OPTICSANDPRECISIONENGINEERING文章编号102924X(2001)06-0565-03—种新型Lamb波微量液体密度传感器的研制施文康，韩韬，马伟方，侯毅(上海交通大学信息检测技术与仪器系，上海200030)摘要：密度是表征物质性质的一个重要物理参数。介绍了一种新型液体密度传感器的研制。有别于目前沿用的振动式、超声波式液体密度传感器，这种基于Lamb波的传感器具有灵敏度高、响应快、所需试样最少等优点。本文详细叙述了该传感器的基本工作原理、所采用的相位差测最原理、检测系统和实验，取得了理想的结果，展示出良好的应用开发前景。关键词：密度测量：微量液体；Lamb波；相位检测；密度传感器中图分类号:TP212文献标识码:A2传感器基本原理Dec.,2001密度是表征物质性质的一•个重要物理参数。在生物医学领域，人们通过测量体液密度和粘度,来研究人体的各种生命行为，了解人体健康状况。准确测量的血液密度结合其它指标，可用来判别血液里是否含有爱滋病病毒I11O目前，测定密度的仪器冇浮子式密度计、振动式密度计、放射性同位素式密度计和超声波密度计等，但这些密度计存在着这样那样的问题，有的不能实现在线测量、有的测量的精度比较低、或者价格高、响应慢、试样需求呈比较大、有的对人体健康冇害等等㈢。随着声学技术的深入研究，各种声学传感器以其特冇的体积小、灵敏度高等优点展现出良好的应用前景。由于瑞利波模式的声表而波在传播过程中介质粒子沿基片表而法线方向上有一个振动分量向液体内部辐射能量，导致衰减严重。人们利用其它模式的表面波，如：乐甫(Love)波、剪式水平声板波(SH-APMWave)、Lamb波等尝试测量液体密度等参数.以保持优点并克服缺点。就灵敏度而言，Lamb波传感器的最高*31o但目前的Lamb波密度传感器对基片加工要求较高。主要表现在基片表面需要Zn()的导层，该导层的厚度和均匀性都对器件影响很大'纠。基于这些考虑，本文借鉴板波的结构〔51,研究应用Larnb波⑹的新型结构的液体密度传感器,取得了较好的效果。该传感器的结构如图1所示,采用的LiNbOa压电晶片的上、下表而经精细抛光加工并相互平行。晶片的上表面为被测液体。而下表面为一对叉指换能器。其中叉指换能器IDT】激发Larnb波，而IDT2用于接收激发叉指换能器传来的声波。在压电晶体上，激发义指换能器激发出瑞利波、浅表体波和在板内传播的Lainb波。声表面波沿着激发的表而传播,而浅表体波则从表而向晶体内部传播，但由于传播角度比较小，它没有达到有液体的表而。这样在激发过程中，这两种声波与液体的性质的改变没冇关系。而Lainb波则是经过压电晶片上、下表面的儿次反射后传到接收叉指换能器上，且反射角与液体的性质有关。所以当液体性质发生变化时，Lamb波的特性将发生变化。在本设计中，由于叉指换能器不与液体直接接触,冇效地克服了衰减和腐蚀性液体对叉指的影响。Lamb波是板波的一种，其传播特性随着压电晶片切向、归一•化厚度、基片的边界条件等W素而改变。对于反对称型的Lamb波而言，其相速度、群速度、群延迟、插损等将发生变化。如果晶丿|7液体界面的液体密度发生变化，改变了晶丿Y的边界条件，最终导致了Lamb波相速度的变化,即：收稿日期：200h08-20;W日期:200F08-233检测系统设计在进行相位差的检测中，一般采用的是硬件方法，这种方法的检测粘度完全取决于硬件，这样在一定程度上限制了传感器的测量粘度。这里采用了软件锁相方法来高精度地测量相位差,从而得到延迟时间量的变化。传感器的检测系统如图2所示。系统包括信号发生系统，给ID。提供足够功率的高频正弦激励；信号采集、调理系统，IDT?接收的信号经放人、滤波输入A/D转换;信号处理系统,A/D转换信号经微处理器预处理后，传至PC机进行相位算法运算，得到测量结果。相位检测的基木原理如下：加在叉指换能器IDT】上的激励信号为标准正弦信号：y(t)=B9sinf4+9丿(2)Larnb波经过传播，到达接收义指换能器IDT2后转换成电信号为带有噪声N(t)干扰的同频正弦信号s(t),冇：S(t)=x(t)+N(t)=A・sin(5+9++N⑴(3)其中的W就为激发到接收转换后的两个电信号的相位差。假设N(t)为高斯干扰信号。以激励信号相位超前9(r所得到的信号作为参考信号，其可写为...