电薄板所 用材料都为压电陶瓷PZT-5H。由于陶瓷本身不具备压电性，需要经过极化处理而获得压电 效应并达到取向要求。将PZT-5H沿宽度方向极化，压电薄板上的声板波只在水平剪切方向 存在振动位移；将PZT-5H沿长度或厚度方向极化，压电薄板上的声板波在传播方向存在着 振动位移。对于该传感器系统，基于层状介质的声波传播理论建立了负载液体的声板波理论 模型，并编写代码进行了仿真计算和分析。理论模型和仿真结果表明1、对于压电薄板与液 体接触界面为自由化形式的声板波器件，测量结果同时受液体机械参数和电学参数影响； 2、对于压电薄板与液体接触界面为金属化形式的声板波器件，测量结果不受液体电学参数 影响；3、对于只在水平方向存在振动位移的声板波，测量结果不受液体体积弹性模量影响； 4、声板波虚拟阵列器件�？槭淙�、输出电压信号的相位差主要受液体密度、体积弹性模量、 介电常数影响；5、声板波虚拟阵列器件�？槭淙�、输出电压信号的振幅比主要受液体粘度、 电导率影响。该传感器系统中，微控制器�？椴捎妹拦鶷I公司的单片机MSP430F2617 ；信号激 励�？椴捎妹拦鶤D公司的直接数字频率合成器(DDS，Direct Digital Synthesizer)芯 片AD9834 ；信号采集�？椴捎妹拦鶤D公司的幅相测量芯片AD8302，能同时测量从低频到 2. 7GHz范围内的两信号之间的振幅比和相位差。—种基于该声板波虚拟阵列传感器系统的并行检测液体多特征参数的检测方法， 包括如下步骤1.选择压电薄板与液体的接触界面为金属化形式的声板波器件，且该器件(记为器件Α)激发出的声板波只在水平剪切方向存在振动位移。此时器件A的输出只与液体的密度和粘度有关。对于器件A，选择合适的激发频率得到对应的虚拟器件(记为器件a)。 通过测量虚拟器件a输入、输出信号之间的相位差来检测液体密度，通过测量虚拟器件a输 入、输出信号之间的振幅比来检测液体粘度；2.在按上述步骤测得液体密度和粘度的前提下，选择压电薄板与液体的接触界面 为金属化形式的声板波器件，且该器件(记为器件B)激发出的声板波在传播方向存在着振 动位移。对于器件B，选择合适的激发频率得到对应的虚拟器件(记为器件b)。通过测量 虚拟器件b输入、输出信号之间的相位差来检测液体体积弹性模量；3.在按上述两个步骤测得液体三个机械参数的情况下，选择压电薄板与液体的接 触界面为自由化形式的声板波器件(记为器件C)。对于器件C，选择合适的激发频率得到 对应的虚拟器件(记为器件C)。通过测量虚拟器件C输入、输出信号之间的相位差来检测 液体介电常数，通过测量虚拟器件c输入、输出信号之间的振幅比来检测液体电导率。
权利要求
一种声板波虚拟阵列传感器系统，其特征在于包括微控制器模块、信号激励�？�、声板波虚拟阵列器件�？楹托藕挪杉？椋黄渲形⒖刂破髂？榈氖涑龆肆有藕偶だ？榈氖淙攵耍藕偶だ？榈氖涑龆朔直鹆由宀ㄐ槟庹罅衅骷氖淙攵�、信号采集模块的输入端，声板波虚拟阵列器件�？橛胄藕挪杉？橄嗔樱藕挪杉？榈氖涑龆肆游⒖刂破髂？榈氖淙攵�。
