（生物医学工程专业论文）激励响应式石英晶体粘度传感器.pdf

a b s t r a c t v i s c o s i t yi sak i n do fm e a s u r e m e n t , w h i c hi su s e dt or e f l e c tf l o wr e s i s t a n c ei nt h e l i q u i d n o wv i s c o s i t ym e a s u r e m e n ti su s e dw i d e l yi ns o m ef i e l d s ，s u c ha si n d u s t r i e s ， m e d i c i n e sa n dc i v i ll i f e s f o re x a m p l e ，i nt h em e d i c i n ef i e l d ，v i s c o s i t ym e a s u r e m e n t s o fb l o o da r eb e c o m i n ga ni m p o r t a n td i a g n o s i sm e a s u r e so fs o m ed i s e a s e s ，s u c ha s b r a i nv a sa n dh e a r tv a s i np e t r o c h e m i s t r i e s ，b a s eo i l v i s c o s i t yh a sb e c o m ea n i m p o r t a n tp a r a m e t e ri nt r a n s p o r t a t i o no fb a s eo i l sp i p e l i n et o o v i s c o s i t y h a s s i g n i f i c a n ti nq u a l i t yd i s c r i m i n a t i o no f a l lk i n d so f l u b ea n dd e t e r m i n ea l lk i n d so f f u e l o i l sc o m b u s t i b i l i t y i np e t r o l e u me x p l o r a t i o n ，a r t e s i a nw e l ll i q u i dv i s c o s i t yh a sg r e a t a s p e c tt ol i f eo fd r i l ls t e m t h em e a s u r e m e n t so fv i s c o s i t yp l a yab i gr o l ei nw e a v e ， f o o dp r o d u c t i o n ，p h a r m a c yt o o s oi th a sg r e a te c o n o m i c a la n ds o c i a lb e n e f i tt og e t v i s c o s i t yo nt i m ea n dn i c e t y t h ea a d i t i o n a lv i s c o s i t ym e t e r sh a v eal o to fk i n d s ，s u c ha st u b u l ev i s c o s i t y m e t e r , f a l l i n gv i s c o s i t ym e t e r o rs o ，t h e s ev i s c o s i t ym e t e r sh a v eal o to fs h o r t c o m i n g s ， s u c h 嬲h e a v y , n o tc o n v e n i e n tt ob et a k e n ；p r o d u c i n gd i f f i c u l t ya n dh i g hp r i c e ；w h a t s m o r e ，i tn e e d sr i g o r o u st e s t i n gt i m e ，i ti st o od i f f i c u l tt oc o n t r o lo nt i m e t h i sp a p e rb a s e so nw h e nq u a r t zc r y s t a ls e n s o ri nl i q u i di se f f e c tb yl i q u i d r e s i s t a n c e ，i ti n c r e a s e sn o to n l ye q u i v a l e n ti n d u c t a n c e ，b u ta l s oe q u i v a l e n tr e s i s t a n c e i tb a s e so nt h et r a d i t i o n a lv i s c o s i t ym e t e r s p r o b l e m s ，s y n