CN101726539B - 利用声表面波器件测试气体浓度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用声表面波器件测试气体浓度的方法，利用声表面波气体传感器在吸附被测气体前后，声表面波在其上传播速度的不同，来定量得到被测气体的浓度。其主要步骤为：使用信号发生器在双端对声表面波气体传感器一侧发射一短脉冲信号，并用示波器的不同通道对声表面波气体传感器两端同时进行检测，再根据检测结果同被测气体的浓度联系起来，进行标定。利用这种方法可以方便的对各种声表面波气体传感器进行测试。这种方法具有所需设备少，简单，稳定可靠，用途多，误差小的优点。

Description

利用声表面波器件测试气体浓度的方法
技术领域
本发明涉及传感器信号处理技术领域，特别是一种低成本、方便可行的利用声表面波器件测试气体浓度的方法。
背景技术
1979年，Wohltjen和Dessy最早报道采用声表面波(SAW)延迟线振荡器探测化学蒸汽，由此开启了人们对一种新型传感器——声表面波传感器的研究之门。
声表面波气体传感器测量气体具有精度高，分辨率高，抗干扰能力强，适合远距离传输，测量再现性好，易与计算机、微处理机接口，易实现微型化、集成化、智能化，不需要在加热状态下工作，稳定度高、功耗小等特点。经过数十年的研究，声表面波传感器被越来越广泛的应用在气体传感器等方面。
SAW气体传感器是众多SAW传感器中最为复杂，涉及面较广的传感器类型。目前，SAW气体传感器已用于对SO2、水蒸气、丙酮、甲醇、H2、H2S、NO2及有毒气体的检测。在SAW气体传感器研究初期，均采用延迟线型单端或双端结构SAW器件作为传感器。直到1990年，Wastson等人首次报道了采用高Q值SAW谐振器结构的SAW传感器用于气体浓度的检测，将分辨率从以前的1×10-9g改进到1×10-12g，甚至到1×10-15g。
随着SAW传感器的发展，其信号的处理技术也变得日益重要起来，目前对声表面波传感器信号进行测量主要集中在频率测量上，很多大学、研究所对声表面波传感器信号的处理大部分都集中在对信号频率改变的测试方面，虽然准确但也存在一些缺点，测量频率涉及信号提取，放大，分析，处理，电路需要针对不同的声表面波传感器专门搭建，成本高，时间周期长，而且只能处理单一频率的信号如果声表面波器件设计有缺陷，则信号处理电路也不能重复使用，造成资源的浪费。
因此迫切需要一种利用声表面波器件测试气体浓度的方法，以检验该声表器件设计方案是否可行，这就要求该方法简单实用，成本低，可重复使用，测量范围宽。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种利用声表面波器件测试气体浓度的方法，以简化测试步骤，降低测试成本，实现对气体浓度的测试。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种利用声表面波器件测试气体浓度的方法，该方法包括：
步骤101：在压电晶体衬底上蒸镀三个互相平行且具有一定间隔的叉指换能器，分别记为第一换能器、第二换能器和第三换能器；
步骤102：在第二换能器与第三换能器之间蒸镀一层宽度为d的敏感膜，该敏感膜能够吸附被测气体；
步骤103：将第一换能器连接于信号发生器，将第二换能器和第三换能器分别连接于示波器的两个通道，构成测试设备，并将测试设备放入试验容器中；
步骤104：在容器中无被测气体时，信号发生器发射一脉冲信号，第一换能器将此脉冲信号通过压电晶体衬底传给第二换能器和第三换能器，在示波器中显示第二换能器与第三换能器接收信号的时间间隔t11；
步骤105：在容器中充入一定浓度的被测气体时，信号发生器再发射一脉冲信号，第一换能器将此脉冲信号通过压电晶体衬底传给第二换能器和第三换能器，在示波器中显示第二换能器与第三换能器接收信号的时间间隔t22；
步骤106：根据测得的时间间隔t11、t22以及敏感膜的宽度d，计算脉冲信号在有无被测气体时在敏感膜中传输速度的变化量Δv；
