石英晶振微天平室内空气质量检测传感器的研究

摘要

石英晶振微天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)气体传感器,是以石英晶体表面敏感薄膜为敏感元件,以AT切型石英晶体为换能元件,利用石英晶体的质量一频率变化关系,将待测气体的浓度信号转换成频率信号输出,从而实现气体浓度的检测.本文以研制室内空气质量检测微传感器为目的,对石英晶振微天平气体传感器及其应用进行了深入研究,取得了以下成果:建立了阵列式QCM气体传感器动态标定系统,研制了便携式QCM传感器频率检测仪;通过实践确定了QCM传感器的制作工艺过程,制作了一批QCM湿度传感器,在QCM甲醛气体传感器及其受湿度等干扰气体的影响方面做了大量研究;建立了QCM传感器信号无线采集系统.QCM气体传感器信号的检测主要集中在微小相对频率变化量的检测上,本文根据QCM传感器的特点,设计了合理的起振、整形、差频处理电路,将QCM传感器频率的微小相对变化量调理为频率随待测气体浓度变化的方波信号,用两种方法实现了传感器信号的准确检测.方法一把差频处理后的传感器信号,通过LM331精密频压转换器,转换为可供A/D采集卡采集的电压信号,结合实验室已有的动态配气系统,建立了阵列式QCM传感器动态标定系统.方法二把差频处理后的传感器信号,送给单片机处理,研制了便携式QCM传感器频率检测仪,实现了传感器信号的采集、存储、液晶显示以及和计算机的串行通信.根据上述两种频率测量方法,研究了QCM气体传感器的制作工艺工程,试验了高分子薄膜、Pt溅射薄膜、炭纳米管薄膜等薄膜材料,研制了QCM湿度、乙醇、丙酮气体传感器和对高浓度甲醛气体有响应的甲醛气体传感器.同时,在传感器的无线应用领域,利用Ti公司的MSP430F123单片机和TRF6900无线射频收发芯片,建立了QCM传感器信号无线采集系统,为QCM传感器在无线网络中的应用,奠定了基础.

目录

文摘

英文文摘

独创性说明

1绪论

1.1石英晶振微天平传感器概述

1.2 QCM传感器的国内外发展现状

1.3开发QCM气体传感器的现实意义和应用前景

1.4本文开展的主要工作

2 QCM气体传感器的工作原理及其标定系统的建立

2.1 QCM传感器基本原理

2.1.1石英晶体的压电效应

2.1.2 QCM气体传感器的结构

2.1.3质量效应型QCM传感理论

2.1.4研究QCM传感器的关键点

2.2阵列式QCM气体传感器动态标定系统的建立

2.2.1系统工作原理

2.2.2起振和差频电路

2.2.3频压转换电路

2.2.4 A/D转换模块

3便携式石英晶振微天平频率检测仪的研制

3.1便携式频率测量方案讨论

3.2 MSP430FLASH系列单片机简介

3.2.1 MSP430F135单片机结构概述

3.3单片机频率测量原理

3.4系统硬件设计原理

3.4.1数据存储模块

3.4.2液晶显示模块

3.4.3串行通讯模块

3.5系统软件设计原理

3.5.1主程序设计

3.5.2频率测量模块程序

3.5.3数据存储模块程序

3.5.4液晶显示模块程序

3.5.5串行通信程序模块

4 QCM气体传感器的制作工艺及涂膜材料的选择

4.1 QCM传感器的制作工艺

4.1.1石英晶片的清洗

4.1.2敏感薄膜的制备

4.1.3敏感薄膜的干燥处理

4.1.4 QCM传感器成膜工艺总结

4.2涂膜材料的选择

5 QCM室内空气质量检测气体传感器的研究

5.1 QCM甲醛气体传感器的研究

5.1.1甲醛的物理性质及其危害性

5.1.2对甲醛敏感材料的选择

5.1.3各种膜材料对甲醛的响应特性

5.2 QCM乙醇、丙酮气体传感器的研究

5.3 QCM湿度传感器的研究

5.3.1 QCM湿度传感器的静态特性

5.3.2 QCM湿度传感器的动态特性

5.3.2 QCM湿度传感器和商品传感器性能比较

6传感器信号无线采集系统的建立

6.1引言

6.2无线传感器系统概述

6.2.1无线传输的理论基础

6.2.2各种无线技术比较

6.3传感器信号无线采集系统的硬件设计

6.3.1射频芯片TRF6900介绍[48]

6.3.2无线发射模块

6.3.3无线接收模块

6.3.4系统基带模块

6.4传感器信号无线采集系统的软件设计

6.4.1主程序设计

6.4.2主要子程序模块介绍

结 论

参考文献

附录A动态标定系统电路原理图

附录B便携式频率检测仪电路原理图

附录C无线采集系统电路原理图

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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