t h e s i z i n gp i e z o e l e c t r i c i t y , e l e c t r o n i c sa n ds c mt e c h n o l o g y , d e s i g n san e wd r i v i n gr e s p o n s eq u a r t zc r y s t a l v i s c o s i t ys e n s o r w h e nh i 【g hf r e q u e n c ye x c i t e sq u a r t zc r y s t a l i nl i q u i d ，e q u i v a l e n t r e s i s t a n c ec h a n g ec a u s e st h es i g n a lo fs a m p l i n gr e s i s t a n c eb r e a d t h sc h a n g e a n d e q u i v a l e n ti n d u c t a n c ec h a n g ec a u s e st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h es i g n a lp h a s ea n d d r i v i n gs i g n a l w ec a l l u s et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb r e a d t hc h a n g ea n dp h a s e d i f f e r e n c e sa n dt h el i q u i dv i s c o s i t y ，g e tt h er e s u l to f l i q u i dv i s c o s i t y t h i sp a p e ra n a l y s e st h er e s i s t a n c es p e c i a l i t yo f q u a r t zc r y s t a li nl i q u i d ，a n db a s e s o nt h i st h e o r ya st h ep r o o f o f s e n s o r i ta l s of i n i s h e st h es t r u c t u r ed e s i g n i n go f d r i v i n g r e s p o n s eq u a r t zc r y s t a lv i s c o s i t ys e n s o ei ta l s od e s i g n sa n df i n i s h e st h ed r i v ec i r c u i t w i t hd i f f e r e n tf r e q u e n c y , i n c l u d i n gm i c r oc o n t r o l l e ru n i t ( m c u ) ，d i r e c td i g i t a l f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ( d d s ) o rs o ，d e s i g n sa n df i n i s h e st h ec i r c u i to fm e a s u r i n ga n d d a t eg a t h e r i n g i ta l s of i n i s h e st w od i f f e r e n tc o r r e s p o n d i n gc u r v e ，o n ei sa cv o l t a g e e x t e n tw i t hv i s c o s i t y , t h eo t h e ri sa cv o l t a g ep h a s ew i t l lv i s c o s i t y t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t ss h o wt h a tw h e nt h es e n s o ri si ns y n t o n i cf r e q u e n c y , i t s o u t p u t s ，b o t ha cv o l t a g ee x t e n ta n dp h a s eh a v eh i g hs e n s i t i v i t yf o rv i s c o s i t yc h a n g e i nl i q u i d s ot h ed r i v i n gr e s p o n s eq u a r t zc r y s t a lv i s c o s i t ys e n s o ro f f e r san e wm e t h o d i nm e a s u r i n gl i q u i dv i s c o s i t y 1 9o w o r d s ：q u a r