步骤107：重复执行步骤105和106，得到声表面波速度变化与被测气体浓度之间的对应关系；
步骤108：在检测未知浓度的气体时，首先测量并计算声表面波速度的变化值，然后根据步骤107得到的速度变化与被测气体浓度的对应关系，得到被测气体的浓度。
上述方案中，步骤106中所述根据测得的时间间隔t11、t22以及敏感膜的宽度d，计算脉冲信号在有无被测气体时在敏感膜中传输速度的变化量Δv，采用的计算公式是Δv＝(d/t11-d/t22)。
上述方案中，步骤101中所述压电晶体衬底为石英衬底、铌酸锂衬底或锗酸锂衬底。
上述方案中，步骤102中所述敏感膜为金属钯膜。
(三)有益效果
1、本发明提供的这种利用声表面波器件测试气体浓度的方法，主要的仪器仅需要信号发生器和示波器，方便简单，适用于各种声表面气体传感器，测量范围大，可重复使用，简化了测试步骤，降低了测试成本，实现了对气体浓度的测试。
2、本发明提供的这种利用声表面波器件测试气体浓度的方法，可以方便的对各种声表面波气体传感器进行测试，具有所需设备少，简单，稳定可靠，用途多，误差小的优点。
附图说明
图1是本发明提供的利用声表面波器件测试气体浓度的方法流程图；
图2至图4是依照本发明实施例的利用声表面波器件测试气体浓度的工艺流程图；
图5是依照本发明实施例在示波器中显示换能器B与换能器C接收信号的时间间隔t11；
图6是依照本发明实施例在示波器中显示换能器B与换能器C接收信号的时间间隔t22。
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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是本发明提供的利用声表面波器件测试气体浓度的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤101：在压电晶体衬底上蒸镀三个互相平行且具有一定间隔的叉指换能器，分别记为第一换能器、第二换能器和第三换能器；
步骤102：在第二换能器与第三换能器之间蒸镀一层宽度为d的敏感膜，该敏感膜能够吸附被测气体；
步骤103：将第一换能器连接于信号发生器，将第二换能器和第三换能器分别连接于示波器的两个通道，构成测试设备，并将测试设备放入试验容器中；
步骤104：在容器中无被测气体时，信号发生器发射一脉冲信号，第一换能器将此脉冲信号通过压电晶体衬底传给第二换能器和第三换能器，在示波器中显示第二换能器与第三换能器接收信号的时间间隔t11；
步骤105：在容器中充入一定浓度的被测气体时，信号发生器再发射一脉冲信号，第一换能器将此脉冲信号通过压电晶体衬底传给第二换能器和第三换能器，在示波器中显示第二换能器与第三换能器接收信号的时间间隔t22；
步骤106：根据测得的时间间隔t11、t22以及敏感膜的宽度d，计算脉冲信号在有无被测气体时在敏感膜中传输速度的变化量Δv；
在本步骤中，计算脉冲信号在有无被测气体时在敏感膜中传输速度的变化量Δv，采用的计算公式是Δv＝(d/t11-d/t22)。
步骤107：重复执行步骤105和106，得到声表面波速度变化与被测气体浓度之间的对应关系；
步骤108：在检测未知浓度的气体时，首先测量并计算声表面波速度的变化值，然后根据步骤107得到的速度变化与被测气体浓度的对应关系，得到被测气体的浓度。
本发明采用压电晶体作为衬底材料，压电晶体可以是石英、铌酸锂或锗酸锂等，在其上蒸镀上三个互相平行的叉指换能器，分别称为换能器A，换能器B和换能器C，如图2所示，换能器B和换能器C之间覆盖一层长为d敏感膜，该敏感膜对气体有吸附作用。再将信号发生器接到换能器A，换能器B和换能器C分别接到示波器的两个通道。如图3所示。将设备放入试验容器中，容器中无敏感气体，信号发生器发射一脉冲信号，换能器A将此信号通过压电晶体传给换能器B和换能器C，由于换能器B和换能器C间隔一定的距离，所以在示波器中会出现两个相隔一段时间t11的信号。充入一定浓度，设为Ω1的气体后，再进行测量，得到两个信号相隔的时间变为t22，则可以得到速度的变化量为(d/t11-d/t22)，此变化量是由敏感膜吸附了气体而造成的。速度的变化量和充入容器内气体的浓度是一一对应的，所以将数据记录下来，就得到声表面波速度变化与被测气体浓度之间的关系。
