阅读说明：本技术 通过振动波的反射来测量流体性质 (Measuring fluid properties by reflection of vibration waves ) 是由 约汉·加拉格尔 于 2018-12-03 设计创作，主要内容包括：描述了系统和技术,该系统和技术利用振动换能器和反射器,该反射器与振动换能器间隔开以在振动换能器和反射器之间形成用于容纳流体的腔体,其中,使振动换能器振动以在腔体中产生波,该波从振动换能器的表面传播通过腔体中的流体,并被反射器反射以在腔体中产生反向传播波。基于振动换能器处产生的波结合反射器处产生的反向传播波,确定反射器返回给振动换能器的能量的指示。基于所确定的、返回给振动换能器的能量的指示,确定流体的一种或多种材料性质。(Systems and techniques are described that utilize a vibration transducer and a reflector spaced apart from the vibration transducer to form a cavity between the vibration transducer and the reflector for containing a fluid, wherein the vibration transducer is vibrated to generate waves in the cavity that propagate from a surface of the vibration transducer through the fluid in the cavity and are reflected by the reflector to generate counter-propagating waves in the cavity. An indication of the energy returned by the reflector to the vibrating transducer is determined based on the wave generated at the vibrating transducer in combination with the counter-propagating wave generated at the reflector. Based on the determined indication of the energy returned to the vibration transducer, one or more material properties of the fluid are determined.)

通过振动波的反射来测量流体性质

技术领域

本公开涉及获得材料的物理和流变性质的测量值，包括获得材料的零剪切粘度的测量值。

背景技术

在牛顿流体中，剪切应力与剪切速率成正比，比例常数是流体的粘度。因此，粘度作为单个参数可用于建模或限定流体的剪切应力与剪切速率之间的关系，从而建模或限定牛顿流体的流动特性。水是牛顿流体的示例。

在非牛顿流体中，剪切应力与剪切速率之间的关系并不是那么简单。发现流体的表观粘度随例如剪切应力或剪切速率变化。呈现非牛顿特性的流体包括番茄酱、蛋黄酱和油漆。对这些类型流体的流动的研究是“流变学”的领域。

传统上使用流变仪或粘度计来确定牛顿流体和非牛顿流体的流变性质。

这些装置利用了多种测量技术，但一种首选的方法是向流体提供振动刺激并测量流体的机械响应，以确定诸如储能模量、损耗模量、粘度和损耗角正切(loss tangent)等粘弹性参数。

在这样的装置中，测试流体被保持在两个受控表面之间的间隙中。一个或另一个表面的振动引起剪切波，该剪切波通过流体传播。根据现有技术，这些装置在两种明确定义的模式下工作。

第一种模式是“间隙模式”。在这种模式下，发射波的波长相较于保持样本的两个表面之间的间隙更长。对于分析至关重要的剪切速率仅由驱动表面处的速度和间隙的长度确定，并且速度场在很大程度上不受传播波的影响。

第二种模式是“表面载荷模式”。在这种模式下，间隙很大，使得从驱动表面发出的波在到达第二表面之前消散，并且样本中形成的速度分布遵循波理论。

发明内容

除了如上所述的“间隙模式”和“表面载荷模式”之外，发明人还确定了第三种模式。在本公开中，该第三种模式被称为腔体模式，并且本公开的技术利用了腔体模式。

本发明的各方面包括如所附独立权利要求所述的方法、系统和其上存储有指令的计算机可读介质，其中，该系统可以实施为设备和/或工具箱。

例如，作为本发明的第一方面，提供了一种方法，该方法为：使用振动换能器和反射器来确定粘弹性流体的材料性质，该反射器与振动换能器间隔开以形成用于容纳流体的腔体；使振动换能器振动以在腔体中产生波，该波从振动换能器的表面传播通过腔体中的流体；通过反射器反射从振动换能器的表面传播的波，以在腔体中产生反向传播波；基于振动换能器处产生的波结合反射器处产生的反向传播波，确定反射器返回给振动换能器的能量的指示；基于所确定的、返回给振动换能器的能量的指示，确定流体的一种或多种材料性质。