t zc r y s t a l ；i m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c ；l i q u i dv i s c o s i t y ；p o w e r r e s p o n s e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫生盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲女i 目 签字r 期柳厂年m3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、江一编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：吼卫日 签字同期：年f 月j 日 导师签名：孙忙莳1 签字同期：4 年j 月弓日 第一亭绪论 第一章绪论 1 1 粘度及粘度测量的意义i i - i j 粘度是衡量液体粘性大小的物理量，是液体的个非常重要的参数。液体在 流动时，由于内部分子的相互引力和分子的1 i 规则运动，会产生内摩擦力，粘度 就是液体具有内摩擦力的表现。液体流动时，分子量越大，内摩擦力也越大，也 就是该液体的粘度越大。 在医学中，缺血性脑中风、心机梗塞、冠心病、糖尿病、肺心病及动脉粥样 硬化症等伴有血粘度升高：而出血性脑中风、上消化道出血、子宫出血等伴有血 粘度降低。血液的粘度主要受红细胞数量及其变形性与聚集性和血浆粘度的影 响。因此测定血液粘度对了解血液的流动性，研究产生微循环障碍的原因、诊断 和预防心脑血管性疾病具有重要意义。 在石油化学工业中，原油粘度是原油管道输送的一个重要指标。粘度对各种 润滑油的质量鉴别和确定用途，及各种燃料用油的燃烧性能等具有决定意义。例 如，在使用石油时，在相间的条件下，以烷烃为主要组份的石油产品粘度低，粘 温性较好，也就是粘度随温度变化而改变的幅度较小；含环烷烃( 或芳烃) 组份 较多的油品粘度较高，即粘温性较差；含胶质和芳烃较多油品粘度最高，粘温性 最差。在使用机油时首先必须正确地选择粘度：粘度过大，会导致启动困难、消 耗动力；粘度过小，则会减弱密封性能，降低机油压力、造成供油短缺，导致机 件磨损。另外在管道的设计、燃料的燃烧效率、输送过程的监测和控制等，都需 要测量粘度以达到最佳或最经济的效果。 粘度测量在纺织、食品加工、制药、原油开采等行业都有十分重要的作用。 它基本上包括了关系国计民生的各个方面。可以说，对粘度实时、准确的测量， 具有相当重要的经济和社会效益。 因此，开发用于粘度测量的仪器和方法也就显得十分重要。事实上，科学家 们早就注意到了粘度测鼙的重要性，研究并开发了许多测量液体粘度的方法和仪 器。比如，毛细管粘度计就是根据哈根泊肃叶定律设计的测量粘度的仪器。 其简单的工作原理是：当被测液体流过半径为r ，长度为1 的毛细管时，使其流量q 第一章绪论 为一定，应用哈根泊肃叶定律，毛细管两端的压强差a p 和液体粘度系数n 之 间呈线性关系，有相应的数学表达式，测出ap 就能算出柏应的粘度q ；落体 粘度计，假设个直径为d 的球在枯度为n 的垂直流体中以一定的速度自由落下 运动，在满足速度很小、球是刚性等条件下，粘度1 1 满足关系r i = k ( p 。一p ) t ， 其中p 。是球的密度，p 是液体的密度，k 是常量，它与球的直径d 和测鼍粘度的 圆管直径d 有关，它可以通过实验用标准粘度液提前测得，因此只要测定定距 离的落下时问和被测液体密度就可以求出其粘度。 从以上的陈述可以看出，直到目前，工业生产过程和试验室中，用于粘度测 量的仪器仍然l 匕较笨重，不便于携带；而且，响应时问长，难以实现实时监控： 输出信号多为模拟量，不利于长距离传输和实现自动化控制。液体粘度的实时、 准确的测量仍然是摆在我们面前的一大难题。 为此，我们设计了采用直接数字频率合成器( d d s ) 作为变频激励源，石 英晶体作为敏感元件的一种新型液体粘度传感器。 1 2 石英晶体传感器1 7 1 - 1 8 1 石英晶体传感器是以石英晶体为敏感元件，利用石英晶体的压电效应，把 被测物理量直接转换为电信号输出的一种传感器。在现代检测技术中，其应用范 围涉及航空及航天技术、环境监控技术、低温技术以及气象学、海洋学、医学、 生物化学和生命科学等领域，并且日益扩大。常用的石英晶体传感器是谐振式传 感器，被测物理量的变化转换为石英晶体等效电感的变化。通过测蕈谐振频率的 变化实现对被测物理量的测量。 按被测物理量可将石英晶体传感器主要分为以下几种： ( 1 ) 应变敏感型传感器。此类传感器中，被测物理量引起石英晶体的机械形变， 通过石英晶体的应变敏感性实现对被测物理量的测量。 ( 2 ) 质量敏感型传感器。此类传感器中，利用石英晶体谐振器的谐振参数与元 件表面连接物质的质量之闯的关系，通过石英晶体的质量敏感性实现对被测物理 量的测量。 ( 3 ) 热敏感型传感器。此类传感器中，被测物理量直接或间接影响元件的平均 温度，通过石英晶体的热敏感性实现对被测物理量的测量。 第一章绪论 ( 4 ) 声负载敏感型传感器。此类传感器中，被测物理量调制元件振动表面的超 声辐射条件，通过石英晶体的声敏感性实现对被测物理量的测量。 