采用微傳感器的黏/密度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其性能測(cè)試

宋渤,徐龍起,張桂銘,趙立波,王曉坡,劉志剛

(1.西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安;2.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安)

采用微傳感器的黏/密度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及其性能測(cè)試

宋渤1,徐龍起2,張桂銘2,趙立波2,王曉坡1,劉志剛1

(1.西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安;2.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安)

為了快速、準(zhǔn)確地獲得流體的密度和黏度數(shù)據(jù),研制了一套采用微型傳感器的密度/黏度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在激勵(lì)裝置的驅(qū)動(dòng)下,微型傳感器在流體中周期性振動(dòng),通過(guò)測(cè)量傳感器的諧振頻率和品質(zhì)因子來(lái)獲取流體的密度和黏度。分別采用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)甲苯和正庚烷對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定和測(cè)試,測(cè)量的溫度范圍為283.15～303.15K,壓力為0.1 MPa,將實(shí)驗(yàn)值與文獻(xiàn)值進(jìn)行了比較,結(jié)果表明,密度測(cè)量值與文獻(xiàn)值的平均絕對(duì)偏差為0.93%,最大偏差為1.26%,黏度測(cè)量值與文獻(xiàn)值的平均絕對(duì)偏差為7.08%,最大偏差為16.67%,驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性。

微型傳感器;密度;黏度;正庚烷

密度和黏度是流體兩個(gè)基本的物性參數(shù),在石油、化工、食品及醫(yī)療等行業(yè)發(fā)揮著重要作用,密度/黏度的準(zhǔn)確性和可靠性關(guān)系到生產(chǎn)的成本和產(chǎn)品的質(zhì)量。目前,傳統(tǒng)的物性實(shí)驗(yàn)裝置具有測(cè)量精度高、適用范圍廣的特點(diǎn),但同時(shí)設(shè)備的質(zhì)量體積較大,并且所需的測(cè)試時(shí)間和樣品量也較多?；谖C(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的傳感器具有尺寸小、質(zhì)量輕、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn),有望彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量手段的局限和不足,從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)流體熱物性的在線測(cè)量。因此,在課題組已有的高精度密度計(jì)[1]和黏度計(jì)[2]的基礎(chǔ)上,本文研制了一套基于MEMS技術(shù)的微型密度/黏度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并采用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定和測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)測(cè)量參數(shù)的不同,微型密度/黏度傳感器主要分為流動(dòng)式和振動(dòng)式。Igarashi等人利用微型熱線風(fēng)速儀測(cè)量流體的流量,再結(jié)合流動(dòng)壓差,確定流體的密度和黏度值,所需測(cè)量?jī)x表較多[3]。Patois等人開(kāi)發(fā)了壓電材料驅(qū)動(dòng)的微型懸臂梁,帶動(dòng)微型圓球在流體中振動(dòng),由振動(dòng)參數(shù)計(jì)算密度和黏度數(shù)據(jù),數(shù)學(xué)模型較為簡(jiǎn)單,但結(jié)果精度不高[4]。

本文設(shè)計(jì)的微型密度/黏度傳感器采用振動(dòng)法,基本測(cè)量原理是:通過(guò)激勵(lì)裝置的驅(qū)動(dòng),一端固定的彈性元件(懸臂梁)在流體中周期性振動(dòng),懸臂梁的諧振頻率和品質(zhì)因子與懸臂梁所處流體的密度和黏度有關(guān)。因此,可以通過(guò)振動(dòng)物體和流體運(yùn)動(dòng)方程之間的關(guān)系,在測(cè)量得到物體的諧振頻率和品質(zhì)因子后計(jì)算流體的密度和黏度。結(jié)合力學(xué)中的Euler-Bernoulli棟梁理論、懸臂梁振動(dòng)方程并考慮空氣中的修正等因素,可得到微型密度/黏度傳感器的工作方程。其推導(dǎo)過(guò)程在文獻(xiàn)[5]中已有詳細(xì)描述,在這里僅給出其工作方程