作为本发明的第二方面，提供了一种计算机可读介质，该计算机可读介质具有存储在其上的指令，这些指令在由系统的处理器执行时使系统执行上述方法。

作为本发明的第三方面，提供了一种装置，该装置用于使用振动换能器和反射器来确定流体的一种或多种材料性质，该反射器的表面用于反射波，并且该反射器与振动换能器间隔开以在振动换能器和反射器之间形成用于容纳流体的腔体，该装置被配置为：基于振动换能器振动而在腔体中产生波，该波从振动换能器的表面传播通过腔体中的流体，通过反射器反射从振动换能器的表面传播的波，以在腔体中产生反向传播波：基于振动换能器处产生的波结合反射器处产生的反向传播波，确定反射器返回给振动换能器的能量的指示，以及基于所确定的、返回给振动换能器的能量的指示，确定流体的一种或多种材料性质。该装置可以被配置为使振动换能器振动，或者可以通过一些其他方式使振动换能器振动。该装置可以包括以下中的一项或多项：电路、机制、处理器(例如，CPU或GPU)、存储器、显示器、FPGA和ASIC。该装置可以被包括在包括振动变压器和反射器的系统内。

作为本发明的第四方面，提供了一种系统，该系统包括：振动换能器；反射器，与振动换能器间隔开以形成用于容纳流体的腔体；用于使振动换能器振动以在腔体中产生波的装置，该波从振动换能器的表面传播通过腔体中的流体，以及用于通过反射器反射从振动换能器的表面传播的波以在腔体中产生反向传播波的装置；基于振动换能器处产生的波结合反射器处产生的反向传播波确定反射器返回给振动换能器的能量的指示的装置；基于所确定的、返回给振动换能器的能量的指示确定流体的一种或多种材料性质的装置。

作为本发明的第五方面，提供了一种系统，该系统包括：振动换能器；反射器，与振动换能器间隔开以在振动换能器和反射器之间形成用于容纳流体的腔体；装置(例如，控制器)，被配置为：使振动换能器振动以在腔体中产生波，该波从振动换能器的表面传播通过腔体中的流体，通过反射器反射从振动换能器的表面传播的波，以在腔体中产生反向传播波：基于振动换能器处产生的波结合反射器处产生的反向传播波，确定反射器返回给振动换能器的能量的指示，以及基于所确定的、返回给振动换能器的能量的指示，确定流体的一种或多种材料性质。装置或控制器可以包括以下中的一项或多项：电路、机制、处理器(例如，CPU或GPU)、存储器、显示器、FPGA和ASIC。

在本发明的上述方面中，可以基于确定的返回给振动换能器的能量的指示和粘弹性模型来确定流体的一种或更多种材料性质。

替代地或附加地，所确定的、反射器返回给振动换能器的能量的指示可以是振动换能器的品质因数。可以使用确定的品质因数和粘弹性模型来确定零剪切粘度，该粘弹性模型将确定的品质因数和零剪切粘度相关联。粘弹性模型可以随着品质因数的增加而提供增加的零剪切粘度。

可以使用确定的品质因数和粘弹性模型来确定流体的分子量，该粘弹性模型将确定的品质因数和流体的分子量相关联。粘弹性模型随着品质因数的增加而提供增加的分子量。

使用以下中的一项来确定品质因数：频率带宽、振幅和对数衰减。

所确定的、反射器返回给振动换能器的能量的指示可以是振动换能器的谐振频率。所确定的、反射器返回给振动换能器的能量的指示可以是由腔体中的反向传播波引起的振动换能器的谐振频率的变化。可替代地或另外地，使用频率和粘弹性模型来确定零剪切粘度，该粘弹性模型将频率和零剪切粘度相关联。随着振动换能器的谐振频率降低，该粘弹性模型可以提供增加的零剪切粘度。或者，随着振动换能器的谐振频率增加，该粘弹性模型可以提供增加的零剪切粘度。

可以使用确定的频率的变化和粘弹性模型来确定流体的分子量，该粘弹性模型将确定的频率的变化和流体的分子量相关联。随着振动换能器的谐振频率降低，该粘弹性模型可以提供增加的分子量。

该流体可以是聚合物流体，例如，聚合物熔体。

振动换能器在腔体中产生的波是剪切波。替代地或另外地，振动换能器可以在腔体中产生压缩波。

振动换能器可以是管，在该管中，管的内表面提供振动表面和反射器两者。

反射器可以在腔体内部上设置有受挫表面(frustrated surface)，以降低反射效率。

可以相对于振动换能器调整反射器的位置，以提供相位调节。

振动换能器和反射器可以位于没有大流速(bulk flow rate)的静态流体中，或者位于流动的流体中。流体可以流过腔体，并在延长的时间段内(例如，以所需的采样率周期性地)进行测量，以连续地监测流动的流体的材料性质。振动换能器和反射器可以在过程中是内嵌(in-line)的，其中，材料性质的测量值被记录和/或用作控制系统的输入，以控制过程。