传统的石英晶体传感器均为谐振式传感器。被测物理量的变化引起谐振频率 的变化，利用双石英晶体( 即一个工作晶体和一个参考晶体) 的差频来测鼍谐振 频率的变化，根据差频与被测物理量之间的相关关系，实现传感测量的目的。 用于液体粘度测量的石英晶体传感器可归为质量敏感型传感嚣。 1 3 在课题上的突破和创新 利用电路等效原理，在忽略静态电容影响的情况下，石英晶体可以等效为由 电容、电感和电阻组成的串联等效电路。浸入液体的石英晶体传感器受到液体粘 性阻力作用，不仅使等效电感增加，而且使等效电阻增加。等效电感增加使晶体 的谐振频率减小，而等效电阻增加使谐振器的q 值减小。传统的石英晶体传感 器只考虑了等效电感引起的谐振频率的偏移，而忽略了等效电阻增加引起的谐振 器q 值减小。因此，当液体粘度增大到一定值时，谐振器或者停振，或者问歇 振荡，而无法工作。 本课题考虑到等效电阻和等效电感的双重影响，综合利用压电学、电子学、 和单片机技术，设计了一种新型的石英晶体液体粘度传感器。其原理是，当外加 高频信号激励浸入液体的石英晶体时，等效电阻的变化引起采样电阻上信号的幅 值变化；与此同时，等效电感的变化引起采样电阻上信号的相位与激励信号相位 之间相位差的变化，利用幅值变化和相位变化与液体粘度之间的相关关系实现对 液体粘度的测最。 在研究过程中，我主要做了如下工作： l 、分析了石英晶体传感器的主要工作原理。 2 、设计了一种新型石英晶体传感器，它包括了d d s 驱动的激励源电路部分 和信号采集电路部分。 3 、利用该传感器对不同粘度的液体进行了实验，分别做出了幅值与粘度、 相位与粘度的不同的响应回归曲线，并对其进行了分析。 第亭但感器等效电路j 探 x - 设计 第二章传感器等效电路与探头设计 2 1 液体粘度特性 液体在流动时，由于内部分子的相互引力和分子不规则运动，会产生内摩擦 力。粘性就是液体具有内摩擦力的表现，而衡量液体粘性大小的物理量即粘度。 液体粘度越大，表明分子问的吸引力越大，在流动时液体内摩擦力越大。 对于大多数液体，在层流的条件下，其流动特性可用牛顿方程来描述： f ：玎s 罢 ( 2 一1 ) 删 式中：f 为切向力，s 为作用面积，7 为液体粘度。从上式可知，液体流动时内 摩擦力f 与液体薄层之日j 的相对速度a u 和液体薄层面积s 成正比，与液体薄层 之间的距离ay 成反比。 ， 剪切应力为作用在单位面积上的内摩擦力，用t 表示，其数值为： 。：! ( 2 2 ) s 则液体流动方程可表达为： t = 刁_ o u( 2 3 ) t2 刁_ 【2 j j 卵 牛顿流动定律表示了剪切应力t 与切变速率成正比。 2 2 石英晶体特性 2 2 1 石英晶体 石英晶体，其分子式为s i 0 2 ，密度为2 6 5x1 0 3 k g m 3 , 模式硬度为7 ，有高达 1 7 5 0 0 c 的熔点，极难溶于水，它的热膨胀系数仅为钢的! 3 0 ，机械滞后是优质钢 的1 1 0 0 ，长期稳定性十分良好。 第一：亭传感器等效电路与探头设计 用来制造压电石英的石英晶体都是低温型a 石英，当温度达到5 7 3 0 c 时便转 化为高温型b 石英，失去压电性。 a 石英属于3 2 点群三角晶系，从晶体的形成结构可知，它的晶轴系有三次轴 ( c 轴) 和三个互成1 2 0 度夹角的二次轴( 分别为a 、b 、d 轴) 。 2 2 2 石英晶体的压电效应 2 2 2 1 压电效应 压电效应是可逆的，它是i f 压电效应和逆压电效应的总和。 当某些电解质沿一定方向受外力作用而变形时，在其一定的两个表面上产生 了异种电荷，当外力去掉时，又恢复到原来不带电的状态，这种现象叫做正压电 效应。电解质受力产生的电荷与外力的大小成正比，比例系数为压电常数，它与 机械形变方向有关，对一定的材料和一定的方向则为常量。电解质受力产生电荷 的极性取决于形变的形式( 压缩或伸长) 。 2 2 2 2 石英晶体的压电效应 石英晶体之所以具有压电效应，是与其内部结构分不开的。组成。石英晶体 硅离子s i 4 + 和氧离子0 2 一在垂直于z 轴的x y 平面上的投影位置如图所示。 图2 1a 石英晶体压电机理示意图 当晶体未受力作用时，正负离子( 即s p 和0 2 一) 正好分布在正六边形的顶点 上，形成了三个互成1 2 0 度夹角的电偶极矩p 、p 。和p 3 ，此时正负电荷中心重合， 第一i 亭传感器等效电路与探又设计 电偶极矩的矢量和等于零，即p 。+ p 2 + p 3 = o ，因此，此时的晶体表面没有带电现 象。 若晶体受某一方向的压力作用时，晶体受到压缩而产生形变，因此正负离子 的相对位置也随之发生变化，此时正负电荷中心不再重合，电偶极矩之和也不再 为零，即：p ，+ p p 3 0 或p + p ? + p 。 0 ，其中受拉力时大于0 ，受压力时小于0 。 但必须指出的是，对z 方向无论施加什么力，都不会产生压电效应。 2 3 石英晶体的压电方程 2 3 1 石英晶体的弹性方程 我们再研究压电晶体时，将它看成弹性体，也就是i 兑，在弹性限度的范围内 来研究它。