提高压电传感器信噪比的数据处理新方法研究与应用

摘要

石英晶体微天平(QCM)是一种高灵敏的质量传感器，其信号测定方法有振荡电路法和阻抗分析法两种。阻抗分析法是一种高级的测量方法，它通过高频阻抗计进行阻抗扫描测定可获得压电传感器的多种化学信息。本论文在编写阻抗计与计算机的联机程序时，将多种数据分析方法加入程序中，实现数据的动态采集和分析，大大提高了QCM的信噪比，主要工作如下： 1)根据QCM的等效电路模型，导出了QCM谐振频率的理论关系式。由此讨论了QCM谐振频率与在电导谐振峰某高度处的中心频率和跨度之间的关系，提出了平均谐振频率的概念及其测量方法。研究了测定位置对谐振频率测量值及其噪音水平的影响。结果表明，采用100点以上的测量位置所得平均的谐振频率，可提高信噪比6倍左右。该方法程序简单，能有效地降低仪器的随机测量噪音，具有良好的实用性。该方法已用于QCM研究吸附过程的数据分析。在吸附实验中先在QCM表面修饰一层聚苯乙烯薄膜，以QCM为研究工具，动态测量阳离子表面活性剂CPC在聚苯乙烯表面的吸附过程中的质量变化，由此求出了有关吸附速率常数和吸附平衡常数，并讨论了盐浓度对吸附的影响。 2) 由相位一频率曲线，从理论上给出了QCM的串联谐振频率和并联谐振频率。由此求出在某一相位下的串、并联谐振频率的平均值，进而获得在多个相位下所得平均频率的总平均值。结果表明，采用总平均频率的噪音水平比传统的零相位串联谐振频率的噪音水平大为降低。并讨论了溶液粘度、密度的影响。所提方法已用于监测阴离子表面活性剂SDBS在聚苯乙烯膜表面的吸附。由QCM的频率响应求出了吸附速率常数和吸附平衡常数。 3)根据阻抗频谱的特点，提出了基于快速傅立叶变换法抑制压电传感器随机测量噪音的方法，结果表明，利用该法能对阻抗频谱进行有效平滑处理，滤噪效果明显，所得频率抗干扰能力大大增强。将该方法用于水中基线噪音消除，证明了其相对于其它方法的优越性。依据所提出的数据处理方法，以QCM为工具研究了非离子表面活性剂TX-114在聚苯乙烯膜表面的吸附性能，得到了相关动力学、热力学参数。 4)以硅酸镧镓为压电材料制备硅酸镧镓晶体微天平传感器(LCM)，通过在LCM表面浇铸石蜡薄膜的方法，实时监测十二烷基磺酸钠在石蜡膜表面吸附过程中的质量变化，获得吸附/脱附速率常数、平衡常数、饱和吸附量等参数，并讨论盐浓度的影响。

目录

文摘

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第一章绪论

第二章基于导纳曲线的阻抗数据分析新方法研究

第三章基于相位—频率曲线的阻抗数据分析新方法研究

第四章基于快速傅立叶变换法的阻抗数据处理方法研究

第五章硅酸镧镓晶体微天平测定石蜡膜的吸附特性

参考文献

攻读学位期间发表论文题录

致谢