2.根据权利要求1所述的声板波虚拟阵列传感器系统，其特征在于所述声板波虚拟 阵列器件�？榘ㄗ杂苫问降纳宀ㄆ骷徒鹗艋问降纳宀ㄆ骷黄渲兴鲎杂苫� 形式的声板波器件包括压电薄板(1)、输入叉指换能器(2)、输出叉指换能器(3)，其中输入 叉指换能器⑵和输出叉指换能器⑶沉积在压电薄板⑴一侧表面上，分左右两侧对称 排布；所述金属化形式的声板波器件的结构为在自由化形式的声波板器件的基础上，在压 电薄板(1)的另一侧表面镀上一层金属薄膜(12)形成。
3.根据权利要求2所述的声板波虚拟阵列传感器系统，其特征在于所述压电薄板(1) 所用材料均为压电陶瓷PZT-5H。
4.根据权利要求2所述的声板波虚拟阵列传感器系统，其特征在于所述声板波器件 通过改变激发频率得到各不相同的声板波模态，即单个声板波器件被扩展成很多个功能上 完全独立的虚拟器件。
5.一种基于权利要求1所述的声板波虚拟阵列传感器系统的液体多特征参数的检测 方法，其特征在于传感器系统工作时，微控制器�？榭刂菩藕偶だ？椴咂嫡业缪� 信号，该正弦电压信号施加到声板波虚拟阵列器件�？槭淙攵耍媚嫜沟缧вΣ� 波，传输到声板波虚拟阵列器件�？槭涑龆说纳宀ㄔ偻ü沟缧вψ怀傻缪剐藕牛� 声板波的传播特性受负载在声板波虚拟阵列器件模块上的液体特征参数影响，通过信号采 集�？椴饬可宀ㄐ槟庹罅衅骷？槭淙�、输出电压信号的相位差和振幅比来检测液体的 特征参数；包括如下步骤1)选择压电薄板与液体的接触界面为金属化形式的声板波器件A，且该器件A激发 出的声板波只在水平剪切方向存在振动位移，此时器件A的输出只与液体的密度和粘度有 关；对于器件A，选择相应模态的激发频率得到对应的虚拟器件a，通过测量虚拟器件a输 入、输出信号之间的相位差来检测液体密度，通过测量虚拟器件a输入、输出信号之间的振 幅比来检测液体粘度；2)在按上述步骤测得液体密度和粘度的前提下，选择压电薄板与液体的接触界面为金 属化形式的声板波器件B，且该器件B激发出的声板波在传播方向存在着振动位移；对于器 件B，选择相应模态的激发频率得到对应的虚拟器件b通过测量虚拟器件b输入、输出信号 之间的相位差来检测液体体积弹性模量；3)按上述两个步骤测得液体密度、液体粘度、液体体积弹性模量，选择压电薄板与液体 的接触界面为自由化形式的声板波器件C ；对于器件C，选择相应模态的激发频率得到对应 的虚拟器件c通过测量虚拟器件c输入、输出信号之间的相位差来检测液体介电常数，通过 测量虚拟器件c输入、输出信号之间的振幅比来检测液体电导率。
全文摘要
本发明提供一种声板波虚拟阵列传感器系统及基于该系统的液体检测方法。本发明的系统结构包括微控制器�？�、信号激励�？�、声板波虚拟阵列器件�？楹托藕挪杉？�。本发明的方法通过微控制器�？榭刂菩藕偶だ？椴欢ㄆ德实母咂嫡业缪剐藕牛眯藕攀┘拥缴宀ㄐ槟庹罅衅骷？槭淙攵耍媚嫜沟缧вΣ宀ǎ涞缴宀ㄐ槟庹罅衅骷？槭涑龆说纳宀ㄔ偻ü沟缧вψ怀傻缪剐藕牛宀ǖ拇ヌ匦允芨涸卦谏宀ㄐ槟庹罅衅骷？樯系囊禾逄卣鞑问跋欤ü藕挪杉？椴饬可宀ㄐ槟庹罅衅骷？槭淙�、输出电压信号的相位差和振幅比来检测液体的特征参数；本发明具有检测器件�。藕鸥扇派俚扔诺�。
文档编号G01N11/00GK101806776SQ20101014987
公开日2010年8月18日 申请日期2010年4月19日 优先权日2010年4月19日
发明者宣建青, 张小宁, 陈智军 申请人:南京航空航天大学
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