液体低频振动能吸收谱仪 本发明涉及一种测量仪器，特别是一种测量液体低频振动能吸收谱仪。
现有的液体谱学研究都是利用液体对电磁波(光波)的共振吸收在高频段进行的。例如，在紫外和可见光波段测得的是电子光谱(从约1014Hz至大于1015Hz)，即电子跃迁导致的共振吸收峰组成的谱，红外、远红外，Raman光谱一直到微波波段，测得的是分子中键间的振动和转动光谱(吸收峰)，其频率从大于1011Hz至约为1014Hz而在加磁场使该自旋及电子自旋的能级分裂后，可在较低频段实现核自旋磁共振及电子自旋共振(磁矩的进动)，频率处于约106至108Hz，它反映的是被测物的成份、结构或单键、双键的共振吸收谱。由于目前还没有在106Hz(兆频)以下工作的谱仪，因此无法对液体中的分子集团行为，包括生命液体(例如蛋白质，核酸、糖、脂的水溶液或其他溶液)中三、四级结构的集体行为及其与功能的关系(包括病变)等进行研究。
本发明的目的是研制一种振动能吸收谱仪，可在10-6至103Hz频段测量液体对弹性振动能的吸收谱，检测液体中的大分子基团、旁链、团从簇(cluster)、胶团、络合物等的集体效应和交互作用。
本发明的液体低频振动能吸收谱仪由带有扭摆筒和盛液夹层套筒的悬挂扭摆系统和计算机检测装置组成，悬挂扭摆装置地结构为：装置中有一条与地面垂直的金属扭丝，其上下两端由固定夹头和扭摆夹待，固定夹头固定在装置的座架上，扭摆的末端由一条吊丝和下垂的平衡锤连接，扭摆上还安有与地面垂直的反射镜，有一对以扭摆轴对称的永久磁铁和底部与金属扭丝垂直、开口向下的扭筒，对应每块永久磁铁的外面有电磁驱动线圈，扭筒的筒壁置于开口向上的、固定不动的盛液夹层套筒内，反射镜与准直光源，接收应变信号的差分光电池构成计算机检测装置的应变信号源；在计算机检测装置中，差分光电池一路依次连接A/D转换器、傅里叶变换器、计算机接口，另一路依次连接应变振幅恒定反馈器、应力信号发生器、D/A转换器、功放、电磁驱动线圈、傅里叶变换器、计算机接口。悬挂扭摆装置可以采用正悬挂扭摆或倒悬挂扭摆，正悬挂时不需要吊丝。改变金属扭丝的厚度、宽宽等大小规格、材料，可改变装置的共振频率，测量频率为10-5～108Hz范围。
在本仪器中，通过电磁驱动线圈施加一个交变电信量时，永久磁铁受到交变应力，从而使金属扭丝与扭筒一起建立一个与交变电信号相同频率ω的扭转振动。其运动方程为：Iθ..=M0---exp(iωt)-γθ.-(K1+iK2)θ---(1)]]>此处M0exp(iωt)是外加力矩，I为装置的转动惯量，θ为扭转角，γ为扭筒在盛液套筒中扭动时产生的粘滞力矩，K1为扭丝的恢复力矩，K2为耗散力矩。其中可算得γ=8πηLr12r12r12-r22=Aη---(2)]]>η为液体的粘滞系数，γ1,γ2分别为盛液套筒的内、外半径，A为仪器常数。装置振动一周耗散的能量(由液体和扭丝吸收的振动能)可以用应变落后于应力的相角φ来表达。解得的结果为：tgφ装置=tgφ扭丝+tgφ液体=Aωη/K1 (3)此处，A为与扭筒尺寸有关的仪器常数。当装置的强迫振动频率ω可与共振频率ωγ较时，tgφ=tgφ装置/(1-ω2/ωγ2) (4)液体与扭丝的恢复力系数K为K=K11+tg2Φ·(1-ω2/ωr2)---(5)]]>只要测得了空载(套筒中不盛液体)时扭丝的tgφ扭丝和盛液时的tgφ装置，由(3)式和(4)式即可得知液体所吸收的振动能，由(5)式即可得知液体的“切变模量”是否存在以及它随ω的变化关系。
在计算机控制装置中，由计算机通过软件产生的正弦(应力)电信号经D/A转换和功率放大输入电磁驱动线圈。由光电池接收的应变信号放大后，一部分反馈给应力发生器使保持应变(或应力)幅值的恒定，另部分与电磁驱动线圈中的应力讯号同时输入计算机，经傅里叶变换后即可得出应变落后于应力的相差和tgφ。整个过程均由计算机按测量程序自动进行并可在屏幕上实时显示tgφ-ω、K-ω曲线，也可实时或测量完成后打印图形和数据。
以下结合附图对本发明作进一步说明。
图1为液体低频振动能吸收谱仪的正悬挂扭摆装置结构图。
图2、3为液体低频振动能吸收谱仪的倒悬挂扭摆装置结构图。
图4为液体低频振动能吸收谱仪的计算机检测装置连接框图。
图5为水的tgφ与ω的关系曲线。
图1、2、3中，金属扫丝1与地面垂直，其两端由固定夹头2和扭摆3夹持，固定夹头2固定在座架14上，扭摆3的末端有吊丝4和下垂的平衡锤5，扭摆3上还安有与地面垂直的反射镜11，有一对以扭摆为轴对称的永久磁铁7和底部与金属扭丝1垂直，开口向下的扭筒8，对应每块永久磁铁7的外面有电磁驱动线圈6，扭筒8的壁置于开口向下的、固定不动的盛液夹层套筒9内，13为被测液体，反射镜11与准直光源10，接收应变信号的差分电池12构成计算机检测装置的反变信号源。15为定滑轮，金属扭丝1可采用铁丝、镍丝或其他金属和合金线制作，扭筒8和盛液夹层套筒9可采用塑料王或不锈钢和耐蚀金属制作。具体实施时，图1中的平衡锤5可采用园球或长方(或立方)体，取销座架14，将立方体平衡锤5浸入油中。
图4中，差分电池12一路依次连接A/D转换器16、傅里叶变换器17、计算机接口18，另一路依次连接应变振幅恒定反馈器19、应力信号发生器20、D/A转换器21、功放22、电磁驱动线圈6、博里叶变换器17、计算机接接18。
图5中，左纵座标为吸收的振动能相对值，右纵座标为相对模量，横座标为频率ω，曲线1,3分别是扭丝(套筒中无水)和扭丝加水(套筒中盛满水)时的振动能吸收。曲线2,4分别是扭丝(套筒中无水)和扭丝加水(套筒中盛满水)时的相对横量。
采用本发明谱仪可测量液体的共振吸收能频谱(频率10-5～200Hz，温度0～100℃)；测量液体的共振能吸收温度谱(在频率10-5～200Hz范围内的一个或若干个ω下的温度谱)；测量液体的动力学粘度随ω和T的变化，测量液体的动力学切变模量及模量相对T和ω的变化；测量液体的相变(构型的变化或组份的变化)及弛豫、电流变液的切应力和切变速率间的关系等。仪器测量相角差分率优于5×10-6。