一種用于微機(jī)電諧振式粘度傳感器的測(cè)量系統(tǒng)及方法技術(shù)方案

本公開(kāi)提供了一種用于微機(jī)電諧振式粘度傳感器的測(cè)量系統(tǒng)及方法，該測(cè)量系統(tǒng)包括：直流供電模塊采用外部24V直流供電，用于為直流脈沖激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊和溫度采集及數(shù)據(jù)處理模塊供電；直流脈沖激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊用于產(chǎn)生脈寬及幅值可調(diào)控的直流脈沖激勵(lì)電壓信號(hào)V

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種用于微機(jī)電諧振式粘度傳感器的測(cè)量系統(tǒng)及方法


[0001]本公開(kāi)涉及電子測(cè)量
，特別涉及一種用于微機(jī)電諧振式粘度傳感器的測(cè)量系統(tǒng)及方法。

技術(shù)介紹

[0002]粘度是表征流體性質(zhì)的一項(xiàng)重要參數(shù)，也是熱物性學(xué)、流體力學(xué)等科學(xué)研究和能源動(dòng)力、工業(yè)控制等工程應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。航空、船舶、石油化工、生物醫(yī)療、輕工、食品、建材、冶金等領(lǐng)域的生產(chǎn)流程閉環(huán)實(shí)時(shí)控制、安全生產(chǎn)保障、控制與評(píng)定產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)控、醫(yī)學(xué)診斷及科學(xué)研究等都需要精確測(cè)量流體粘度。
[0003]隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro
?
Electro
?
Mechanical System，MEMS)的迅速發(fā)展，基于MEMS諧振式流體粘度傳感器具備尺寸小、響應(yīng)快、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、易于原位集成等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來(lái)科研和產(chǎn)業(yè)界廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。微機(jī)械諧振式粘度傳感器主要通過(guò)測(cè)量諧振結(jié)構(gòu)在流體阻尼中的諧振頻率f
r
以及品質(zhì)因數(shù)(Q值)實(shí)現(xiàn)粘度η密度ρ測(cè)量，原理如圖1所示，圖1是微機(jī)械諧振式流體粘度的測(cè)量機(jī)理示意圖。在流體近似為牛頓流體且具備不可壓縮特性情況下，當(dāng)諧振結(jié)構(gòu)浸沒(méi)在被測(cè)流體時(shí)，考慮到諧振結(jié)構(gòu)受流體粘性力影響，可近似采用納斯克
?
斯托克斯流體動(dòng)力模型計(jì)算，其動(dòng)力學(xué)模型可由單自由度的二階系統(tǒng)系統(tǒng)描述，當(dāng)施加激勵(lì)信號(hào)時(shí)，單模態(tài)的動(dòng)力方程：
[0004][0005]式中，m為模態(tài)質(zhì)量，F(xiàn)(t)為激勵(lì)信號(hào)，c和k為阻尼和剛性系數(shù)。其中引入表征動(dòng)力特性的參數(shù)，無(wú)阻尼本征諧振頻率阻尼比其中用Q值表征振動(dòng)系統(tǒng)的能量耗散特性，是諧振式傳感器的重要參數(shù)，表征每個(gè)振動(dòng)周期存儲(chǔ)于振動(dòng)系統(tǒng)的總能量與損耗能量的比值，與阻尼比直接相關(guān)，直接影響傳感器的靈敏度和分辨率。
[0006]梳理近十幾年諧振式流體粘度傳感器研究工作發(fā)現(xiàn)，如何降低流體阻尼提高諧振結(jié)構(gòu)Q值以及提高諧振參數(shù)高精度測(cè)量是提升微機(jī)械諧振式粘度傳感器測(cè)量范圍和精度的兩大關(guān)鍵問(wèn)題及突破方向。在提高諧振Q值方面，主要通過(guò)優(yōu)化諧振結(jié)構(gòu)、更改振動(dòng)模式、提高振動(dòng)模態(tài)等方式實(shí)現(xiàn)，但由于現(xiàn)有報(bào)道傳感器諧振結(jié)構(gòu)仍直接與被測(cè)流體接觸，其諧振器本征Q值(傳感器零點(diǎn)Q值)隨粘度增大急劇下降，Q值大多在幾十～幾百量級(jí)，極大限制了傳感器的測(cè)量范圍。在提高諧振參數(shù)測(cè)量精度方面，當(dāng)前產(chǎn)品多采用掃頻測(cè)量方式，通過(guò)施加連續(xù)掃頻或步進(jìn)掃頻激勵(lì)，利用網(wǎng)絡(luò)分析或阻抗測(cè)量?jī)x器或搭建頻域鎖相電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)頻率響應(yīng)獲取諧振參數(shù)，但由于不同粘度流體中諧振頻率往往會(huì)隨之變化，為提高測(cè)量精度，必須采用更細(xì)分的掃描步長(zhǎng)，極大增加了測(cè)量周期，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)原位小型化集成。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