石英晶体的弹性方程遵从力学规律，可用弹性方程描述： t _ = c s ( 2 - 4 ) 其中t - t l t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 s = s t ( 2 - 5 ) 是应力张量，s = s 1 s 2 s ， s 4 s ， s 6 弹性刚度常数c 的矩阵表达式如下： 厂。：。， ic 1 2 c l l c 1 3 lc 1 3 c 1 3c 玎 c = l 40 。 looo l 是应变张量 0 o 0 o c 1 4 l 2 ( 0 1 1 c 1 2 ) o o o o 吼 钆oo o 第一：亭传感器等效电路与探头设计 弹性柔度常数s 的矩阵表达式如下 s 俺营s 1 3 s14 2 3 2 石英晶体的介电常数 石英晶体是电解质，它的介电性质遵从电学规律，可用介质方程来描述： d = - ee ( 2 - 6 ) 其中，。= 是d 3 是电位移量；e = f 塞 是电场强度矢量； 0 ：；。 是介电常数。 2 3 3 石英晶体的介电性质 对石英晶体施加电场e 时，晶体的应力张量或应变张量均产生了与e 成正比 的值，其关系式为： s = d 1 e( 2 - 7 ) t ：e 1 e ( 2 8 ) 、iij 。 ) 2 s 4 o o o o 确 2 4 4 o o o o 轧两 e o 0 ，。l = 第_ 亭传感器等效电路与探头设计 是压电应变常数 f兰：f享!享兰：。三_、iti兀110墨。堇 叭 蜘 、i l l 、 o m o 一 4 o 也0 “o o o o 0 d 0 o 用， 扣 中其 o o e o o ，l + n n n n n 、叫j o 之 4m o o o o 0 d o o d o o 第_ 亭传感器等效电路与探头设计 即：s = s t + d 7 e d = d t + ee ( 2 9 ) ( 2 一l o ) 我们称之为第一类压电方程。同理可得以应变和电场强度为自变量，应力和 电位移为因变量的第二类压电方程，是数学表达式为： t = c s - e e d = ee + e s 2 4 石英晶体等效电路h 1 j 7 l ( 2 一1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 若在石英晶片上加交变电压，由于压电效应，晶片中就有电流通过，流过晶 片的电流大小与外加电压的频率有关。当= 5 i - n 电压的频率等于晶体的固有频率 时，晶体就发生共振，此时振荡幅值达到最大，压电电流也最大。 流过晶片的压电电流的相角与外加电压的频率有关。若外加电压的频率高于 晶片的自然谐振频率时，流过晶片的压电电流滞后于# l - j j n 电压，这时晶片呈感性； 当外加电压的频率低于晶片的自然谐振频率时，压电电流超前于外加电压，则品 片呈容性。这种现象表明，石英晶体谐振器具有和l c 串联谐振回路相类似的相 位频率特性。考虑到晶片引线电容的存在，通常，石英谐振器的等效电感l 很 大，而等效串联谐振电阻r 很小，所以晶体的q 值很高。( q u l r ) 可以看出，当外加电压的频率等于晶体的串联谐振频率c t ，q 时，其电抗为零， 当外加电压的频率低于晶体的串联谐振频率时，其电抗呈容性。当外加电压的频 率高于晶体的串联谐振频率时，l 、c 串联谐振，电路呈感性。但是当感抗增加到 一定值时，刚好与晶体的引线电容c 。产生并联谐振，则其阻抗很高，晶体的并联 谐振频率为t ，p 。当1 0 ) u p 时，晶体的等效电路再次呈容性。可见，外加电压的 频率只有在u q 和u p z 问的一个极窄的范围内，晶体才呈感性。 第亭传感器等效电路与探头设计 图2 2 晶体阻抗频率特性曲线 由以上的分析可知，石英晶体具有两个谐振频率。当l 、c 、r 支路串联谐 振时，等效电路的阻抗最小，串联谐振频率为： 2 丽1 当等效电路产生并联谐振时，其并联谐振频率为： l ，= ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 据此可以将石英晶体谐振器分为串联式和并联式振荡器。串联式晶体振荡器 中的晶体起选频作用，使振荡器工作在晶体的串联谐振频率或接近串联谐振频率 上，以完成能量的正反馈，因此也就不能产生振荡。并联式晶体振荡器的晶体作 为一个感抗元件和回路的其它元件一起构成振荡回路，此振荡凹路处于并联谐振 状态，工作稍高于晶体串联谐振频率的某一频率。 无论串联式晶体振荡器和并联式晶体振荡器，都必须工作在m q 和u p 之间 的狭窄的频带上。因此，使晶体振荡器能够稳定的振荡，也就成为非常重要的课 题。 在石英晶体谐振电路中，石英晶体可以等效为以下电路： 第_ 亭传感器等效电路l j 探头设汁 石英晶体等效电路 电阻r l 图2 3 晶体的等效电路 其中l 为动态等效电感，反映晶体的质量；c 为动态等效电容，反映晶体的 弹性；r 为动态等效电阻，反映晶体的损耗；c o 为静态电容，是以晶体为介质、 银作电极构成的静态电容及引线、装配的分布杂散电容的总和；r l 为外接电阻。 当石英晶体放入液体中时，随着振荡频率的变化，由以上的分析可知，石英 晶体阻抗值z 也随之发生变化，当发生串联谐振时，其阻抗值达到最小，也就是 说谐振阻抗最小，设其为z 。，而又因为电源u s 为定值，外接电阻r l 也为定值，因 此此时输出的外接电压u 。