一种系统可以包括一个或多个换能器和一个或多个反射器。例如，系统可以包括具有多个反射器的单个换能器，或者共享单个反射器的多个换能器，或者包括相同或不同数量的换能器和反射器的多个换能器和多个反射器。不同的换能器可以被调谐到材料性质的不同范围。装置可以从多个换能器获取测量值，或者组合来自换能器的测量值，或者对来自换能器的测量值执行单独的操作，并组合操作结果以确定流体的材料性质。

本发明的实施例可以提供某些优点。特别地，这样的实施例可以克服由于在高粘弹性介质中不受控制的剪切波传播所引起的当前的表面载荷技术的局限性。

另外，这样的实施方案可以具有改善的粘度范围。这是通过随粘度增加而增加Q因数提供的。对于传统技术，粘度的增加会导致Q因数的减小，从而降低谐振器的稳定性(减小谐振峰的振幅和锐利度(sharpness)会使锁相在谐振频率上并保持频率稳定性更加困难)和信噪比，从而限制了可行的粘度范围。

另外，这样的实施例可以允许测量低剪切或零剪切参数，这些参数以其他方式难以获得。本公开的技术利用了剪切波速度与零剪切粘度和材料弛豫时间之间的相关性。因此，该技术避免了当前谐振粘度测量的局限性，在谐振粘度测量中，通常在高剪切速率下获得粘度值。因此，可以通过在工业环境中潜在地实时地提供等效的零剪切粘度，更好地监测低剪切材料的性能。

此外，在获得低剪切或零剪切参数的同时，并不要求技术本身以低振动频率工作。相反，这些技术可以以相对较高的频率工作。这在工业环境中是有利的，在工业环境中，低频装置振动通常具有较高的能量密度，因此可以获得较高的信号保真度。

本发明的实施例可以被构造为不具有移动部件，从而使得与具有移动部件的装置相比，这样的实施例适用于以最少的维护进行长期服务。

由于本发明背后的原理是可扩展的，因此本发明的实施例可以以各种规模制造。例如，本发明的实施例可以从微机电(MEMs)装置变化到较大规模的装置，直至长度一米或几米或更长的装置。

本发明的实施例可以被提供为完整的设备和/或工具箱，其可以可选地排除显式的反射器组件，这在反射功能将由设置在设备的安装地点处的组件提供的情况下可能是适当的，例如当要由罐或管壁或其他现有的工厂部件提供反射时，在振荡器或振动换能器与罐或管壁之间将产生腔体振荡。

此外，本公开的技术可应用于谐振装置或常规振荡流变仪。还可以通过将驱动振荡器上的载荷作为来自强制振荡流变仪中换能器的调整应力/应变来检测腔体振荡。

可以将本发明视为或分类为腔体谐振器类型，其中，腔体内的流体的振动揭示了流体的材料性质。这样，本发明可以与其他腔体谐振器并排放置，其他腔体谐振器包括声学仪器，以及诸如速调管或磁控管等电磁波腔体谐振器、微波激射器和激光器。

附图说明

参考附图，仅通过示例详细地描述本发明，其中：

图1示出了在半无限弱粘弹性流体或牛顿流体中的传输波；

图2示出了在半无限粘弹性流体中的传输波；

图3示出了在由反射器形成的腔体中粘弹性流体的传输波；

图4示出了通过调谐波长在腔体中形成驻波；

图5示出了通过对称的径向发射在管中形成驻波；

图6示出了以扭转、纵向和横向模式振动的摆锤式和杆式机械谐振器形式；

图7示出了在半无限介质中在扭转谐振器摆锤部分中产生的剪切波；

图8示出了扭转谐振器的摆锤的截面，其中，波在由反射器形成的腔体中传输并被反射，反射器定位成在周向上围绕摆锤并且部分地包围摆锤；

图9示出了以扭转和横向模式振动的盘式机械谐振器；

图10示出了盘式机械谐振器在半无限介质中以扭转和横向模式产生剪切波；

图11示出了盘式机械谐振器以扭转和横向振动模式产生剪切波，该波在由与盘共面并偏离该盘的反射器形成的腔体中传输并被反射；

图12示出了由受挫的反射器表面抑制的反射波，其中，受挫的反射器表面周向定位在摆锤周围并且部分包围摆锤；

图13示出了被与盘共面且偏离盘的受挫反射器表面抑制的反射波；

图14示出了具有调整的反射器布置的扭转谐振器，其中，波在由反射器形成的腔体中传输并被反射，反射器周向定位在摆锤周围并且部分包围摆锤，反射器相对于谐振器表面的位置被调整；