[0007](一)要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0008]有鑒于此，本公開(kāi)的主要目的在于提供一種用于微機(jī)電諧振式粘度傳感器的測(cè)量系統(tǒng)及方法，以至少部分解決以上所提出的技術(shù)問(wèn)題。
[0009](二)技術(shù)方案
[0010]根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)方面，提供了一種用于微機(jī)電諧振式粘度傳感器的測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括微機(jī)械諧振粘度傳感器敏感結(jié)構(gòu)100、直流供電模塊200、直流脈沖激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊300和溫度采集及數(shù)據(jù)處理模塊400，其中：所述直流供電模塊200采用外部24V直流供電，用于為所述直流脈沖激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊300和所述溫度采集及數(shù)據(jù)處理模塊400供電；所述直流脈沖激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊300，用于產(chǎn)生脈寬及幅值可調(diào)控的直流脈沖激勵(lì)電壓信號(hào)V
D
，并輸送至所述微機(jī)械諧振粘度傳感器敏感結(jié)構(gòu)100；所述微機(jī)械諧振粘度傳感器敏感結(jié)構(gòu)100，用于在所述直流脈沖激勵(lì)電壓信號(hào)V
D
的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生敏感電流傳感信號(hào)，并輸送至所述溫度采集及數(shù)據(jù)處理模塊400；所述溫度采集及數(shù)據(jù)處理模塊400，用于對(duì)所述敏感電流傳感信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理及解析，得到被測(cè)流體粘度密度參數(shù)，并輸送至上位機(jī)。
[0011]在一些實(shí)施例中，所述直流供電模塊200包括電磁兼容處理單元210、數(shù)字電路直流供電單元220和脈沖激勵(lì)直流供電單元230，其中：所述電磁兼容處理單元210，其輸入電壓為24V直流電壓，采用電磁兼容處理芯片，為所述數(shù)字電路直流供電單元220和所述脈沖激勵(lì)直流供電單元230提供抗干擾能力強(qiáng)的24V直流電壓；所述數(shù)字電路直流供電單元220，采用DC/DC線性穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換芯片，為所述溫度采集及數(shù)據(jù)處理模塊400中的各組成模塊提供直流工作電壓；所述脈沖激勵(lì)直流供電單元230，采用DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器，為所述直流脈沖激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊300提供幅值在5～85V范圍可變的直流輸出電壓V
ADJ
。
[0012]在一些實(shí)施例中，所述電磁兼容處理單元210采用的電磁兼容處理芯片至少包括壓敏電阻、瞬變電壓抑制二極管或電磁干擾EMI芯片。
[0013]在一些實(shí)施例中，所述數(shù)字電路直流供電單元220為所述溫度采集及數(shù)據(jù)處理模塊400中的各組成模塊提供直流工作電壓至少包括3.3V、2.5V或1.gV的直流工作電壓。
[0014]在一些實(shí)施例中，所述直流脈沖激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊300包括一場(chǎng)效應(yīng)管，所述脈沖激勵(lì)直流供電單元230提供的幅值在5～85V范圍可變的直流輸出電壓V
ADJ
加載于所述場(chǎng)效應(yīng)管的源極S，場(chǎng)效應(yīng)管的漏極D輸出直流脈沖激勵(lì)電壓信號(hào)V
D
。
[0015]在一些實(shí)施例中，所述直流脈沖激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊300還包括一三極管，所述三極管的集電極連接于所述場(chǎng)效應(yīng)管的柵極G，所述三極管的發(fā)射極接地，所述三極管的基極接收所述溫度采集及數(shù)據(jù)處理模塊400產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號(hào)。
[0016]在一些實(shí)施例中，所述微機(jī)械諧振粘度傳感器敏感結(jié)構(gòu)100包括諧振器110、激勵(lì)極板120、敏感極板130、第一液體接觸膜140、第二液體接觸膜150和剛性連接硅島160，其中：所述第一液體接觸膜140與所述第二液體接觸膜150關(guān)于所述諧振器110所在平面呈對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，且通過(guò)所述剛性連接硅島160連接；所述諧振器110真空封裝在所述第一液體接觸膜140與所述第二液體接觸膜150中間的腔體內(nèi)，與被測(cè)液體非接觸；所述激勵(lì)極板120與所述敏感極板130平行于所述諧振器110所在平面，且關(guān)于所述剛性連接硅島160呈對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)；所述直流脈沖激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊300產(chǎn)生的直流脈沖激勵(lì)電壓信號(hào)V
D