(1)

(2)

(3)

式中:ρ和η分別表示待測(cè)流體的密度和黏度;fr表示懸臂梁在待測(cè)流體中的諧振頻率;Q和Q0分別表示懸臂梁在待測(cè)流體和空氣中的品質(zhì)因子;g表示懸臂梁在待測(cè)流體中的諧振半峰寬;C1、C2和C3為未知常數(shù),決定于傳感器的材料性質(zhì)和尺寸,需要利用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定的方法來(lái)確定。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

基于振動(dòng)法測(cè)量流體密度/黏度的基本原理,本文研制了一套MEMS黏/密度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),如圖1所示,主要包括傳感器實(shí)驗(yàn)裝置、振動(dòng)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。

圖1 微型密度/黏度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

傳感器實(shí)驗(yàn)裝置是整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵,由微型芯片、PCB電路板、封裝結(jié)構(gòu)和相關(guān)連接部件組成。傳感器芯片使用n型雙面拋光硅片經(jīng)MEMS技術(shù)加工而成,彈性元件為矩形懸臂梁,長(zhǎng)度為1.7 mm,寬度為2.5mm,厚度為30 μm,表面分布有惠斯通電橋,由4根壓敏電阻構(gòu)成,以檢測(cè)懸臂梁的形變;繞組線圈由金線構(gòu)成,驅(qū)動(dòng)懸臂梁的振動(dòng);焊盤及連接導(dǎo)線提供芯片內(nèi)部線路與外部線路的電氣連接。為了獲得良好的傳感器工作狀態(tài),在加工完成后對(duì)芯片進(jìn)行退火處理以去除表面應(yīng)力的影響。微型芯片與PCB電路板采用DG-3型改性環(huán)氧樹(shù)脂膠來(lái)進(jìn)行固化黏合,由金線鍵合的方法將兩者的焊盤相連。芯片和PCB板位于封裝結(jié)構(gòu)內(nèi),通過(guò)螺釘固定,為其提供物理保護(hù)。實(shí)驗(yàn)本體的材料為不銹鋼(1Cr18Ni9Ti),底部布置有方形釤鈷永久磁鐵,以提供傳感器振動(dòng)所需的勻強(qiáng)磁場(chǎng),中心磁場(chǎng)強(qiáng)度約為0.3 T。

本文建立的振動(dòng)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)包括函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字鎖相放大器、直流電源和電路板。函數(shù)發(fā)生器(Agilent 33220A)發(fā)射的正弦交流信號(hào)輸入至傳感器表面的繞組線圈,在磁場(chǎng)力的作用下將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng),引起傳感器芯片不斷振動(dòng)?；菟雇姌?qū)⑿酒巫冝D(zhuǎn)換為電信號(hào),輸出至數(shù)字鎖相放大器(SR830),數(shù)字鎖相放大器的參考信號(hào)為函數(shù)發(fā)生器信號(hào)。電橋所需的直流信號(hào)由電源(Agilent E3611A)結(jié)合自行設(shè)計(jì)的電路板提供。傳感器芯片與測(cè)量系統(tǒng)的電氣連通由PCB電路板實(shí)現(xiàn)。

傳感器實(shí)驗(yàn)裝置位于恒溫槽(Fluke 7008)提供的恒溫環(huán)境內(nèi),恒溫槽的控溫范圍是-5～110 ℃。由于本文所測(cè)量溫度范圍在10～40 ℃,因此選用的恒溫介質(zhì)為蒸餾水,溫度場(chǎng)的穩(wěn)定性優(yōu)于±0.000 7 ℃,均勻性優(yōu)于±0.003 ℃。所有測(cè)量?jī)x表均通過(guò)GPIB接口與計(jì)算機(jī)相連,采用Labview虛擬儀器開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和Matlab數(shù)學(xué)軟件編寫了數(shù)據(jù)采集程序,由數(shù)字鎖相放大器檢測(cè)惠斯通電橋的感應(yīng)電壓,經(jīng)非線性擬合后可以得到相應(yīng)的振動(dòng)參數(shù),實(shí)現(xiàn)了測(cè)量自動(dòng)化。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)標(biāo)定和測(cè)試

