一种电磁激励的无线QCM-D多频时分复用气相检测虚拟阵列系统及方法

摘要

本发明公开了一种电磁激励的无线QCM‑D多频时分复用气相检测虚拟阵列系统及方法，属于气相检测领域，包括放置在气相检测腔室内底壁中部的石英晶振片、设置在气相检测腔室底部外侧的激励线圈和接收线圈、用于产生驱动信号的信号发生器、将驱动信号传输至用于匹配激励线圈阻抗的阻抗匹配网络、将接收线圈中的检测电信号进行滤波放大处理的多频段窄带放大滤波电路以及运行在电脑上的控制虚拟阵列系统多频点切换工作的实验控制器；接收线圈接收石英晶振片产生的交变电磁场中的检测电信号；气相检测腔室连接有气体流量控制器，用于控制进入气相检测腔室内的氮气流速，维持气体流速在期望的恒定值。

说明书

技术领域

本发明涉及气相检测领域，具体地说，涉及一种电磁激励的无线QCM-D多频时分复用气相检测虚拟阵列系统及方法。

背景技术

石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance，QCM)的发展始于上世纪60年代初期，它是一种非常灵敏的质量检测仪器，其测量精度可达纳克级，比灵敏度在微克级的电子微天平高1000倍，理论上可以测到的质量变化相当于单分子层或原子层的几分之一。石英晶体微天平利用了石英晶体的压电效应，将石英晶体电极表面质量变化转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化，进而通过计算机等其他辅助设备获得高精度的数据。

工作过程中，当石英晶振片的电极与待测物质相接触时，待测物质的性质(如质量、粘度、密度等)就会改变石英晶振片的谐振频率，石英晶振片谐振频率的变化与待测物质的质量成线性关系，因而可通过谐振频率的变化测得待测物质质量的变化。1959年，G.Z.Sauerbrey首次推导出了Sauerbrey方程，用简单的公式描述出了石英晶振片谐振频率f与表面质量变化m的关系，奠定了石英晶振微天平应用于传感器技术的理论基础，使之得到了广泛的应用。

其中f₀为石英晶振片谐振频率，A为石英晶振片中机械波传播的速率，ρ_q为石英晶振片的密度，μ_q为石英晶振片的压电剪切模量，Δf为石英晶振片有效压电面积范围上频率的变化，Δm为石英晶振片表面质量的变化。

石英晶振微天平技术将质量变化转化为频率变化输出，检测装备结构简单，实验过程操作简单，检测精度高加之耗散系数D的检测，可以得到待测物质的质量、形态、粘弹性的变化。

所谓振动激励，就是采用适当的电路与机械结构，将电能转换为机械能的过程。电磁激励是利用电流导体在磁场中受洛伦兹力作用而产生受迫振动，工作稳定可靠，是传统的谐振是传感器中最多采用的激励方式。但由于这种检测方式必须利用磁场，因此在传感器微型化方面会比较困难。

目前QCM传感器检测方法的研究主要集中在气相和液相稳定检测装置的设计方面，这些装置往往存在操作复杂、耗时长、精度低、使用条件严格等技术问题，公布号为CN105865962A的中国专利文献公开的一种电磁激励的无线QCM-D气相检测系统及方法，虽然解决了上述问题，但是该专利只能工作在单个频率，从单维度上去分析检测对象，只能应用与特定对象的浓度检测，即使做成阵列也需要多个激励源和QCM，系统将变得更加复杂，难以保持数据的一致性、成本较高，从而限制了它的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的为提供一种电磁激励的无线QCM-D多频时分复用气相检测虚拟阵列系统及方法，设备简易、操作方便，可以实现灵敏、准确的气体对象的测量，通过虚拟多通道实现同时测量检测气体的多个频段的测量量。

为了实现上述目的，本发明提供的电磁激励的无线QCM-D多频时分复用气相检测虚拟阵列系统，包括放置在气相检测腔室内底壁中部的石英晶振片、设置在气相检测腔室底部外侧的激励线圈和接收线圈、用于产生驱动信号的信号发生器、将驱动信号传输至用于匹配激励线圈阻抗的阻抗匹配网络、将接收线圈中的检测电信号进行滤波放大处理的多频段窄带放大滤波电路以及运行在电脑上的控制虚拟阵列系统多频点切换工作的实验控制器；

接收线圈接收石英晶振片产生的交变电磁场中的检测电信号，并将电信号传输到多频段窄带放大滤波电路，多频段窄带滤波放大电路受实验控制器控制，分别工作在不同的放大滤波频段上；

气相检测腔室连接有气体流量控制器，用于控制进入气相检测腔室内的氮气流速，维持气体流速在期望的恒定值。

上述技术方案中，采用单个物理石英晶振片，通过时分复用的方式使得石英晶振片依次工作在不同的谐振频率上，从而构建气相检测虚拟阵列。阻抗匹配网络与多频段滤波放大电路均可工作在多个频段上，可通过程序控制切换工作频段。系统中的信号发生器，示波器，气体流量控制器，阻抗匹配网络，多频段滤波放大电路全部与电脑连接，向电脑传输数据，受电脑的控制，所有单元同步工作，切换工作频点与工作状态。

