一種石英晶體微天平痕量氨氣檢測裝置制造方法及圖紙

本實用新型專利技術公開了一種石英晶體微天平痕量氨氣檢測裝置，該裝置包括敏感QCM傳感器和參比QCM傳感器，兩者分別連接在晶體振蕩電路A和晶體振蕩電路B中，所述晶體振蕩電路A和晶體振蕩電路B的信號輸出端分別連接測頻電路A和測頻電路B；并經差頻電路和數(shù)據(jù)采集卡與內置Labview數(shù)據(jù)采集處理程序的PC機連接；所述敏感QCM傳感器為表面涂覆有敏感涂層的石英晶振。本實用新型專利技術的石英晶體微天平痕量氨氣檢測裝置靈敏度高，采用單片機與CPLD相結合的測頻電路方式，提高了頻率測量的精度與范圍；受環(huán)境因素影響小；選擇性好，制作聚苯胺薄膜對氨氣具有單一的吸收性，不易受其它氣體干擾。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本技術涉及一種氣體濃度的檢測裝置，具體地說是一種應用石英晶體微天平檢測氨氣的裝置。
技術介紹
在畜禽生產當中，畜禽生長環(huán)境中NH3的含量檢測極為重要，首先NH3是一種刺激性氣體，大量排放的NH3對大氣環(huán)境形成污染，對工作人員造成身體危害。其次，NH3直接影響動物的生長與健康情況，影響畜牧業(yè)的產出。石英晶體微天平(QCM)是一種基于石英晶體的壓電效應對其電極表面質量變化進行測量的傳感器件。當給石英晶體一個電場時，在晶體某些方向則會出現(xiàn)相應的應變，這種 應變與電場強度成線性關系。如果該電場是交變電場，則在晶格內會引起一定頻率的機械震蕩，當震蕩的頻率(即晶體的固有頻率)與震蕩電路的頻率一致時，便會產生諧振，其諧振頻率為Δ/ = -(2/ /('拓石)其中&為晶體的壓電強化剪切模量，P4為晶體的密度，A為有效壓電面積，Km為晶體質量變化量。當晶體處于諧振狀態(tài)時，振蕩最穩(wěn)定，石英晶體微天平(QCM)就是根據(jù)此原理設計出來的。由于其具有特異性好、靈敏度高、成本低與操作簡單等優(yōu)點，可以檢測到低至納克的痕量物質質量的變化，因此被廣泛應用于可吸附的微量物質檢測。
技術實現(xiàn)思路
本技術的目的在于提供一種靈敏度較高、成本低、便于操作、選擇性好的應用石英晶體微天平(QCM)檢測氨氣的傳感器裝置。本技術的石英晶體微天平痕量氨氣檢測裝置，包括敏感QCM傳感器和參比QCM傳感器，兩者分別連接在晶體振蕩電路A和晶體振蕩電路B中,所述晶體振蕩電路A和晶體振蕩電路B的信號輸出端分別連接測頻電路A和測頻電路B ;并經差頻電路和數(shù)據(jù)采集卡與內置Labview數(shù)據(jù)采集處理程序的PC機連接；所述敏感QCM傳感器為電極表面涂覆有聚苯胺薄膜的晶振。所述參比QCM傳感器為AT切型的6MHz晶振。所述晶體振蕩電路為并聯(lián)型諧振電路，所述晶振工作于串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率之間，并且與外接的電容CAp CA2構成了 LG三點式振蕩器。所述晶體振蕩電路的反相器為74HC04。所述測頻電路采用單片機進行頻率測量并且利用復雜可編程邏輯器件CPLD進行分頻。所述差頻電路為主要由D觸發(fā)器構成的簡易差頻電路，所述敏感QCM傳感器的輸出信號和參比QCM傳感器的輸出信號分別輸入D觸發(fā)器的D端和觸發(fā)端Vck。所述數(shù)據(jù)采集卡為PCI-1714。本技術的石英晶體微天平痕量氨氣檢測裝置與現(xiàn)有裝置相比具有以下優(yōu)點靈敏度高，設計了單片機與CPLD相結合的測頻電路方式，提高了頻率測量的精度與范圍；受環(huán)境因素影響小，參比QCM的引入消除了環(huán)境溫度、濕度等因素對檢測結果的影響；選擇性好，制作聚苯胺薄膜對氨氣具有單一的吸收性，不易受其它氣體干擾。附圖說明圖I為本技術的氨氣檢測裝置系統(tǒng)框圖；圖2為驅動QCM振湯電路圖；圖3為測頻電路結構圖；圖4為敏感QCM與參比QCM的差頻電路圖；圖5為上位機軟件總體程序結構圖；圖6為氨氣濃度檢測曲線圖；圖7為氨氣檢測結果線性關系圖。