[发明专利]U型金属丝谐振式粘度传感器

说明书

本发明提出了一种U型金属丝谐振式MEMS粘度传感器，包括U型金属丝谐振敏感元件、频率信号发生器模块、阻抗测量模块以及微控制器模块，U型金属丝作为传感器的敏感元件，置于平行放置的两块圆形强力永久磁铁之间的磁场中，与该两块强力永久磁铁以及支撑构件组成的一体式结构，微控制器控制频率信号发生器模块产生扫频信号，激励U型金属丝在被测液体中产生稳定振动，利用阻抗测量模块检测各扫频信号激励下，置于被测液体中U型金属丝的阻抗，寻找谐振频率点，再通过U型金属丝在谐振频率点的阻抗变化量计算被测液体的粘度，本发明具有损耗低、尺寸小、不易损坏等优点，尤其适用于车载等复杂环境下油液粘度的检测。

技术领域

本发明涉及一种粘度传感器，是一种具有谐振频率与温度交叉敏感低、工作在低赫兹频率范围、谐振元件不易损坏的优势，精度高、功耗低且体积小、成本低的U型金属丝谐振式粘度传感器。

背景技术：

粘度可以用来检测液体的状况，是描述液体物理行为的重要理化特性参数之一。液体粘度的测量在石油化工、食品、汽车、纺织工业、生物医学工程等领域是必不可少的。例如，在汽车工业中，润滑油粘度的现场监测是跟踪润滑油性能的关键指标。在石油开采中，对井下环境中油藏液体粘度和密度的检测是指导油藏开发策略的重要参数。在生物医学诊断中，对测试样品的粘度进行测量可以实现以较低的成本进行内毒素检测。

传统在实验室中用于测量粘度的仪器测量精度高，但是由于其部件较大以及其测量原理的限制，难以直接小型化而作为传感器使用。当只有非常少量的样品液体可用时，或者测量过程必须在封闭的储层、生产线或汽车类运动机械设备上使用时，合适的粘度检测传感器日益成为必需。

基于机械谐振技术，以谐振元件作为敏感元件而实现的传感器称为谐振式传感器。谐振式传感器具有广泛的应用前景，包括用于化学物质和生物物质的检测，流体流变特性的测量等。谐振式传感器基于谐振原理，传感器周围的环境因素(例如粘度)会影响到传感器本身的谐振行为(例如谐振频率、质量因子)。通过建立环境因素与传感器谐振行为内在关系的有效模型，可以实现对传感器周围环境参数的检测，比如粘度的检测。

谐振敏感元件作为谐振式传感器的核心部分，决定了传感器的性能。石英音叉、微悬臂梁、AIN谐振器、扭转谐振器等都可以作为检测粘度测量的谐振式传感器的敏感元件。石英音叉具有居里温度高、稳定性好、精度高、成本低等优点，以石英音叉为谐振元件的石英音叉谐振式粘度传感器应用广泛。但是石英音叉谐振式粘度传感器不但粘度计算模型复杂，而且石英音叉易于损坏，尤其不适于车载、井下等恶劣环境下的粘度检测。同时，在检测高粘度液体的粘度时，石英音叉谐振式粘度传感器还存在振动信号差、测量误差大等缺点。

发明内容

本发明针对现有粘度传感器技术中存在的不足，提出了一种采用由热膨胀系数低的钨丝制成的U型金属丝作为粘度检测谐振敏感元件的粘度传感器，这种U型金属丝谐振式粘度传感器具有谐振频率与温度交叉敏感低、工作在低赫兹频率范围、谐振元件不易损坏等优势，并且其精度高、功耗低且体积小、成本低，可广泛用于各种车辆、冷冻设备、采暖通风空调、压缩机等工业设备领域在线检测润滑油液的粘度。

本发明通过以下措施达到：

一种U型金属丝谐振式粘度传感器，其特征在于：包括U型金属丝、用于搭建磁场的两块平行放置的圆形强力永久磁铁、支撑机构、频率信号发生器模块、阻抗测量模块以及微控制器模块，所述U型金属丝与两块平行放置的圆形强力永久磁铁分别固定到支撑机构上，U型金属丝两端分别与频率信号发生器模块和阻抗测量模块相连，以频率信号发生器模块提供的电流作为激励源驱动U型金属丝在被测液体及磁场中振动，阻抗测量模块检测U型金属丝在磁场中振动时输出的阻抗信号，获得U型金属丝工作时的频率/阻抗图，通过所测得的U型金属丝工作时的频率/阻抗图，获得U型金属丝在被测液体中发生谐振时阻抗与非谐振时阻抗的差值，利用阻抗差值计算被测液体的粘度。