基于压电扭转振动的微型流体粘度计的研究

Viscosity is an important physical parameter of the fluids. Viscosity measurement is indispensable in industrial production and scientific research fields of energy, chemical, biomedical, food, and many others. The traditional viscosity measurement methods include capillary, falling ball, and rotational methods. However, these methods have some flaws, such as structural complexity, long test time, difficult for on-line monitoring, which limit their applications. We propose a new type of piezoceramic element with torsional vibration to measure the viscosity of fluids. Through flexible measurement system designs of vibrational exciting, coupling, and sensing, on-line viscosity measurement can be achieved to meet different application requirements, with other advantages of simple structure, small size, low cost, fast testing, broad range, high accuracy, etc. The project will carry out the research of miniaturized fluid viscometer based on piezoelectric torsional vibration. By analyzing the different vibrational exciting, coupling and sensing methods, the mechanism and design of viscosity measurement system will be studied. Appropriate theoretical system models will be developed to analyze the relationship between the vibration parameters and fluid properties by different measurement methods. Ways to improve the measurement performance will be explored, by optimizing the vibrational coupling to improve the measuring sensitivity and range, by analyzing system reliability, temperature characteristics and their impacts on performance to provide suitable approaches for error compensation.

粘度是流体重要的物理参数之一，粘度测定在能源化工、生物医疗、食品等工业生产和科学研究领域中不可缺少。传统的粘度测量方法包括毛细管法、落球法、旋转法等。然而，这些方法都存在一定的缺陷，如结构复杂、测试时间长、难以在线监测等，应用场合存在很大的局限性。我们提出一种利用新型压电陶瓷扭转振动元件测量流体粘度的方法，通过灵活的振动激励、耦合和感应测量系统的设计，以实现针对不同应用需求的在线粘度测定，同时具有结构简单、体积小、成本低、测量速度快、范围大、准确度高等优点。本项目开展基于压电扭转振动的微型流体粘度计的研究；通过分析不同振动激励、耦合和感应方式，研究实现粘度测量的机理和设计；建立合适的系统理论模型，分析不同测量方法下振动参数与流体特性的关系；探索提高粘度测量性能的方法，优化振动耦合方式，提高粘度测量灵敏度和范围，分析系统自身可靠性和温度特性及其对性能的影响，研究误差补偿的措施。

粘度是反映流体分子间内摩擦特性的重要物理参数，在能源交通、材料化工、生物医学、食品环保等科学研究和工业生产领域中，快速、准确的液体粘度测量，对促进科学发展、提高产品质量都具有重要的价值。传统粘度测量方法，如毛细管法、落球法、旋转法和振动法等，由于设备体积大、测试周期长、样品用量多等因素，其微型化、在线连续监测等技术问题很难得到突破性的发展。本项目提出利用微型化压电扭转元件实现液体粘度在线监测的探头结构和测量方法，具有体积小、成本低、速度快、范围大、精度高等优点。.完善压电纤维扭转元件机电耦合特性的研究，发展基于坐标变换思想的有限元分析方法，获得压电纤维元件主要结构参数对扭转特性的影响规律及最优设计参数；系统研究压电圆片扭转元件的机电耦合特性，以等螺旋角和等间距螺旋电极为分析对象，建立压电圆片扭转元件的静动态理论模型，分析压电圆片元件主要结构参数对扭转特性的影响规律，并通过仿真和实验评估压电圆片扭转元件的性能指标，直径24mm样品可产生最大0.006°的扭转位移，自由情况下一阶扭转振动的固有频率达到108kHz；研究压电扭转元件与液体介质之间的振动传递和衰减特性，建立压电扭转元件在自由边界条件下与液体介质耦合的系统等效电路模型，分析压电扭转元件电学参量频率响应特性在液体介质中的变化规律；研究基于导纳频率响应特征参量的压电扭转振动液体粘度测量原理，建立主要电学参量与液体粘度之间的对应关系，提出基于导纳圆拟合的电学特征参量精确提取方法；制作两款高品质粘度测量探头，评估面向石油化工液体物质粘度测量的性能指标，比较获得最适用于粘度计算的特征参量，基于谐振等效电阻计算方法，压电纤维粘度测量探头在30~1600mPa·s粘度范围内的满量程线性度误差小于2%，压电圆片粘度测量探头在6~700mPa·s粘度范围内线性拟合R-square值达到0.9994。.压电纤维、圆片扭转元件静动态特性的理论、仿真和实验研究结果，加深了对螺旋电极式压电功能结构机电耦合特性的理解，为其结构优化和应用探索提供了理论和数据参考。压电扭转元件与液体介质振动耦合及粘度测量的理论、方法和实验研究结果，扩展了基于压电振动测量液体粘度的理论基础和实现途径，确定了压电扭转元件实现液体粘度精确测量的可行性，为设计制造性能更好、实用化更强的微型化、在线、快速、连续粘度测量探头提供了丰富的经验积累。