具體實施方式本技術的石英晶體微天平痕量氨氣檢測裝置，包括敏感QCM傳感器I與參比QCM傳感器9、分別連接有敏感QCM傳感器與參比QCM傳感器的晶體振蕩電路A 2和晶體振蕩電路B 8、分別與晶體振蕩電路A和晶體振蕩電路B的信號輸出端相連接的測頻電路A 3和測頻電路B 7、同時連接測頻電路A和B信號輸出端的差頻電路4以及用于采集差頻電路輸出信號的數(shù)據(jù)采集部分；其中，敏感QCM為電極表面涂覆有聚苯胺薄膜的AT切型的6MHz晶振；晶體振蕩電路為并聯(lián)型諧振電路，晶振工作于串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率之間，并且與外接的電容CAp CA2構成了 LG三點式振蕩器，在晶體振蕩電路中的反相器為74HC04 ；測頻電路采用單片機進行頻率測量并且利用復雜可編程邏輯器件CPLD進行分頻；差頻電路為主要由D觸發(fā)器構成的簡易差頻電路，所述敏感QCM的輸出信號和參比QCM的輸出信號分別輸入D觸發(fā)器的D端和觸發(fā)端Vck ;數(shù)據(jù)采集部分包括PCI-1714數(shù)據(jù)采集卡5以及用于將由PCI-1714數(shù)據(jù)采集卡所采集到的信號在PC機6上顯示出來的Iabview數(shù)據(jù)采集處理程序。如圖I所示，本技術一種石英晶體微天平檢測痕量氨氣裝置包括含敏感QCM與參比QCM的敏感檢測部分、含振蕩電路與測/差頻電路的驅動電路部分，以及含數(shù)據(jù)采集卡與Iabview數(shù)據(jù)顯示程序的數(shù)據(jù)采集與處理部分。本技術選擇振蕩電路法作為QCM信號測量的方法，由于實際使用過程中，QCM會受溫度、濕度等非質量因素的影響，給系統(tǒng)帶來了一些不可忽視的誤差。為此，系統(tǒng)除敏感QCM外另增加了參比QCM，用以減少非質量因素引起的誤差，確保測量結果準確、可靠。所述的敏感QCM制備過程如下(I)將AT切型的6MHz晶振拆除封裝；(2)分別用酒精和去離子水清洗10次后晾干；(3)將聚苯胺水溶液均勻旋涂在晶振電極表面；(4)進行自然干燥處理。經過以上四個步驟之后在該晶振的電極表面會形成一層均勻聚苯胺薄膜。該涂有聚苯胺薄膜的晶振即為敏感QCM。所述的參比QCM制備過程如下(I)將與上述同樣A T切型的6MHz晶振拆除封裝；(2)分別用酒精和去離子水清洗10次后晾干；該空白晶振即為參比QCM。所述的聚苯胺水溶液制備過程如下(I)將IOOmL濃度為lmol/L的鹽酸溶液與IOmL濃度為lmol/L的過硫酸銨溶液混合，配制混合溶液；(2)按照硫酸胺和苯胺的摩爾比為1:1的比例制作苯胺單體，攪拌的同時往步驟(I)配制的混合溶液內滴加苯胺單體；(3)一邊攪拌，一邊向以上混合溶液中添加2滴聚對苯甲磺酸鈉；(4)將配制好的混合溶液靜置24 h，溶液顏色會慢慢變深，最后得到深藍色的聚苯胺水溶液。本技術的采用的QCM測量方法是振蕩電路法，設計電路如圖2所示。該晶體振蕩電路為并聯(lián)型諧振電路，晶體等效一個電感，工作于串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率之間，并且與外接的電容構成了 LG三點式振蕩器。振蕩器的頻率由電路中的選頻回路決定，包括CA1XA2和石英晶體(主要由晶體決定)。本電路的反相器為74HC04，它是一個3級反相器，即帶有緩沖器。因此，使用74HCU04輸出的波形邊沿比較陡峭。由于本技術采用的晶振電路中的反相器屬于聞速CMOS 74HC系列，因此該電路容易廣生寄生振蕩。為了抑·制寄生振蕩，降低環(huán)路增益，需要接入阻尼電阻R2。R2的阻值由下面的公式確定 TI-W0Cl從晶體的兩端看CAl和CA2，它們通過GND串聯(lián)成了一個電容，所以負載電容(^值等于Cr =~1-1 "CA1+ CA2綜合可知 Gi4j+CAq I^0CA1MCA2本技術所采用的測頻電路為傳感器輸出信號經過信號放大與整形等預處理后變?yōu)榉讲ㄐ盘枺缓笤龠M行頻率測量，如圖3所示。測頻部分采用復雜可編程邏輯器件CPLD (Complex Programmable Logic Device) (EPM7128)進行分頻并利用 C8051F34 單片機進行頻率測量。設計的電路具有集成度高、高速和高可靠性的特點。頻率的測量范圍達到0. IHz 10MHz，測量誤差保持在千分之一。在設計中采用單片機進行測頻，單片機外接的晶振可以為系統(tǒng)提供基準時間，利用匯編語言對單片機進行編程，使其對被測頻率信號進行計數(shù)，單片機工作流程如圖3所示。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種石英晶體微天平痕量氨氣檢測裝置，其特征在于：該裝置包括敏感QCM傳感器和參比QCM傳感器，兩者分別連接在晶體振蕩電路A和晶體振蕩電路B中，所述晶體振蕩電路A和晶體振蕩電路B的信號輸出端分別連接測頻電路A和測頻電路B；并經差頻電路和數(shù)據(jù)采集卡與PC機連接；所述敏感QCM傳感器為表面涂覆有敏感涂層的石英晶振。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：鄭守國，李淼，張浩東，胡澤林，曾新華，朱澤德，翁士狀，尤聚軍，高會議，何綿濤，
申請(專利權)人：中國科學院合肥物質科學研究院，
類型：實用新型
國別省市：