图15示出了盘式机械谐振器，其中，剪切波在盘表面与反射器之间形成的腔体中传输并被反射，该反射器与盘共面并与该盘偏离，该盘与反射器之间的距离被调整；

图16示出了振动管中的初始波桥接；以及

图17示出了振动管中的径向波叠加。

具体实施方式

如上所述，振动换能器、流变仪和粘度计传统上以“间隙模式”或“表面载荷模式”运行。发明人已经确定了第三种模式。在本公开中，第三种模式被称为腔体模式，并且本公开的技术利用了腔体模式。

在腔体模式下，设置间隙，使得允许发射波穿过第二表面并反射为反向传播波。通过选择合适的装置架构和尺寸，鼓励朝着再生或退化振荡的方向发展。本发明有利地利用了两个波的叠加以及由此产生的能量分布曲线来返回材料性质。本发明的其他变型允许调整腔体架构或第二表面的特定形式，以创建有效的反射器，或相反地阻挠波。

牛顿流体是纯粘性的，不具有可感知的弹性。因此，从振荡表面发出的剪切波在短距离内相对快速地消散到介质中。在低频或高粘度下，波深通常足够长，足以满足间隙模式的标准，并且这是基于振荡的间隙流变仪的要求。

在较高的频率下，波深显著减小，并且满足表面载荷标准；谐振粘度计使用此模式，其中，波简单地消散到半无限介质中。波能的消散表现为谐振振荡器的阻尼器。粘度计通过例如谐振器的振幅或Q因数的变化来使阻尼效果相关来测量粘度。

非牛顿流体除了粘性外还具有一定程度的弹性。弹性性能由流体的储能模量限定，并具有增加剪切波长和增加流体穿透深度的作用。波长和穿透深度的变化会产生更复杂的阻尼效果，并且所测量的粘度变得取决于剪切速率或频率，并且在另一剪切速率下会偏离粘度，但是两者之间可以存在可扩展的相关性。

在高弹性、完全非牛顿流体中，波长和穿透深度足够大，以致于难以解析出可行的粘度读数，因此测量可靠性受到损害。

本公开的技术能够测量高粘弹性流体的流变性。特别地，本公开的技术利用会损害常规技术的高粘性或弹性流体的扩展波长和传播深度。

图1和图2示出了剪切波在半无限介质中的传播。图1示出了剪切波112的衰减，该剪切波112从振动表面110(其在平面内振荡)向半无限、低弹性的粘性介质中传播很短的距离。一小段距离后，该波消散了。随着粘弹性增加，波长和穿透深度也增加，从而将剪切波112的传播深度扩展到流体中，如图2所示。

根据本公开的技术，反射器120位于距振动表面110一定距离处，从而产生间隙并形成腔体。图3中示出了这种构造。在流体的流变特性和振动频率产生足够长的波长和穿透深度使得能够穿过振动表面110和反射器120之间的间隙的情况下，传输波112将入射在反射器上，并被反射回来成为反向传播波122。

如图4所示，将在足够长的传播深度处形成驻波112、122，从而将能量返回到谐振器的振动表面110，该驻波的包络由参考标记130表示。

品质因数或Q因数是无量纲参数，用于描述振荡器或谐振器的欠阻尼程度，并表征谐振器相对于其中心频率的带宽。较高的Q因数表示：相对于谐振器的存储能量，能量损耗率较低；与Q因数较低的情况相比，振荡消失得更慢。

通过形成驻波并向谐振器返回能量，相对于谐振器的存储能量的能量损耗率降低，从而导致较高的Q因数。

进一步增加粘弹性将增加波速，进而增加波长。更大的波长更有效地渡过腔体，从而促进能量再生。这可以通过增加谐振器Q因数来检测。当间隙为四分之一波长的奇数倍时，可以实现全耦合驻波腔体谐振。

随着流体特性变得更牛顿流体，波长缩短，腔体再生减少，并且Q因数减小。在甚至更短的波传播距离的情况下，波停止传播到反射器，因此不会发生反射，并且系统由此返回到经典的表面载荷消散模型，在该模型中，粘度与Q因数成反比。

该模型的变型是围绕轴线扭转旋转的管中的腔体干涉。在这种情况下，管的内壁是径向相对侧210、220相位分离180度的传输表面。图5示出了横跨管的直径的驻波的形成，在本文中被称为对称径向发射(symmetrical diametric emission)。随着剪切波长增加，横跨管传输的波会出现构造性叠加。使用纵向和横向模式可以观察到相同的效果，这在管内流体中产生内部剪切波和压缩波。在图5中，示出了消散波211，并且示出了守恒波212以及驻波包络230。

在上述情况下，耗散半无限流体模型(dissipative semi-infinite fluidmodel)适用于短波长，其中，粘度与Q因数的倒数相关。上述再生腔体模型(regenerativecavity model)适用于更长的波长，其中，波能被保留，并且粘弹性损耗模量(粘度)和储能模量与Q因数成正比。