也就达到最大。因此只需测量出最大的输出电压u o 也就 能知道谐振点的位置，也就能根据此测定出液体的粘度值。 2 5 石英晶体探头设计 2 5 1 设计依据 石英晶体探头的结构对传感器的性能起着关键性的作用。理论分析和实验均 表明，石英晶体的敏感区主要集中在被银电极所覆盖的区域，边缘的敏感作用可 忽略不计，这就是所谓的能量局部化效应。因此在制作探头时应尽量减小晶体封 装应力，粘接处远离电极区；同时，应保证液体不渗漏，以达到传感器表面单面 触液的要求。 第亭传感器等效电路与探头设计 2 5 2 石英晶体的选择1 1 8 h 1 9 】 石英晶体作为传感器的敏感元件，对它的选择主要考虑以下几点： l 、石英晶体的厚度小，固有谐振频率高，粘度敏感性高，粘度敏感范围小；相 反，石英晶体的厚度大，固有谐振频率低，粘度敏感性低，秸度敏感范围大。 2 、石英晶体的频率特性与温度有关，温度是传感器漂移的主要因素。因此制作 传感器时，应选择温度稳定性好的石英晶体。 3 、应选择具有能量局部化效应的石英晶体。 2 5 3 石英晶体电极引线的结构 石英晶体传感器属于机一电变换器。它利用逆压电效应将激励源的电能转换 为石英晶体应变产生的机械能；同时，液体的粘性阻力作为机械负载又作用到石 英晶体传感器上，由于压电效应，引起激励电流的变化。具有被银电极的石英晶 片必须通过电极引线接入激励电路，引线过硬或过粗，会产生附加的机械应力作 用到石英晶片上，引起传感器性能变坏。如果引线与电极表面连接得不好，比如， 导电性能不好，将引起石英晶体品质的下降，系统能量损耗增多，测量范围下降。 另外，引线的长度也应尽量小，否则，由于引线寄生电容过大，而影响石英晶体 的品质因子。总之，引线质量的好坏将直接影响石英晶体传感器的性能和使用。 考虑到沿厚度方向作剪切振动的石英晶体具有能量局部化效应，所以本设计 采用a t 切型的石英晶体。同时对石英晶片做倒角处理，以消除边缘效应的影响， 保证振动能量仅限于被银覆盖的中心区域。为此，设计了如图2 4 、2 5 所示的 引线方式。用单根漆包线作为引线与晶体电极表面用导电胶粘接。粘接时，将引 线一端蘸取导电胶少许，贴于图示晶体电极边缘倒角处，在2 5 0 0 c 下用两小时时 间烘干，使引线与晶体牢固连接。 第亭传感器等效电路与探头设计 图2 4 被银电极图图2 - 5 引线图 这种引线方式有以下几个优点： l 、引线与晶片在边缘电极接触，对石英晶片特性影响小； 2 、导电胶含有银粉，导电率高； 3 、引线与晶片连接牢固； 4 、封装应力小，不易损坏晶体。 2 5 4 探头结构设计 传感器的探头设计是石英晶体液体粘度传感器的一个重要部分。实验表明， 将石英晶片封装于传感器的探头上时，与石英晶片的引线粘接一样，由于受封装 应力的影响，也会使传感器的惟能变坏。 探头设计的理论基础仍然是石英晶体传感器的能量局部化效应。根据前人的 研究，应用双频激光干涉仪观察a t 切型石英晶体谐振器表面的剪切位移分布， 可发现，x 方向的振动主要集中在圆形电极半径之内，并在电极中心达到最大； z 方向振动位移与x 方向相比很小，可以认为晶体的振动位移主要是x 方向上。 因此，在石英晶体电极半径以外的区域封装，对传感器的影响不会太大。 实际设计时，由于石英晶体的应力敏感性，传感器安装一方面需要保证石英 晶体进入液体时，液体不能泄漏到探头内部，同时又不能对传感器施加过大的压 力和产生过大的接触面积，否则，就会降低石英晶体传感器的品质因子，从而影 响液体中石英晶体传感器的工作性能。传感器探头结构如图2 - 6 所示。 第亭传感器等效电路与探头设计 图2 - 6 探头结构 在探头中，石英晶片与晶片座用玻璃胶粘接，这种胶的流动性好，而且在远 离中心的电极区域进行粘接，减少封装应力，降低封装对谐振器性能的影响。用 漆包线作为电极引线，柔韧性好，而且不会造成两电极的短路。探头顶端为信号 引出线。 该探头具有以下优点： ( 1 ) 体积小，使用方便； ( 2 ) 整体结构牢固，耐冲击，可靠性和稳定性好。 2 6 激励响应式石英晶体粘度传感器系统结构 激励式石英晶体粘度传感器由两个石英晶片组成，一个作为测量晶片，置于 被测液体中：另一个作为参考晶片，置于空气中，工作在空载状态下。用变频驱 动电路同时激励两个石英晶片，激励响应信号分别在与两个石英晶片串联的取样 电阻上采集。将采集到的两个响应信号经放大后输入到混频器( 乘法器) 中，经 低通滤波器滤除掉其高频信号，将得到的低频信号经a d 转换后送入单片机。由 单片机软件可分别得到测量晶片响应信号的幅值与相位。利用标准粘度液，通过 回归方法得到幅值一粘度、相位一粘度响应曲线。利用这些响应曲线获得被测液 体的粘度值。 第亭传感器等效电路与探头设计 系统结构图2 7 所示。 图2 7 系统结构框图 第三亭传感器变颧马 c 动电路的设计 第三章传感器变频驱动电路的设计 浸入粘性液相介质中的石英晶体其等效电阻和等效电感均会随液体的粘度 变化而变化。当采用变频驱动电路激励该石英晶体时，其幅度频率特性和相位 一频率特性也会随着液体的粘度变化而变化，传感器变频驱动电路就是为测得石 英晶体的频率特性而设计的。