加載于所述激勵(lì)極板120，所述微機(jī)械諧振粘度傳感器敏感結(jié)構(gòu)100產(chǎn)生的敏感電流傳感信號(hào)通過(guò)所述敏感極板130輸送至所述溫度采集及數(shù)據(jù)處理模塊400。
[0017]在一些實(shí)施例中，所述激勵(lì)極板120作為固定電極，所述諧振器110作為可動(dòng)電極，
二者構(gòu)成平板電容，由于平板電容的吸合效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致所述諧振器110向所述激勵(lì)極板120移動(dòng)，作為可動(dòng)電極的所述諧振器110處于失穩(wěn)狀態(tài)，當(dāng)直流脈沖激勵(lì)電壓信號(hào)V
D
變?yōu)?時(shí)，所述諧振器110呈欠阻尼自由衰減振蕩狀態(tài)，根據(jù)拉普拉斯變換，能夠獲得該模態(tài)系統(tǒng)的自由衰減信號(hào)。
[0018]在一些實(shí)施例中，所述敏感極本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
1.一種用于微機(jī)電諧振式粘度傳感器的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括微機(jī)械諧振粘度傳感器敏感結(jié)構(gòu)(100)、直流供電模塊(200)、直流脈沖激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊(300)和溫度采集及數(shù)據(jù)處理模塊(400)，其中：所述直流供電模塊(200)采用外部24V直流供電，用于為所述直流脈沖激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊(300)和所述溫度采集及數(shù)據(jù)處理模塊(400)供電；所述直流脈沖激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊(300)，用于產(chǎn)生脈寬及幅值可調(diào)控的直流脈沖激勵(lì)電壓信號(hào)V
D
，并輸送至所述微機(jī)械諧振粘度傳感器敏感結(jié)構(gòu)(100)；所述微機(jī)械諧振粘度傳感器敏感結(jié)構(gòu)(100)，用于在所述直流脈沖激勵(lì)電壓信號(hào)V
D
的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生敏感電流傳感信號(hào)，并輸送至所述溫度采集及數(shù)據(jù)處理模塊(400)；所述溫度采集及數(shù)據(jù)處理模塊(400)，用于對(duì)所述敏感電流傳感信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理及解析，得到被測(cè)流體粘度密度參數(shù)，并輸送至上位機(jī)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微機(jī)電諧振式粘度傳感器的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述直流供電模塊(200)包括電磁兼容處理單元(210)、數(shù)字電路直流供電單元(220)和脈沖激勵(lì)直流供電單元(230)，其中：所述電磁兼容處理單元(210)，其輸入電壓為24V直流電壓，采用電磁兼容處理芯片，為所述數(shù)字電路直流供電單元(220)和所述脈沖激勵(lì)直流供電單元(230)提供抗干擾能力強(qiáng)的24V直流電壓；所述數(shù)字電路直流供電單元(220)，采用DC/DC線性穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換芯片，為所述溫度采集及數(shù)據(jù)處理模塊(400)中的各組成模塊提供直流工作電壓；所述脈沖激勵(lì)直流供電單元(230)，采用DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器，為所述直流脈沖激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊(300)提供幅值在5～85V范圍可變的直流輸出電壓V
ADJ
。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于微機(jī)電諧振式粘度傳感器的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述電磁兼容處理單元(210)采用的電磁兼容處理芯片至少包括壓敏電阻、瞬變電壓抑制二極管或電磁干擾EMI芯片。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于微機(jī)電諧振式粘度傳感器的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字電路直流供電單元(220)為所述溫度采集及數(shù)據(jù)處理模塊(400)中的各組成模塊提供直流工作電壓至少包括3.3V、2.5V或1.8V的直流工作電壓。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于微機(jī)電諧振式粘度傳感器的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述直流脈沖激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊(300)包括一場(chǎng)效應(yīng)管，所述脈沖激勵(lì)直流供電單元(230)提供的幅值在5～85V范圍可變的直流輸出電壓V
ADJ
加載于所述場(chǎng)效應(yīng)管的源極S，場(chǎng)效應(yīng)管的漏極D輸出直流脈沖激勵(lì)電壓信號(hào)V