作为优选，石英晶振片采用无电极的AT切型石英裸片，敏感膜涂覆于晶振片单侧，石英晶振片在交变电磁场驱动下形变振动。无电极的石英晶振片更易加工改进，从而使其工作在更高的谐振频率上。在石英晶片表面进行涂膜处理后，晶振工作的本征频率为6MHz，并可实现18MHz、30MHz、42MHz等高次谐波的工作，从而实现非接触式无线多频电磁激励。

作为优选，激励线圈和所述接收线圈均为平面螺旋结构线圈。

为了方便安装，作为优选，气相检测腔室为气相检测烧瓶，气相检测烧瓶的底部设有用于放置石英晶振片的圆形凹槽。

作为优选，气相检测烧瓶的底部连接进气管，进气管连通至氮气罐，进气管上串接有第一单向气体导通阀。

作为优选，气相检测烧瓶的颈部连接有出气管，出气管上串接有第二单向气体导通阀，出气管的出口连接尾气处理装置。

作为优选，气相检测烧瓶的瓶口通过瓶塞密封，瓶塞上连接有检测气体进样器。

两个单向气体导通阀可以实现对反应装置内部气流更好地控制，减小反向气流干扰。进气流量由串联在第一个单向气体导通阀前部的气体流量控制器控制，保证进气流量的稳定与一致。烧瓶底部加工了一个圆形凹槽，可实现对石英晶片的定位，同时尽可能减小通气气流对晶振摆放位置的干扰，增加试验过程的可靠性。

本发明提供的用于上述电磁激励的无线QCM-D多频时分复用气相检测虚拟阵列系统的方法包括以下步骤：

1)调节信号发生器，将触发信号调节为正弦激励脉冲信号，设置gate模式；

2)在最高谐频点调节阻抗匹配网络，使信号发生器与激励线圈在各个谐频点阻抗匹配，激励石英晶振片起振；

3)使气相检测腔室连通氮气源，控制气体流量控制器打开阀门，使气相检测腔室内充满氮气，排出管路中原有气体，并使氮气导通5～6分钟后，控制关闭气体流量控制器阀门；

4)注入样本气体到气相检测腔室中，使谐振状态下的石英晶振片充分接触并吸附气体样本；

5)一次检测完成后，控制打开气体流量控制器的阀门，氮气进入检测腔室，使石英晶振片上吸附的气体样本脱附，静置直至石英晶振片恢复到初始基频值；

6)重复步骤4)～5)过程进行下一次检测，实现气体检测过程的可重复性；

7)根据虚拟多通道频段一设置虚拟通道一当前信号发生器输出信号幅值A₁和频率f₁；

8)接收线圈接收石英晶振片的衰减振荡信号，实验控制器控制多频段滤波放大电路对信号的f₁频段的滤波放大处理，再传输至示波器中显示，电脑从示波器获得衰减振荡信号并进行计算虚拟通道一的特征参数；

9)每隔3s，依次对其他虚拟通道重复步骤7)～8)过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的电磁激励的无线QCM-D多频时分复用气相检测虚拟阵列系统及方法实现了QCM传感系统的电磁无线激励与无线气相检测，并实现了基于时分复用使用单个石英晶振片的多频虚拟阵列，获得多传感器数据，简化了实验设备，降低了设备成本，实验操作简单，有助于扩大QCM检测的应用范围以及生物系统的无损检测。

附图说明

图1是本发明实施例中电磁激励的无线QCM-D多频时分复用气相检测虚拟阵列系统的结构示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图1，本实施例的电磁激励的无线QCM-D多频时分复用气相检测虚拟阵列系统包括：电脑1、信号发生器2、阻抗匹配网络3、激励线圈4、接收线圈5、石英晶振片6、多频段滤波放大电路7、示波器8、气体流量控制器9、气体检测腔室10、检测气体进样器11、氮气高压钢瓶12、废气处理装置17。

信号发生器2通过阻抗匹配网络3连接激励线圈4，激励线圈4驱动石英晶振片6，接收线圈5接收石英晶振片6的信号，然后信号经过多频段滤波放大电路7的处理。

激励线圈4与接收线圈5与石英晶振片6不接触；驱动信号通过激励线圈4形成交替变化的磁场，产生变化的电场，利用反压电效应，进而驱动石英晶振片6机械振动；接收线圈5接收晶振振动产生的电信号，从而实现QCM的无线触发与检测。

阻抗匹配网络3通过调节负载阻抗，与激励源内部阻抗相互匹配，使触发系统工作在最大功率输出状态。激励线圈4通过连接阻抗匹配网络3实现激励线路中驱动信号的调整，通过调节激励信号的频率来匹配晶振振荡器的谐振频率，从而实现石英晶振片振荡器的起振与谐振；接收线圈5接收晶振片振动所产生的电信号，并传送到多频段窄带滤波放大电路。