该驱动电路采用单片机( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ) 控 制下的直接数字频率合成器d d s ( d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ) 驱动石英 晶体传感器，同时由键盘控制单片机实现频率的连续扫描及单步扫描，由液晶显 示器显示出相应的驱动频率。 m c u 控制下的d d s 扫描系统主要由m c u 、d d s 、l c d 显示器和键盘等主 要部分构成，如下图所示： 8 9 s 5 2 控制 p o o p o i p 0 2 p 0 4 p 2 0 p 2 1 p 2 2 s g 8 0 0 2 d c 哮蝉 l l o u tl 2 5 7 8 a d 9 8 5 0 f _ d d s 、 c l k i n s e r j a l l o a d wc l k f q u d 键盘 l c m l 4 1 ( 液晶显示) d a t a w r c s 图3 1m c u 控制下的扫描电路结构 6 第三章传感器变频骀动电路的设计 3 1 单片机控制系统 3 1 1m c u 概述 m c s 5 1 是个单片机系列产品，具有多种芯片型号。具体地说，按其内部 资源配置的不同，m c s 5 1 可以分为两个子系列和阴种类型，而两个予系列就是 5 1 和5 2 ，5 1 系列是基本型，而5 2 系列是增强型，以芯片型号的最未位数字的 “l ”或“2 ”作为标志。 8 0 c 5 1 系列是m c s 5 1 系列8 0 5 1 芯片的基础上发展起来的。首先，与8 0 5 1 兼容是对8 0 c 5 1 芯片的最基本要求，以确保8 位单片机m c s 5 1 系列的继续发 展。兼容包括指令、引脚信号、总线等多个方面，指令兼容性能保证两者之间不 存在指令障碍以维持软件的可移植性，而引脚和封装以及总线的兼容则确保两者 在系统扩展和接口方面的一致性，有利于系统的开发与应用。 3 1 28 9 s 5 2 系列单片机 8 9 s 5 2 是在8 0 c 5 1 的基础上发展起来的，具有8 k b 片内e e p r o m 的单片机 芯片。8 9 s 5 2 系列包括的基本结构如下： 1 、一个8 位算术逻辑单元 2 、3 2 个i o 口，4 组8 位端口可单独寻址 3 、3 个1 6 位定时计数器 4 、全双工串行通信 5 、6 个中断源两个中断优先级 6 、2 5 6 字节内旨r a m 7 、独立的6 4 k 字节可寻址数据和代码区 每个8 9 s 5 2 处理周期包括1 2 个振荡周期，也就是说每1 2 个振荡周期来完 成一项工作。 第三章传感器变频驱动电路的设计 3 2 变频信号发生器 3 2 1 频率合成简介 为了实现波长的快速扫描，采用具有频率范围宽、分辨率高、快速转换的频 率合成器是本课题的关键所在。 目i i 较为常用的频率合成技术有锁相环式频率合成法和直接数字频率合成 法。锁相环式频率合成法利用锁相环把压控振荡器( v c o ) 的频率锁定在基础 频率上，在锁相环中放入可编程分频器，可以实现在微机控制下的频率扫描。具 体电路如下： 由为鉴频器；l p f 为低通滤波器：d i v i d e r 为分频器；m 为混频器 图3 2 锁相环频率合成原理图 混频器可用作频率的加法或减法，环路锁定后，v j 和v 。的相位相同。假设由于某 种原因使v ，的相位稍稍偏离v 。的相位，会引起v 。的变化，从而使前者向后者靠拢， 自动将v 。锁定在v 。上。由上图可知，环路锁定后有： v 2 = v 3 + n + v l 这种合成器的不足之处在于合成器在对频率进行运算过程中，往往会产生一 些新的频率成分。这就可能对信号的正常处理过程形成干扰，从而使输出信号出 现无用的寄生频率。这些干扰信号将对压控振荡器进行寄生调频而产生无用的 干扰边带。另外，因为合成器必须对信号进行大量的运算处理，所以机构复杂、 价格昂贵、调节圃难。 第二亭任感器变频马 i 动电路的设计 3 2 2 直接数字频率合成器( i 【s ) 工作原理【2 0 h 2 2 j 出现于上世纪7 0 年代初期的直接数字频率合成技术( d d s ) 是一种全新的 频率合成技术的代表。在这种技术中，微处理器直接参与频率合成，使系统的硬 件全部数字化。它的频率转换速度快，频率、相位和幅度可控，频率的稳定性与 系统时钟稳定性在同一个数量级。d d s 技术从相位的概念出发进行频率合成， 由于这种方案采用数字计算基数，因此人们把这种方法称为直接数字频率合成 法。它的基本原理是建立在不同的相位给出不同的电压幅度的基础上的，在个 周期内给出按一定电压幅度变化规律组成的波形。 其基本原理是：把正弦函数在一个周期内分成尽可能小的若干点，求出相应 的正弦函数值，用二进制表示，写入r o m 中，构成一个正弦函数表。合成频率 时，通过相位累加器的频率控制码来改变相位增量，相位的增量不同，将导致一 周内的取样点不同。由于取样是在系统的时钟控制下进行的，因此根据相位累加 器所对应的点，从r o m 中读出的函数值所形成的量化正弦波的周期也随相位增 加量的改变而改变，从而实现对所需频率的合成。 下图所示为d d s 的原理图： 图3 3d d s 原理图 3 2 2 i 相位累加器部分 相位累加器由n 位加法器和n 位累加寄存器级连构成。