[发明专利]基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置及检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及流体粘度测量领域，特别是涉及一种基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置及检测方法。

背景技术

粘度是流体最重要的物理特性之一，粘度特性的表征对于工程应用和基础研究都极为重要。传统的流体粘度测量方法有毛细管法、旋转法、落体法、平板法、粘度杯法等，这些传统的粘度测量方法耗时长，不能实时在线地获得流体的粘度特性，且所需要的样品量一般较大，不能满足小样品量的测量要求。

现有技术中也出现了一种粘度检测装置——载液机械共振器，通过机械谐振法进行测量，将机械共振器置于待测流体中，同时测量其在该流体中的谐振特性，从共振器传出进入流体的隐含速度场产生体积运动和剪切运动诱导的阻尼，对其他变量中的共振质量因子、共振频率和共振运动振幅均产生影响，利用这些特征参数来表征流体的粘度特性。但是该类装置多采用矩形悬臂梁结构，灵敏度低、品质因子小，导致该类传感器的测量精度较低。而且矩形悬臂梁多采用压电材料，为有线有源驱动，设计时要考虑流体导电性的影响，增加了设备成本。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置，本发明的另一目的是提供基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置的检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测装置，包括人机交互装置、检测处理电路、包含激励线圈的检测探头以及采用磁性纳米线阵列制成的微芯片，所述检测探头依次与检测处理电路和人机交互装置连接，所述微芯片用于放入待测流体中，所述检测探头用于在待测流体的正上方为微芯片提供交变磁场并检测微芯片的实时振动信号。

进一步，所述微芯片是通过模板电化学沉积法或溶液凝胶法，在第一基底上制备竖直的磁性纳米线阵列所制成的。

进一步，所述磁性纳米线阵列的密度为7-10g/cm³，直径为10-200nm，高度为50-1000nm。

进一步，所述激励线圈为带有引线的螺旋状的线圈。

进一步，所述激励线圈是采用MEMS工艺在第二基底上制作导电的螺旋线，并将螺旋线两端跳线引出所制成的。

进一步，所述检测处理电路包括锁相放大器和微处理器，所述检测探头的一端通过微处理器与人机交互装置连接，所述检测探头的另一端与锁相放大器的信号输入端连接。

进一步，所述人机交互装置包括LED触摸显示屏、开关、按钮和旋钮。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

采用所述的流体粘度检测装置的基于纳米线垂直阵列的流体粘度检测方法，包括：

S1、将采用磁性纳米线阵列制成的微芯片浸没在待测流体中；

S2、将检测探头放置在待测流体的上方且使得检测探头位于微芯片的正上方后，对检测探头的激励线圈施加交变信号，使得检测探头和微芯片之间形成互感耦合；

S3、采用检测探头检测微芯片的实时振动信号并发送到检测处理电路；

S4、采用检测处理电路对微芯片的实时振动信号进行处理后，获得微芯片的振动幅度与输入交变信号的频率之间的振动变化关系曲线；

S5、获取振动变化关系曲线的极值处的频率作为微芯片在待测流体中的谐振频率；

S6、计算微芯片在空气中与待测流体中的谐振频率之差，进而计算获得待测流体的粘度。

进一步，所述步骤S1之前还包括以下步骤：

S01、将采用磁性纳米线阵列制成的微芯片裸露在空气中；

S02、将检测探头放置在微芯片的正上方后，对检测探头的激励线圈施加交变信号，使得检测探头和微芯片之间形成互感耦合；

S03、采用检测探头检测微芯片的实时振动信号并发送到检测处理电路；

S04、采用检测处理电路对微芯片的实时振动信号进行处理后，获得微芯片的振动幅度与输入交变信号的频率之间的振动变化关系曲线；

S05、获取振动变化关系曲线的极值处的频率作为微芯片在空气中的谐振频率。

进一步，所述步骤S6，其具体为：

计算微芯片在空气中与待测流体中的谐振频率之差，进而根据下式计算获得待测流体的粘度：

上式中，η表示待测流体的粘度，ρ表示微芯片所采用材料的密度，ρ_l表示待测流体的密度，d表示微芯片的厚度，△f表示微芯片在空气中与待测流体中的谐振频率之差，f₀表示微芯片在空气中的谐振频率。