D
。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于微機(jī)電諧振式粘度傳感器的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述直流脈沖激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊(300)還包括一三極管，所述三極管的集電極連接于所述場(chǎng)效應(yīng)管的柵極G，所述三極管的發(fā)射極接地，所述三極管的基極接收所述溫度采集及數(shù)據(jù)處理模塊(400)產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號(hào)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微機(jī)電諧振式粘度傳感器的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述微機(jī)械諧振粘度傳感器敏感結(jié)構(gòu)(100)包括諧振器(110)、激勵(lì)極板(120)、敏感極板(130)、第一液體接觸膜(140)、第二液體接觸膜(150)和剛性連接硅島(160)，其中：所述第一液體接觸膜(140)與所述第二液體接觸膜(150)關(guān)于所述諧振器(110)所在平
面呈對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，且通過(guò)所述剛性連接硅島(160)連接；所述諧振器(110)真空封裝在所述第一液體接觸膜(140)與所述第二液體接觸膜(150)中間的腔體內(nèi)，與被測(cè)液體非接觸；所述激勵(lì)極板(120)與所述敏感極板(130)平行于所述諧振器(110)所在平面，且關(guān)于所述剛性連接硅島(160)呈對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)；所述直流脈沖激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊(300)產(chǎn)生的直流脈沖激勵(lì)電壓信號(hào)V
D
加載于所述激勵(lì)極板(120)，所述微機(jī)械諧振粘度傳感器敏感結(jié)構(gòu)(100)產(chǎn)生的敏感電流傳感信號(hào)通過(guò)所述敏感極板(130)輸送至所述溫度采集及數(shù)據(jù)處理模塊(400)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于微機(jī)電諧振式粘度傳感器的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述激勵(lì)極板(120)作為固定電極，所述諧振器(110)作為可動(dòng)電極，二者構(gòu)成平板電容，由于平板電容的吸合效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致所述諧振器(110)向所述激勵(lì)極板(120)移動(dòng)，作為可動(dòng)電極的所述諧振器(110)處于失穩(wěn)狀態(tài)，當(dāng)直流脈沖激勵(lì)電壓信號(hào)V
D
變?yōu)?時(shí)，所述諧振器(110)呈欠阻尼自由衰減振蕩狀態(tài)，根據(jù)拉普拉斯變換，能夠獲得該模態(tài)系統(tǒng)的自由衰減信號(hào)。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于微機(jī)電諧振式粘度傳感器的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述敏感極板(130)作為固定電極，所述諧振器(110)作為可動(dòng)電極，二者構(gòu)成平板電容，在所述諧振器(110)上加載基準(zhǔn)偏置電壓V
bis
，所述敏感極板(130)在自由衰減振蕩模式下，平板電容會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生敏感電流傳感信號(hào)。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微機(jī)電諧振式粘度傳感器的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度采集及數(shù)據(jù)處理模塊(400)包括傳感信號(hào)預(yù)處理單元(410)、高速高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(420)、FPGA數(shù)據(jù)處理單元(430)和微處理器MCU單元(460)，其中：所述傳感信號(hào)預(yù)處理單元(410)，用于對(duì)所述微機(jī)械諧振粘度傳感器敏感結(jié)構(gòu)(100)產(chǎn)生的敏感電流傳感信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換放大濾波，得到傳感器自由衰減模擬電壓信號(hào)Vo，并輸送至所述高速高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(420)；所述高速高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(420)，用于將所述傳感器自由衰減模擬...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉帥，杜曉輝，朱敏杰，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：