无意被理论束缚，认为形成反向传播波的基础在于：在反射表面应用无滑移状况，并且该点的速度必须为零。这要求先前遵循三角函数(正弦)的自由波变为由腔体内的双曲函数(sinh)限定，从而在反射器上产生零速度，进而允许再生所需的反向传播波进行有利的180度相位翻转；参见例如林德利B.S.等于2012年3月发行的《数学与计算机仿真》第82卷、第7期第1249-1257页中发表的“振荡剪切中粘弹性层的空间应力和应变分布(Spatialstress and strain distributions of viscoelastic layers in oscillatoryshear)”，例如第2节起“上随体麦克斯韦模型中的相变引起的应力包络(Phasic strain-induced stress envelopes in the upper convected Maxwell model)”；也可以参见Mitran等在2008年10月发行的《非牛顿流体力学》杂志第154卷、第2-3期的第120-135页上发表的“有源线性和非线性微流变学的Ferry剪切波模型的扩展(Extensions of theFerry shear wave model for active linear and nonlinear microrheology)”，例如，第3.1节“粘性流体溶液(Viscous fluid solution)”。

通过违反零滑移或有效的反射条件，并在反射器处引入本文所谓的“受挫表面”，可以得到进一步的流变分析益处。特别地，反射器设置有不规则的表面，这意味着剪切波将以非垂直于局部表面的角度撞击反射器，并且将在反射器表面以不同的角度偏离入射轴，从而引起散射效果。

谐振器Q因数或频率的变化可以与修正的能量耗散相关，该修正的能量耗散是由波前与复杂表面发生破坏性碰撞而导致的。

另外，可以通过调整间隙(即，当剪切波在腔体中传播时，对振荡表面和反射器之间的距离提供周期性变化)来提供对谐振器进行控制以了解腔体中驻波参数的更多好处。这等效于通过选择性调谐腔体来调整引起Q因数或谐振频率相对变化的波长。

腔体耦合振荡器的能量增益是剪切波长的函数，剪切波长本身是零剪切粘度η₀、弛豫时间λ₀和频率ω的函数(基于上随体麦克斯韦模型)。在聚合物的情况下，已知分子量Mw是零剪切粘度η₀的函数。因此，我们观察到测量的振荡器参数(尤其是品质因数Q)与流体的物理性质之间存在许多关系：

在表面载荷模式(非受激腔体模式)下(即，与剪切波传播相比，间隙较大，并且从驱动表面发出的波在到达第二表面之前就消散了)，频率ω下的粘度可以表示为所测量的谐振器Q因数的倒数的多项式，例如：η(ω)＝{a₀+a₁·L+a₂·L²+a₃·L³+…+a_n·Lⁿ}

其中，L是Q(所测量的谐振器Q因数)的倒数，ρ是密度，a₀…a_n是缩放常数。

在腔体载荷模式下，零剪切粘度可以表示为所测量的谐振器Q因数的多项式，例如，通过以下粘弹性模型：

η₀＝{b₀+b₁·Q+b₂·Q²+b₃·Q³+…+b_n·Qⁿ}

其中，b₀…b_n是缩放常数。

在腔体载荷模式下，聚合物熔体的分子量Mw也可以表示为所测量的谐振器Q因数的多项式的形式，例如：

Mw＝{c₀+c₁·Q+c₂·Q²+c₃·Q³+…+c_n·Qⁿ}

其中，c₀…c_n是缩放常数。这是因为在聚合物熔体领域中存在将零剪切粘度与分子量相关联的已知关系，一个这样的示例为以下表达式：

log(η₀)＝3.4log(Mw)，

在广泛的分子量范围内有效。懂技术的读者将认识到文献中存在其他关系，并且这些关系可能是适用的，这取决于这些技术的特定应用，例如取决于被测量的特定流体。

可以如下获得缩放常数：通过利用一种或多种已知粘度的流体在零剪切或已知分子量下进行校准，并在适当的情况下针对密度进行校正，其中，多项式的项数根据期望工作范围内的期望精度来选择。经验发现，零剪切粘度和Q因数之间的关系良好，并且在实践中似乎作为Q因数的函数的零剪切粘度是连续且单调的。因此，懂技术的读者将认识到，使用上面列出的多项式近似对这种函数建模是很简单的，并且将根据知识进行项数的选择。

