石英晶体微天平传感器在油品粘度中的应用研究

　　目前,常用的粘度计有圆筒旋转式、超声波式、毛细管压差式及落球式等[1],它们的结构复杂,并且从油品采样到得出结论所花费的时间很长,实时性较差,只适合于实验室分析,很难对油品的粘度进行有效的在线监测.为了克服传统方法的不足,我们提出了一种基于石英晶体微天平(QCM)进行在线油品粘度监测的新方法,这种方法结构并不复杂,且实时性很强,可满足油品在线粘度分析的要求.

　　1　测量原理

　　QCM是一种厚度剪切型传感器,在其石英晶体白片的两面镀上一层金属作为2个电极,由外部的一个电子振荡器来驱动,当在2个电极中加上一定的电场时,会引起QCM以一定的频率振荡,而晶体的振荡频率由下式决定[2]

　　式中:f是晶片的振荡频率;f0是晶片的基频;h是谐波数(h=1,3,5,…);tq为晶片的厚度;ρq和μq分别表示石英晶体的密度和弹性模量.假设在晶片表面的沉积膜质量不超过晶体本身质量的2%,则

　　ΔM=ρqAdtq,因此质量引起频率变化的表达式可以简单地表示为

　　式中:ΔF为频移;ΔM为晶体表面质量的改变量;A为电极面积,是与液体接触的接触面的个数.当使用单面触液型传感器时,N=1,假设在基频附近振荡(h=1),则式(2)可变为

　　当晶体表面附着液体时,由于ΔM=ρlAl,l是液体附着在晶体表面的厚度,所以

　　当液体与晶片表面接触时,晶体表面附近将建立振荡边界层,衰减的剪切波向液体中传播.辐射剪切波的衰减长度为[3]

　　式中:ρl、ηl分别表示液体的密度和粘度;ω是振荡角频率(ω=2πf0),因此

　　将式(6)带入式(4)后得到

　　因为μq、ρq、f0为常数,设k=2f1·50/(πμqρq)0·5,则

　　因此,ΔF与(ρlηl)0·57的平方根成线性关系,如果事先知道油品的密度,利用这个关系,就可以得到油的粘度值.

　　2　QCM传感器探头的设计

　　2.1　石英晶体振荡片的选择

　　厚度切变石英振荡片常用的切型是AT或BT切型,因为AT切型的石英晶体在室温下具有零温度系数,所以采用AT切型.AT切型的圆形片常常是修外形的,在主表面要镀上与片子同心的且小于石英片的电极.在这种情况下,晶体的振动限制在一个圆形区内,振动区周围石英的环形区用于限制振动的能量,从而产生“能限”现象,使晶体的振荡频率受晶片边缘固定形式的影响较小.当厚度保持不变时,凸圆形AT切型的电极化比圆形平面AT切片的电极化更为集中在片子的中心区域.为了便于安装,应选用一面平、一面凸的AT切型晶片用于电极镀银,电极半径为7 mm.虽然理论上QCM传感器的频率越高,其测量精度就越高,但是当晶振频率较高时,晶片的厚度就会减小而导致晶片脆弱及抗干扰能力差,因此在油品测量中采用的晶体频率应为