基于納米線垂直陣列的流體粘度檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及流體粘度測(cè)量領(lǐng)域，特別是涉及一種基于納米線垂直陣列的流體粘度 檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 粘度是流體最重要的物理特性之一，粘度特性的表征對(duì)于工程應(yīng)用和基礎(chǔ)研究都 極為重要。傳統(tǒng)的流體粘度測(cè)量方法有毛細(xì)管法、旋轉(zhuǎn)法、落體法、平板法、粘度杯法等，這 些傳統(tǒng)的粘度測(cè)量方法耗時(shí)長(zhǎng)，不能實(shí)時(shí)在線地獲得流體的粘度特性，且所需要的樣品量 一般較大，不能滿足小樣品量的測(cè)量要求。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中也出現(xiàn)了一種粘度檢測(cè)裝置一一載液機(jī)械共振器，通過(guò)機(jī)械諧振法進(jìn) 行測(cè)量，將機(jī)械共振器置于待測(cè)流體中，同時(shí)測(cè)量其在該流體中的諧振特性，從共振器傳出 進(jìn)入流體的隱含速度場(chǎng)產(chǎn)生體積運(yùn)動(dòng)和剪切運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的阻尼，對(duì)其他變量中的共振質(zhì)量因 子、共振頻率和共振運(yùn)動(dòng)振幅均產(chǎn)生影響，利用這些特征參數(shù)來(lái)表征流體的粘度特性。但 是該類裝置多采用矩形懸臂梁結(jié)構(gòu)，靈敏度低、品質(zhì)因子小，導(dǎo)致該類傳感器的測(cè)量精度較 低。而且矩形懸臂梁多采用壓電材料，為有線有源驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮流體導(dǎo)電性的影響， 增加了設(shè)備成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供基于納米線垂直陣列的流體粘度 檢測(cè)裝置，本發(fā)明的另一目的是提供基于納米線垂直陣列的流體粘度檢測(cè)裝置的檢測(cè)方 法。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] 基于納米線垂直陣列的流體粘度檢測(cè)裝置，包括人機(jī)交互裝置、檢測(cè)處理電路、包 含激勵(lì)線圈的檢測(cè)探頭以及采用磁性納米線陣列制成的微芯片，所述檢測(cè)探頭依次與檢測(cè) 處理電路和人機(jī)交互裝置連接，所述微芯片用于放入待測(cè)流體中，所述檢測(cè)探頭用于在待 測(cè)流體的正上方為微芯片提供交變磁場(chǎng)并檢測(cè)微芯片的實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)。
[0007] 進(jìn)一步，所述微芯片是通過(guò)模板電化學(xué)沉積法或溶液凝膠法，在第一基底上制備 豎直的磁性納米線陣列所制成的。
[0008] 進(jìn)一步，所述磁性納米線陣列的密度為7-10g/cm3,直徑為10-200nm，高度為 50-1000nm〇
[0009] 進(jìn)一步，所述激勵(lì)線圈為帶有引線的螺旋狀的線圈。
[0010] 進(jìn)一步，所述激勵(lì)線圈是采用MEMS工藝在第二基底上制作導(dǎo)電的螺旋線，并將螺 旋線兩端跳線引出所制成的。
[0011] 進(jìn)一步，所述檢測(cè)處理電路包括鎖相放大器和微處理器，所述檢測(cè)探頭的一端通 過(guò)微處理器與人機(jī)交互裝置連接，所述檢測(cè)探頭的另一端與鎖相放大器的信號(hào)輸入端連 接。
[0012] 進(jìn)一步，所述人機(jī)交互裝置包括LED觸摸顯示屏、開(kāi)關(guān)、按鈕和旋鈕。
[0013] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的另一技術(shù)方案是：
[0014] 采用所述的流體粘度檢測(cè)裝置的基于納米線垂直陣列的流體粘度檢測(cè)方法，包 括：
[0015] S1、將采用磁性納米線陣列制成的微芯片浸沒(méi)在待測(cè)流體中；
[0016] S2、將檢測(cè)探頭放置在待測(cè)流體的上方且使得檢測(cè)探頭位于微芯片的正上方后， 對(duì)檢測(cè)探頭的激勵(lì)線圈施加交變信號(hào)，使得檢測(cè)探頭和微芯片之間形成互感耦合；
[0017] S3、采用檢測(cè)探頭檢測(cè)微芯片的實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)并發(fā)送到檢測(cè)處理電路；
[0018] S4、采用檢測(cè)處理電路對(duì)微芯片的實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理后，獲得微芯片的振動(dòng) 幅度與輸入交變信號(hào)的頻率之間的振動(dòng)變化關(guān)系曲線；
[0019] S5、獲取振動(dòng)變化關(guān)系曲線的極值處的頻率作為微芯片在待測(cè)流體中的諧振頻 率；
[0020] S6、計(jì)算微芯片在空氣中與待測(cè)流體中的諧振頻率之差，進(jìn)而計(jì)算獲得待測(cè)流體 的粘度。
[0021] 進(jìn)一步，所述步驟S1之前還包括以下步驟：
[0022] S01、將采用磁性納米線陣列制成的微芯片裸露在空氣中；
[0023] S02、將檢測(cè)探頭放置在微芯片的正上方后，對(duì)檢測(cè)探頭的激勵(lì)線圈施加交變信 號(hào)，使得檢測(cè)探頭和微芯片之間形成互感耦合；
[0024] S03、采用檢測(cè)探頭檢測(cè)微芯片的實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)并發(fā)送到檢測(cè)處理電路；