由于微型密度/黏度傳感器采用的是相對(duì)測(cè)量法,因此在實(shí)驗(yàn)之前需要用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。已知可靠密度和黏度數(shù)據(jù)的物質(zhì)主要有水、甲苯等。實(shí)驗(yàn)室獲得的水的純度難以保證,并且可能導(dǎo)致傳感器和磁鐵被腐蝕,因此本文選用甲苯對(duì)裝置進(jìn)行標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)中所用甲苯由天津富宇化學(xué)試劑廠提供,純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為99.5%。甲苯的密度和黏度數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)[6],密度標(biāo)定在0.1 MPa下進(jìn)行,采用293.15K和303.15K的密度值,分別為867.2 kg·m-3和858.0 kg·m-3,而黏度標(biāo)定選擇在0.1 MPa、293.15K狀態(tài)下進(jìn)行,黏度值為591 μPa·s。方程(1)～(3)中,傳感器振動(dòng)的諧振頻率和品質(zhì)因子由感應(yīng)電壓經(jīng)非線性擬合后獲得,T=293.15K時(shí),fr=10 965.675Hz,Q=37.249,感應(yīng)電壓u+iv與振動(dòng)頻率f的關(guān)系如圖2所示,而T=303.15K時(shí),擬合得到的諧振頻率fr=11 006.558 Hz。再結(jié)合常壓下T=284.07 K時(shí)傳感器在空氣中的品質(zhì)因子Q0=136.589,可以最終確定方程(1)和(2)中常數(shù)C1、C2和C3的具體取值,見(jiàn)表1。

圖2 感應(yīng)電壓與振動(dòng)頻率的關(guān)系

表1 標(biāo)定常數(shù)C1～C3的取值

為了測(cè)試裝置的可靠性,本文對(duì)正庚烷的密度和黏度依次進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。正庚烷由天津紅巖化學(xué)試劑廠生產(chǎn),純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))高于98.5%。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度范圍為283.15～303.15K,壓力為0.1 MPa。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的正庚烷的密度與黏度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 正庚烷密度和黏度測(cè)量結(jié)果

利用表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,本文分別擬合得到了正庚烷的密度和黏度計(jì)算方程,以方便與文獻(xiàn)中報(bào)道的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較

ρ/ρ0=b0+b1(T/T0)+

b2(T/T0)2+b3(T/T0)3

(4)

η/η0=d0+d1(T/T0)+

d2(T/T0)2+d3(T/T0)3

(5)

式中:T0=283.15K,ρ0=699.1 kg·m-3,η0=546 μPa·s,為相應(yīng)的參考值;方程中各擬合系數(shù)的值見(jiàn)表3。圖3和表4給出了本文關(guān)聯(lián)式計(jì)算結(jié)果和密度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較,同時(shí),正庚烷黏度的偏差分布情況如圖4和表5所示。通過(guò)和大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),在研究的溫度范圍內(nèi),正庚烷密度的平均絕對(duì)偏差為0.93%,最大偏差為1.26%,黏度的平均絕對(duì)偏差為7.08%,最大偏差為16.67%。

表3 方程(4)和(5)中系數(shù)的值

圖3 方程(4)密度計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[7]的偏差

在MEMS黏/密度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,影響密度和黏度測(cè)量精度的因素主要有溫度、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的密度和黏度值、諧振頻率和品質(zhì)因子。實(shí)驗(yàn)裝置整體位于恒溫槽中,自身散熱量對(duì)于溫度波動(dòng)的影響很小。