因此，在腔体载荷模式下，可以将零剪切粘度估计为所测量的谐振器Q因数的函数。还可以将聚合物熔体的分子量估计为所测量的谐振器Q因数的函数。

懂技术的读者将认识到用于逼近η₀(或随η₀变化的Mw)之间关系的其他方法。例如，可以在多个Q区域上使用分段插值(例如，分段线性插值或分段多项式插值，例如通过样条、三次或其他方式)来逼近该关系。还可以使用其他基函数进行插值，以及通过有理函数的插值(例如，通过帕德逼近)来逼近该关系。

如上所述，腔体模式不仅会导致品质因数随零剪切粘度的增加而增加(与聚合物流体(例如，聚合物熔体)的Mw增加相关联)。谐振频率也会受到影响。由于惯性质量和/或流体弹性与谐振器的耦合增加，品质因数的变化还伴随着谐振频率的变化。这可能导致与增加的零剪切粘度相关联的谐振频率降低。替代地或另外地，在某些情况下，这可能导致与增加的零剪切粘度相关联的谐振频率增加。因此，频率也可以用作腔体波形成的指示。因此，与品质因数一样，可以使用与上面关于品质因数所描述的模型类似的粘弹性模型来逼近频率与零剪切粘度或Mw之间的关系。与品质因数一样，不要求该粘弹性模型使用上面列出的多项式形式，并且可以使用多个频带上的分段插值(例如，分段线性插值或分段多项式插值，例如通过样条、三次或其他方式)来逼近该关系。还可以使用其他基函数进行插值，以及通过有理函数进行插值(例如，通过帕德逼近)来逼近该关系。

为了实现本发明，将腔体耦合到振荡器。

该振荡器可以是工作于谐振频率或谐振频率附近的谐振器，例如在振动仪器(例如，由英国莫尔顿的Hydramotion公司生产的Hydramotion XL7谐振粘度计)中使用的谐振器。

可替代地，振荡器可以是强制振动装置，例如，台湾田中的Ekron Tek公司的EKT-100H型振荡盘流变仪。

振荡器可以由计算机控制，其中，计算机进行计算以获得(估计)材料的性质。该计算机可以是台式或膝上型计算机，或平板计算机、移动装置或工业控制器，或者是能够向振荡器发送控制信号和/或从振荡器接收测量信号的其他硬件。计算机可以包含模拟或数字处理硬件，包括一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)元件，以执行诸如I/O操作和根据从振荡器获得的测量值估计材料性质等操作。这些操作中的一些或全部可以使用集成在振荡器本身中的电子硬件或计算机模块执行，也可以使用通过有线或无线接口连接在一起的一个或多个独立的单元执行。

振荡器的表面以一定的频率和振幅振动，从而产生波，该波在其紧邻的区域内发散到流体中。振动模式是扭转型或纵向的，从而产生优选的剪切波。然而，也可以使用横向振动模式产生压缩波。为了简单和优选，这里主要考虑剪切波。

第二表面位于与发射表面相距距离d处，以限定包含待测材料的腔体。该腔体不需要“捕获”流体，并且这种配置中的开口允许流体连续流入和流出腔体，因此可以在连续流动的环境中实时进行测量。

通过剪切波的频率和剪切速度来确定剪切波的波长。

在实施例中，频率保持恒定，因此波长仅随波速变化。剪切波在流体中的速度是流体粘度和弹性模量的函数。

选择间隙长度或距离d，使其与传输波的长度相当，α^-1的函数，如下所述，α^-1的函数取决于振荡器频率ω和流体的密度ρ、零剪切粘度η₀和弛豫时间λ₀，其中，α是衰减深度，即振幅衰减到最大振幅的e^-1(约37％)的深度。

对于频率约为2kHz的振荡器和高粘度牛顿流体或具有中等弹性的粘弹性流体，通常2mm至5mm的间隙长度就足够了。

根据上随体麦克斯韦模型，剪切波的传播δ由复数传播表达式给出：

δ＝α+iβ,

其中，α＝√((ρ·ω/2η₀)(√(1+ω²·λ₀ ²)-ω·λ₀))，

并且β＝√((ρ·ω/2η₀)(√(1+ω²·λ₀ ²)+ω·λ₀))。

(例如，参见北卡罗来纳大学教堂山分校的林德利B.S.的博士学位论文“粘弹性介质中的线性和非线性剪切波传播(Linear and Nonlinear Shear Wave Propagation inViscoelastic Media)”(2008)，可在线查阅，网址为https://cdr.lib.unc.edu/record/uuid：75619eb4-18a4-44a6-8ffa-1d2077bb4083)。

因此，反射器可以设置在从振荡器的表面偏移间隙长度的位置处。

为了测量振荡器的品质因数，在品质因数的定义中使用了谐振频率与谐振带宽之比：

Q＝(ω_R)/(Δω)