[0025] S04、采用檢測(cè)處理電路對(duì)微芯片的實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理后，獲得微芯片的振動(dòng) 幅度與輸入交變信號(hào)的頻率之間的振動(dòng)變化關(guān)系曲線；
[0026] S05、獲取振動(dòng)變化關(guān)系曲線的極值處的頻率作為微芯片在空氣中的諧振頻率。
[0027] 進(jìn)一步，所述步驟S6,其具體為：
[0028] 計(jì)算微芯片在空氣中與待測(cè)流體中的諧振頻率之差，進(jìn)而根據(jù)下式計(jì)算獲得待測(cè) 流體的粘度：
[0029]
[0030] 工:tVT，U衣小1寸WJ孤體的粘度，P表示微芯片所采用材料的密度，P丨表示待 測(cè)流體的密度，d表示微芯片的厚度，Af表示微芯片在空氣中與待測(cè)流體中的諧振頻率之 差，f。表示微芯片在空氣中的諧振頻率。
[0031] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的基于納米線垂直陣列的流體粘度檢測(cè)裝置，包括 人機(jī)交互裝置、檢測(cè)處理電路、包含激勵(lì)線圈的檢測(cè)探頭以及采用磁性納米線陣列制成的 微芯片，檢測(cè)探頭依次與檢測(cè)處理電路和人機(jī)交互裝置連接，微芯片用于放入待測(cè)流體中， 檢測(cè)探頭用于在待測(cè)流體的正上方為微芯片提供交變磁場(chǎng)并檢測(cè)微芯片的實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)。 本裝置結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，便于移動(dòng)，只需要少量樣品即可進(jìn)行粘度檢測(cè)，穩(wěn)定性和可靠性 高，而且采用磁性納米線陣列，極大地提高了靈敏度和響應(yīng)速度，也無(wú)需額外考慮流體導(dǎo)電 性的影響。
[0032] 本發(fā)明的另一有益效果是：本發(fā)明的基于納米線垂直陣列的流體粘度檢測(cè)方法， 包括：將采用磁性納米線陣列制成的微芯片浸沒(méi)在待測(cè)流體中；將檢測(cè)探頭放置在待測(cè)流 體的上方且使得檢測(cè)探頭位于微芯片的正上方后，對(duì)檢測(cè)探頭的激勵(lì)線圈施加交變信號(hào)， 使得檢測(cè)探頭和微芯片之間形成互感耦合；采用檢測(cè)探頭檢測(cè)微芯片的實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)并發(fā) 送到檢測(cè)處理電路；采用檢測(cè)處理電路對(duì)微芯片的實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理后，獲得微芯片 的振動(dòng)幅度與輸入交變信號(hào)的頻率之間的振動(dòng)變化關(guān)系曲線；獲取振動(dòng)變化關(guān)系曲線的極 值處的頻率作為微芯片在待測(cè)流體中的諧振頻率；計(jì)算微芯片在空氣中與待測(cè)流體中的諧 振頻率之差，進(jìn)而計(jì)算獲得待測(cè)流體的粘度。本方法便于操作、簡(jiǎn)單快速，只需要少量樣品 即可進(jìn)行粘度檢測(cè)，穩(wěn)定性和可靠性高，而且采用磁性納米線陣列制成的微芯片進(jìn)行測(cè)量， 靈敏度高，響應(yīng)速度快。
【附圖說(shuō)明】
[0033] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0034]圖1是本發(fā)明的基于納米線垂直陣列的流體粘度檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035] 圖2是本發(fā)明的基于納米線垂直陣列的流體粘度檢測(cè)裝置的微芯片的結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0036]圖3是本發(fā)明的基于納米線垂直陣列的流體粘度檢測(cè)裝置的檢測(cè)探頭的激勵(lì)線 圈的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0037] 圖4是本發(fā)明的基于納米線垂直陣列的流體粘度檢測(cè)裝置的檢測(cè)處理電路的鎖 相放大器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖5是采用本發(fā)明的基于納米線垂直陣列的流體粘度檢測(cè)方法的檢測(cè)結(jié)果示意 圖；
[0039] 圖6是結(jié)合圖5的檢測(cè)結(jié)果獲得的數(shù)據(jù)關(guān)系列表示意圖；
[0040] 圖7是結(jié)合圖5的檢測(cè)結(jié)果獲得的數(shù)據(jù)關(guān)系曲線示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 參照?qǐng)D1，本發(fā)明提供了一種基于納米線垂直陣列的流體粘度檢測(cè)裝置，包括人機(jī) 交互裝置、檢測(cè)處理電路、包含激勵(lì)線圈的檢測(cè)探頭以及采用磁性納米線陣列12制成的微 芯片1，所述檢測(cè)探頭依次與檢測(cè)處理電路和人機(jī)交互裝置連接，所述微芯片1用于放入待 測(cè)流體2中，所述檢測(cè)探頭用于在待測(cè)流體2的正上方為微芯片1提供交變磁場(chǎng)并檢測(cè)微 芯片1的實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)。
[0042] 進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，參照?qǐng)D2,所述微芯片1是通過(guò)模板電化學(xué)沉積法或 溶液凝膠法，在第一基底11上制備豎直的磁性納米線陣列12所制成的。
[0043] 進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述磁性納米線陣列12的密度為7-10g/cm3,直徑為 10_200nm，高度為 50-1000nm。
[0044] 進(jìn)一步