一种压电激励压电检测的谐振式音叉液体密度传感器

摘要

一种压电激励压电检测的谐振式音叉液体密度传感器，包括调谐叉体、固支体、压电激励器、压电拾振器和温度传感器。压电激励器和压电拾振器均贴装在固支体上，压电激励器将产生的交变力通过固支体传导到调谐叉体，使调谐叉体按照自身固有频率产生简谐振动，当调谐叉体浸入到被测液体中，调谐叉体的附加质量发生变化，导致调谐叉体的振动频率发生变化，通过压电拾振器拾取该振动信号实现调谐叉体振动频率的检测。调谐叉体的振动频率与液体密度是单调的函数关系，因此可实现液体密度的实时在线测量。温度传感器贴装于固支体上，实时检测被测液体温度，用于补偿调谐叉体的弹性模量变化。本发明能够实现不同温度下各种液体密度的高精度在线测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种压电激励压电检测的谐振式音叉液体密度传感器，是一 种高精度谐振式准数字传感器，属于测试计量仪表领域的，用于高精度在线 测量液体密度，其谐振元件为调谐叉体。

背景技术

密度是液体的重要物理性质，测量液体密度是医药、食品、石油化工等 诸多行业实现产品质量控制的重要手段之一。因此，液体密度的测量对企业 有着十分重要的意义。传统的液体密度测量方法，如天平称量法、密度瓶法、 浮计法等，这类方法主要是手动操作、人工读数，其测量过程复杂、采样量 大、耗时长，且易受人为因素的影响，故只能用于非连续的测量场合，不能 将物理量转换成电信号进而实现直观的数字显示和生产过程的在线测量，因 此无法实现生产过程控制的自动化。

由于液体密度的测量很容易受到温度、压力及液体粘度的影响，因此在 测量液体密度时，还需要精确测量其温度、压力以及粘度。谐振式液体密度 测量传感器不仅结构简单、尺寸小、重量轻、磨损小，而且可靠性高、测量 精度高、效率高、响应快。目前，国外已经有很多科研人员在研究利用谐振 原理测量液体密度，如英国Solartron电子有限公司的7828型密度测量传 感器，日本恒河电机制作所的便携式F D77型，Kyoto公司的DA-101型以 及美国、瑞士、德国、奥地利等国家生产的谐振式密度传感器。而我国只有 极少数谐振式密度传感器产品，所采用的方法主要有振动弦法、振动管法、 振动膜法以及振动筒法。其中，振动弦法结构复杂，易受环境与液体流动的 机械振动影响，且精度较低；振动管法使用的较为普遍，但其流量小，振型 不对称，振动频率不够稳定；振动膜法工作不易稳定，可靠性差；振动筒法 对制造工艺的要求很高，振动筒壁厚不均匀易使其振型不对称，振动频率不 稳定，且液体粘度会影响振动筒的频率。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种测量精度高、 稳定性好、可靠性高、结构简单、体积小、功耗低的一种压电激励压电检测 的谐振式音叉液体密度传感器。

本发明的技术解决方案：一种压电激励压电检测的谐振式音叉液体密度 传感器，包括：调谐叉体、固支体、压电激励器、压电拾振器和温度传感器； 压电激励器和压电拾振器均与调谐叉体呈正交的角度贴装在固支体上；压电 激励器将产生的交变力通过固支体传导到调谐叉体，压电拾振器拾取调谐叉 体的振动频率实现调谐叉体振动频率的检测；调谐叉体的振动频率与液体密 度是单调的函数关系，因此实现了液体密度的实时在线测量；温度传感器贴 装于固支体上，实时检测被测液体温度，用于补偿调谐叉体的弹性模量变化。

所述调谐叉体和固支体采用3J53恒弹合金或316L不锈钢经过精加工 一体化加工出来，两者的连接处采用半径为0.5mm的退刀槽过渡，以消除 应力对调谐叉体振动频率的影响。

所述压电激励器和压电拾振器均与调谐叉体呈正交的角度对称贴装在 固支体上，压电激励器和压电拾振器距离固支体的中心轴线距离为0.5倍固 支体内径。

本发明的原理：根据敏感元件的谐振原理，当调谐叉体与被测液体接触 时，调谐叉体的附加质量发生变化，导致其振动频率发生变化，调谐叉体的 振动频率与液体密度是单调的函数关系，以频率的变化来反映被测液体的密 度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明是一种高精度谐振式准数字传感器，测量精度高，稳定性 好，可靠性高，结构简单，体积小，功耗低，可以在线连续测量不同温度下 各种液体的密度；

(2)本发明采用调谐叉体作为谐振元件，调谐叉体采用周边固支结构， 即调谐叉体和固支体的结构是一体加工出来的，调谐叉体的振型简单，不容 易引起振型的跳变，工作时稳定可靠；

(3)本发明采用压电激励和压电检测，激励和检测方式简单，而且压 电激励器和压电拾振器的体积小、结构简单，便于贴装；

(4)本发明压电激励器和压电拾振器垂直于调谐叉体的方向对称贴装 在固支体内部，距离固支体的中心轴线距离为0.5倍固支体内径，这样检测 出的信号较强，整个检测过程容易电路实现；在进行液体密度测量时，压电 激励器和压电拾振器与被测液体不相互接触，故不需要漏电保护。

(5)本发明的压电激励压电检测的谐振式音叉液体密度传感器可用于 工业生产中液体密度的高精度在线连续测量，利于实现生产过程中的自动化 控制。

附图说明

图1为本发明的结构装配示意图；

图2为本发明的结构俯视图；

图3为本发明的调谐叉体和固支体的结构示意图；

图4为本发明的压电激励器的结构示意图；

图5为本发明的压电拾振器的结构示意图；

图6为本发明的温度传感器的结构示意图。

具体实施方式

如图1-6所示，本发明的压电激励压电检测的谐振式音叉液体密度传感 器由调谐叉体1、固支体2、压电激励器3、压电拾振器4、温度传感器5 组成。

如图2、图4、图5、图6所示，压电激励器3、压电拾振器4和温度 传感器5都贴装在固支体2上。压电激励器3和压电拾振器4垂直于调谐 叉体1的方向对称贴装在固支体2上，分别距离固支体2的中心轴线距离为 0.5倍固支体内径。

如图3所示，调谐叉体1和固支体2的结构是一体加工出来的，并采 用半径为0.5mm的退刀槽过渡以消除应力对调谐叉体1振动频率的影响。 调谐叉体1和固支体2是这个传感器的最重要的部件，其制作材料采用3J53 恒弹合金或316L不锈钢，它们的加工质量直接影响传感器的性能，故采用 精加工的方法将其加工成型。

本发明的工作过程：在空气中测量出调谐叉体的固有频率，由电路产生 一个正弦信号，压电激励器以某个具有一定带宽的频率振动并将产生的交变 压电力通过固支体传导到调谐叉体，使调谐叉体按照自身固有频率产生简谐 振动，然后由压电拾振器拾取调谐叉体的振动频率，并且将信号输出到电路 中，然后再输入到压电激励器，这样就形成了一个闭环的激励拾振系统，由 于调谐叉体身具有选频的功能，最后调谐叉体以自身的固有频率振动。测量 液体密度时，当调谐叉体浸入到被测液体中，由于压电元件和液体被相互不 接触，所以液体不会影响压电元件的正常工作。液体和调谐叉体完全接触后 调谐叉体的附加质量发生了变化，调谐叉体振动的固有频率会发生改变，通 过压电拾振器拾取该振动信号实现调谐叉体振动频率的检测。调谐叉体的振 动频率与液体密度是单调的函数关系，故可以求出液体的密度。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。