其中，ω_R是谐振频率，单位为弧度/秒，Δω是半高全宽(FWHM)，即，3dB点之间的带宽，在该带宽上，振动功率大于最大值的一半(或者等效地，振幅大于谐振时的最大振幅除以√2)。作为该计算过程的一部分，可以通过测量或通过估计3dB点之间的中间点(例如，3dB点的几何平均值)来明确确定ω_R。

获得了Q的值后，可以使用计算机或其他处理装置将其应用于如上所述的Mw或η₀的多项式模型，以获得零剪切粘度或分子量的估计值，已通过校准预先确定比例常数b₀…bn和c₀…c_n。

图6示出了振动表面浸入流体305中的摆锤型谐振器(bob-type resonator)310和杆型谐振器320。这样的谐振器可以用于实现本公开的技术。示出的谐振器可能具有横向振动模式350、纵向振动模式360和扭转振动模式370。

图7示出了通过扭转谐振器410产生剪切波412，该扭转谐振器410以截面示出，具有圆形截面，其中流体405垂直于扭转谐振器410的旋转轴线流动。

图8示出了流动流体505中的扭转谐振器510(以截面示出)。在扭转谐振器510的摆锤和成对的反射器520之间形成腔体，该成对的反射器520围绕扭转谐振器510的摆锤周向定位，并且部分包围扭转谐振器510的摆锤。反射器520具有弧形的截面轮廓以提供用以呈现与谐振器510同心的圆柱形壳体的一部分的表面，使得围绕扭转谐振器510的摆锤的外周的间隙是恒定的或接近恒定的(可能变化不超过平均间隙距离的20％，更优选不超过10％，更优选不超过5％，更优选不超过1％)。示出了从扭转谐振器510的表面产生的传输波512，示出了反射回扭转谐振器510的反射波522。扭转谐振器510的摆锤没有被反射器520完全包围；这允许腔体中的流体505被来自上游的更多流动的流体505代替。

图9示出了以横向振动模式650和扭转振动模式670在流体605中振动的盘式谐振器610。

图10示出了通过盘式谐振器610(以截面示出)以横向振动模式650和扭转振动模式670在半无限介质(即，不反射回盘式谐振器610)中产生剪切波612。

图11示出了设置有反射器620的盘式谐振器610，该反射器620与盘式谐振器610的盘共面并从其偏离以形成腔体。剪切波612由以横向振动模式650或扭转振动模式670(或两者)运行的盘式谐振器610产生，反射波622在腔体内从反射器620反射回盘式谐振器610。

图12示出了流动的流体705中的扭转谐振器710(以截面示出)。在扭转谐振器710的摆锤和成对的反射器720之间形成腔体，该成对的反射器720围绕扭转谐振器710的摆锤周向定位，并且部分包围扭转谐振器710的摆锤。反射器720具有一定比例(深度和宽度或波长和振幅)的粗糙、不平坦的表面，使得在扭转谐振器710处产生的剪切波712不会从反射器720干净地反射回去。反射波724被“受挫”的表面抑制，即，被驱散或至少部分地被驱散。

图13示出了以横向振动模式850和/或扭转振动模式870在流体805中振荡的盘式谐振器810。反射器820被设置成与盘表面共面并偏离盘表面。反射器820还具有面向盘式谐振器810的“受挫”表面，其具有一定规模的不规则性以引起剪切波的不规则散射/反射，抑制了反射回盘式谐振器810的剪切波824，即，剪切波824被驱散或至少部分被驱散。

图14示出了流动的流体905中的扭转谐振器910(以截面示出)。在扭转谐振器910的摆锤和成对的反射器920之间形成腔体，该成对的反射器920围绕扭转谐振器910的摆锤周向定位，并且部分包围扭转谐振器910的摆锤。在这种布置中，反射器920的表面相对于扭转谐振器910的摆锤的位置被调整(在图14中由“M”指示调整)。剪切波912在扭转谐振器910的摆锤的表面处产生，但是剪切波到达反射器920时的相位不是恒定的。该相位取决于反射器920的位置。这影响反射波926。调整可以是周期性的。例如，反射器920的位置可以以固定或变化的频率在位置之间振荡。可替代地，调整也可以是非周期性的。在摆锤具有圆形截面的扭转谐振器910的情况下，部分包围的反射器920可以线性地移动，或者可以径向地移动，使得即使反射器改变位置，间隙距离也保持恒定或基本恒定(例如，在平均间隙距离的20％、10％、5％或1％以内)。这可以通过在反射器线性移动时弯曲它们来实现-改变曲率半径以匹配反射器920增大或减小的径向位置，从而使反射器表面与谐振器910的表面保持同心，或者至少减小反射器表面与谐振器910的表面不同心的程度。