表4 正庚烷密度關(guān)聯(lián)式與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)偏差

實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度環(huán)境由恒溫槽控制,穩(wěn)定性和均勻性小于±3 mK,相比其他因素,溫度所引起的誤差可以忽略不計(jì)。本文選取甲苯作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),用來(lái)對(duì)密度和黏度的工作方程進(jìn)行標(biāo)定。甲苯的密度和黏度數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)[6],在本文的測(cè)量范圍內(nèi),密度的不確定度為0.03%,而黏度的不確定度為2%。諧振頻率和品質(zhì)因子都屬于傳感器的振動(dòng)參數(shù),測(cè)量精度主要決定于儀表自身的精度、信噪比和非線性擬合的精度。綜合考慮上述各類因素,結(jié)合與正庚烷文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果,對(duì)于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),密度的不確定度估計(jì)為±1%,黏度的不確定度估計(jì)為±10%。

圖4 方程(5)黏度計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[12]的偏差

表5 正庚烷黏度關(guān)聯(lián)式與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)偏差

從本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的誤差分析可以看出,密度的測(cè)量精度主要由標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的密度和諧振頻率決定,而影響?zhàn)ざ葴y(cè)量精度的因素較多,包括標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的密度和黏度、傳感器在待測(cè)流體中振動(dòng)時(shí)的諧振頻率和品質(zhì)因子、傳感器在空氣中振動(dòng)時(shí)的品質(zhì)因子。在文獻(xiàn)[6]中,甲苯黏度的不確定度為2%,比密度的不確定度0.03%大了近2個(gè)數(shù)量級(jí),會(huì)影響到黏度工作方程中標(biāo)定常數(shù)的準(zhǔn)確性。同時(shí),相比諧振頻率,品質(zhì)因子的測(cè)量會(huì)受到更多因素的干擾,準(zhǔn)確程度也會(huì)有所下降,這都會(huì)導(dǎo)致黏度測(cè)量結(jié)果的不確定度增大。

3 結(jié) 論

本文建立了一套基于MEMS技術(shù)的微型密度/黏度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并利用甲苯作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,得到了實(shí)驗(yàn)裝置的標(biāo)定常數(shù)。對(duì)常壓下溫度為283.15～303.15K的烷烴類燃料正庚烷進(jìn)行了測(cè)量,獲得了正庚烷的密度和黏度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),密度測(cè)量值與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的平均絕對(duì)偏差為0.93%,最大偏差為1.26%,黏度測(cè)量值與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的平均絕對(duì)偏差為7.08%,最大偏差為16.67%,驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性,為開(kāi)展流體熱物理性質(zhì)的在線測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。

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(編輯 荊樹(shù)蓉)

DevelopmentofDensityandViscosityMeasurementSystembyMicroelectromechanicalSystemsSensor

SONG Bo1,XU Longqi2,ZHANG Guiming2,ZHAO Libo2,WANG Xiaopo1,LIU Zhigang1

(1.Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering of MOE, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2.State Key Laboratory for Manufacturing System Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

An experimental system was constructed for the simultaneous measurement of density and viscosity of fluids by microelectromechanical systems (MEMS) sensor.The experimental system determined the density and viscosity data via the measurement for sensor resonance frequency and quality factor.The density and viscosity of toluene and n-heptane were obtained.The measurements were carried out for five times in the temperature range from 283.15to 303.15K and under pressure of 0.1 MPa.The experimental data were compared with those of the literatures.The mean absolute deviation and the maximum deviation for density reach 0.93% and 1.26%; the mean absolute deviation and the maximum deviation for viscosity reach 7.08% and 16.67% respectively.

microelectromechanical systems sensor; density; viscosity; n-heptane

10.7652/xjtuxb201403009

2013-05-23。

宋渤(1986—),男,博士生;王曉坡(通信作者),男,副教授。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50836004;51375378)。

時(shí)間: 2013-12-11

TK123;TP212

:A

:0253-987X(2014)03-0044-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址: http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20131211.0844.001.html