本实施例的示波器8是Tektronix公司生产，型号为TDS5054B，采样频率可达5GS/S，可以满足实验过程中最大谐振频率42MHz的石英晶振片的采样需求，并且支持波形信号的存储和输出。示波器显示传送的电信号，通过调节示波器，可以更好地观察到实验过程中信号的衰减振荡过程，同时设定示波器截取有效衰减信号部分，同时示波器将采集到的有效数据传输到电脑1，电脑1上的实验控制器对波形进行实时分析处理。

本实施例的石英晶振片6是无电极的AT切型的石英裸片，石英晶振片的上表面通过滴涂法涂覆有敏感膜，石英晶振片的基频为6.0MHz，直径为12mm～13mm，膜片厚度为0.3mm。石英晶振片在交变电磁场驱动下振动变形。

本实施例采用单个物理石英晶振片，通过时分复用的方式使得石英晶振片依次工作在不同的谐振频率上，实现单个物理传感器得到多个传感器的响应结果，从而构建气相检测虚拟阵列。其中，根据阻抗匹配网络3的谐频特性，当其在高次频点上实现阻抗匹配时，其在其他低次谐频上也是阻抗匹配的，从而实现阻抗匹配网络3的多工作频点阻抗的匹配。其次，多频段滤波放大电路7实现为程序控制的多频段窄带滤波放大，受实验控制器控制，对接收线圈5传输来的信号进行特定频段上的去噪与放大，从而获得高增益低噪音的输出信号。该系统在多频段上复用同一套信号激励，接收与处理单元，因而使得所有单元同步工作成为关键。该系统通过在电脑1上编写的实验控制器，控制所有单元同步工作，切换工作频点与工作状态。

实验控制器使用LABVIEW(Laboratory Virtual Instrumentation EngineeringWorkbench，实验室虚拟仪器工程平台)编写设备控制与数据处理软件，控制整个实验过程中，信号发生器、阻抗匹配网络、多频段滤波放大电路、示波器以及气体流量控制器的协同工作，并对示波器传送过来的有效数据进行数据分析。软件对晶振衰减信号进行插值拟合，便可以得到谐振频率f，相位φ，幅值A，衰减系数τ等参数。

衰减曲线的方程为：

同时根据公式计算得出耗散因子：

和谐振频率的变化：

Δf＝f-f₀

整个实验过程中，信号的数字滤波，参数的计算，由电脑1上的实验控制器在线处理，并实时绘制出传感器响应曲线，便于监控传感器检测过程。

氮气经过减压阀13、第一单向气体导通阀14、气体流量计15后由进气管18连接气相检测腔室10，在气相检测腔室10底部的圆形加工凹槽处安置着石英晶振片6，石英晶振片6下方分别摆放着平面螺旋结构的激励线圈4与接收线圈5，激励线圈4接收由信号发生器2经由阻抗匹配网络3传来的射频激励信号，气相检测腔室10上方连接着检测气体进样器11，根据实验采样数据要求而调整使用，气相检测腔室10上方连接着出气管19，同样配有第二单向气体导通阀16，从气相检测腔室10中排出的气体经由尾气处理17后排出。

利用上述电磁激励的无线QCM-D多频时分复用气相检测虚拟阵列系统进行气体检测的方法如下：

1)调节信号发生器，将触发信号调节为正弦激励脉冲信号，设置gate模式，并使能信号输出；

2)在最高谐频点调节阻抗匹配网络，使信号发生器与激励线圈在各个谐频点阻抗匹配，激励石英晶振片起振；

3)在进气管上连接氮气源，打开第一单向气体导通阀和第二单向气体导通阀；

4)程序控制气体流量控制器打开阀门，使气相检测腔室内充满氮气，排出管路中的原有气体；

5)检测循环过程中，氮气导通5～6分钟后，程序控制关闭气体流量控制器阀门；

6)通过检测气体进样器注入样本气体到气相检测腔室中，关闭第二单向气体导通阀，使谐振状态下的石英晶振片充分接触并吸附气体样本；

7)一次检测完成后，打开第二单向气体导通阀，程序控制打开气体流量控制器阀门，氮气进入检测腔室，使石英晶振片上吸附的气体样本脱附，静置直至石英晶振片恢复到初始基频值，然后重复步骤4)～7)过程进行下一次检测，进而实现气体检测过程的可重复性。

8)实验控制器控制，根据虚拟多通道频段一设置虚拟通道一当前信号发生器输出信号幅值A₁和频率f₁；

9)接收线圈接收石英晶振片的衰减振荡信号，实验控制器控制，多频段滤波放大电路对信号的f₁频段的滤波放大处理，再传输至示波器中显示，电脑从示波器获得衰减振荡信号并进行计算虚拟通道一的特征参数，特征参数包括频率响应和耗散因子；

7)每隔3s，依次对其他虚拟通道重复步骤8)～9)过程。从宏观结果上，相当于同时测量多个虚拟通道。