图15示出了以横向振动模式1050和/或扭转振动模式1070在流体1005中振荡的盘式谐振器1010。反射器1020与盘表面共面设置并且从其偏离。反射器1020的偏移被调整。在盘表面处产生剪切波1012，并且从调整的反射器1020返回反射波1026。随着反射器表面被调整，反射波1026依据反射器表面的位置而变化(在图15中由“M”指示调整)。

图16示出了振动管谐振器1110，管内有流体1105流过。振动管谐振器1110可以以横向振动模式1150、纵向振动模式1160或扭转振动模式1170振动。在流体1105中，从振动管谐振器1110的内表面产生剪切波。示出了初始波桥接，其中，波长等于或接近如下波长：该波长允许波跨过管的直径从一侧传播到另一侧并与来自另一侧的反向传播波相互作用。

图17示出了振动管谐振器1110中的径向波叠加。

可以通过以下编号的条款另外或替代地描述根据本公开的实施例：

条款1：机械谐振器，其以扭转模式、纵向模式或横向模式振动，从而产生剪切波；以及反射器，其位于与谐振器相距一定距离处以形成腔体，使得波传播通过腔体，在反射器处反射并由此产生反向传播波，该反向传播波调整腔体中的能量耗散，该能量耗散被检测为谐振器的品质因数和频率的变化。

条款2：如条款1所述，其中，使用频率带宽、振幅或对数衰减来测量品质因数

条款3：如条款1所述，利用压缩波代替剪切波

条款4：如条款1所述，其中，谐振器可以是杆、摆锤或盘。

条款5：如条款1所述，其中，反射器具有受挫表面以阻止波的有效反射，从而创建具有流体流变性质的品质因数的替代调整。

条款6：如条款1所述，其中，反射器的位置被单独调整以选择性地改变波的相位并改善测量。

条款7：如条款1所述，其中，谐振器是管，振动面和反射器都在管的内部。

条款8：如条款7所述，其中，波可以自由地传播到管中，从而在不到达径向相对壁的情况下产生驻波图案，并且仍然通过减小消散剪切来调整Q因数。

条款9：使用条款1到8中的任何一项将测量的Q因数与流体粘度和弹性进行关联。

条款10：使用条款1至8中的任何一项将测量的Q因数与聚合物分子量进行关联。

条款11：使用条款1至8中的任何一项将测量的频率变化与流体粘度和弹性进行关联。

条款12：使用条款1至8中的任何一项将测量的频率变化与聚合物分子量进行关联。

条款13：机械振荡器，其以扭转模式、纵向模式或横向模式振动，以产生剪切波；以及反射器，位于与谐振器相距一定距离处以形成腔体，使得波传播通过腔体，在反射器处反射并由此产生反向传播波，该反向传播波调整腔体中的能量耗散，该能量耗散被检测为振荡器传感器中应力或应变的变化。

条款14：使用条款13将测量的应力或应变与流体粘度和弹性进行关联。

条款15：使用第13条将测量的应力或应变与聚合物分子量进行关联。

本领域技术人员将进一步理解，结合本文公开的实施例描述的各种说明性的逻辑块、配置、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，上面已经大体上根据其功能描述了各种说明性组件、块、配置、模块、电路和步骤。将这种功能性实现为硬件还是软件取决于特定应用和施加在整个系统上的设计约束。技术人员可以针对每个特定应用以变化的方式来实现描述的功能，但是这种实现决定不应被解释为导致脱离本公开的范围。

结合本文公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接实施在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在两者的组合中。软件模块可以驻留在随机存取存储器(RAM)、闪存、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM)、电可擦可编程只读存储器中(EEPROM)、寄存器、硬盘、可移动磁盘、光盘只读存储器(CD-ROM)或本领域已知的任何其他形式的存储介质。示例性存储介质耦合到处理器，使得处理器可以从该存储介质读取信息，并且可以向该存储介质写入信息。替代地，存储介质可以集成到处理器。处理器和存储介质可以驻留在专用集成电路(ASIC)中。ASIC可以驻留在计算装置或用户终端中。替代地，处理器和存储介质可以作为分立组件驻留在计算装置或用户终端中。

提供对公开的实施例的先前描述以使本领域的任何技术人员能够制造或使用公开的实施例。对这些实施例的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且在不脱离本公开的范围的情况下，本文中限定的原理可以应用于其他实施例。因此，本公开不旨在限于本文所示的实施例，而是应被赋予与如所附权利要求书所限定的原理和新颖特征一致的最大可能范围。