每来一个时钟脉冲， 加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位相加，把相加后的结果送至 第三章传感器变频驱动电路的设计 累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟作用后所产生的新 相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在f 一个时钟的作用下继续与频率 控制数据相加。这样，相位累加器在参考时钟的作用f ，进行线性累加，当相位 累加器累加满量时就会产生一次溢出，完成一个周期性的动作，这个周期就是 d d s 合成信号的一个频率周期，累加器的溢出频率就是d d s 输出的信号频率。 3 2 2 2 相位幅值转换部分 用相位累加器输出的数据作为取样地址，对i f 弦波波型存储器进行相位一幅 值转换，即可在给定的时间i - 确定输出的波形幅值。 3 2 2 3 数模转换部分 d a c 将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号， 低通滤波器用于衰减和滤除不需要的取样分量以便于输出频谱纯净的正弦波信 号。 对于计数容量为2 n 的相位累加器和具有m 个相位取样的i f 弦波波形存储器， 若频率控制字为k ，i i i d d s 系统输出信号的频率为f o = f c x k 2 n ，而频率分辨率为 af _ k 。= f c 2 n 。 3 2 2 4d d s 的性能特点 d d s 在相对较宽、频率转换时问、相位连续性、正交输出、高分辨率以及集 成亿等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，为系 统提供了优于模拟信号源的性能。 1 、极快的频率切换速度 d o s 是一个开环系统，为任何反馈环节，频率转换时问主要由l p f 附加的时延 来决定。如f c = i o m h z ，转换时间即为l o o n s ，若时钟频率升高，转换时间将缩短， 但不可能少于数字门电路的延迟时间。目前，d d s 的协调时间一般在n s 级，比使 用其它的频率合成方法都要短数个数量级。 2 、极高的频率分辨率 由f = 如。= l 2 n 可知，只要增加相位累加器的位数n a p 可获得任意小的频率 协调步进。大多数d d s 的分辨率在h z ，m h z 甚至高于m h z 的数量级。 第三亭传感器变频驱动电路的设计 3 、低相位噪声和低漂移 d d s 系统中合成信号的频率稳定度直接山参考源的频率稳定度决定，合成 信号的相位噪声与参考源的相位噪声相同。而在大多数d d s 系统应用中，一般 由【嗣定的晶振来产生基准频率，所以其相位噪声和漂移特性是极为优异的。 4 、连续的相位变化 同样冈d d s 是一个开环系统，故当一个转换频率的指令加在d d s 的数据输入 端时，它会迅速合成所要求的频率信号，在输出信号上没有叠加任何电流脉冲， 输出变化是一个平稳的过渡过程，而且相位变化是连续的，这个特点也是d d s 独有的。 5 、在极宽的频带范围内输出幅度平坦的信号 d d s 的最低输出频率是所用的时钟频率的最小分辨率或相位累加器的分辨 率。奈奎斯特采样定律保证了在直到该时钟频率一半的所有频率下，d a c 都可以 再现信号，b p d d s 频率的上限f 。由合成器的最大时钟频率f c 决定( f 一，= l 2 ) 。 6 、易于集成、易于调整 d d s 中几乎所有的部件都属于数字信号处理器件，除d a c 和滤波器外，无 需任何调整，从而降低了成本，简化了生产设备。 3 2 2 5d i s 的应用1 2 3 i 【2 5 l d d s 在问世之初，构成d d s 元器件的速度的限制和数字化引起的噪声，这 两个主要缺点阻碍了d d s 的发展与实际应用。近几年超高速数字电路的发展以 及对d d s 的深入研究，d d s 的最高工作频率和噪声性能已接近并达到锁相频率 合成器相当的水平。随着这种频率合成技术的发展，其已经被广泛应用于通讯、 导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。 1 、实时模拟仿真的高精密信号 在d d s 的波形存储器中存入了正弦波形以及方波、三角波、锯齿波等大量 非正弦波形数据，然后通过手控或用计算机编程对这些数据进行控制，就可以任 意改变输出信号的波形。利用d d s 具有的快速频率转换、连续相位变换、精确 的细调步进的特点，将其与简单电路相结合就构成精确模拟仿真各种信号的最佳 方式和手段。这是其它频率合成方法不能与之相比的。例如它可以模拟各种各样 第三事传感器变频骆动电路的设计 的神经脉冲之类的波形，重现由数字存储示波器( d s o ) 捕获的波形。 2 、实现各种复杂方式的信号调制 d d s 也是一种理想的调制器，因为合成信号的三个参量：频率、相位和幅 度均可由数字信号精确控制，因此d d s 可以通过预置相位累加器的初始值来精 确的控制合成信号的相位，从而达到调制的日的。 现代通信技术中的调制方式越来越多