图2至图4示出了依照本发明实施例的利用声表面波器件测试气体浓度的工艺流程图，具体包括以下步骤：
步骤1、采用127.86°Y-X切向的铌酸锂材料作为衬底，在无敏感膜时声表面波传播速度为3485m/s。衬底厚度约为0.5mm，经过清洗，光刻，溅射等步骤在其上行成三个完全相同的换能器。如图4所示。
步骤2、在换能器B与换能器C之间蒸镀上金属钯膜，该金属钯膜的宽度为d，且对氢气有吸附作用，如图2所示。
步骤3、将换能器B和换能器C分别接入示波器的通道①和通道②，同时将信号发生器接入换能器A，然后将设备放入密封的气体容器中，如图3所示。
步骤4、当容器中没有被测气体时，信号发生器发射一脉冲信号，激励换能器A产生声表面波；产生的声表面波在压电晶体上传播，换能器B首先接收到传来的声表面波信号，并在示波器上显示出来；经过一定的时间，换能器C再接收到传来的声表面波信号，并在示波器上显示出来。由示波器可以读出两个换能器接收信号之间相隔的时间，记为t11。在示波器上得到如图5所示的图像。
步骤5、向容器中充入一定浓度的被测气体，气体浓度记为Ω1，同时信号发生器产生一脉冲信号，与权利4相同，从示波器中可以读出两个换能器接收信号之间的相隔时间，记为t22。在示波器上得到如图6所示的图像。
步骤6、根据测量结果t11和t22，可以计算得到速度v的变化量Δv的值为：Δv＝(d/t11-d/t22)。再将该速度变化值与被测气体的浓度对应起来，然后不断重复执行步骤4和5，得到声表面波速度变化与被测气体浓度之间的关系。
步骤7、在检测未知浓度气体时得到的声表面波速度的变化值，根据得到的速度与被测气体的浓度的关系，就可以得到被测气体的浓度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用声表面波器件测试气体浓度的方法，其特征在于，该方法包括：
步骤101：在压电晶体衬底上蒸镀三个互相平行且具有一定间隔的叉指换能器，分别记为第一换能器、第二换能器和第三换能器；
步骤102：在第二换能器与第三换能器之间蒸镀一层宽度为d的敏感膜，该敏感膜能够吸附被测气体；
步骤103：将第一换能器连接于信号发生器，将第二换能器和第三换能器分别连接于示波器的两个通道，构成测试设备，并将测试设备放入试验容器中；
步骤104：在容器中无被测气体时，信号发生器发射一脉冲信号，第一换能器将此脉冲信号通过压电晶体衬底传给第二换能器和第三换能器，在示波器中显示第二换能器与第三换能器接收信号的时间间隔t11；
步骤105：在容器中充入一定浓度的被测气体时，信号发生器再发射一脉冲信号，第一换能器将此脉冲信号通过压电晶体衬底传给第二换能器和第三换能器，在示波器中显示第二换能器与第三换能器接收信号的时间间隔t22；
步骤106：根据测得的时间间隔t11、t22以及敏感膜的宽度d，计算脉冲信号在有无被测气体时在敏感膜中传输速度的变化量Δv；
步骤107：重复执行步骤105和106，得到声表面波速度变化与被测气体浓度之间的对应关系；
步骤108：在检测未知浓度的气体时，首先测量并计算声表面波速度的变化值，然后根据步骤107得到的速度变化与被测气体浓度的对应关系，得到被测气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的利用声表面波器件测试气体浓度的方法，其特征在于，步骤106中所述根据测得的时间间隔t11、t22以及敏感膜的宽度d，计算脉冲信号在有无被测气体时在敏感膜中传输速度的变化量Δv，采用的计算公式是Δv＝(d/t11-d/t22)。
3.根据权利要求1所述的利用声表面波器件测试气体浓度的方法，其特征在于，步骤101中所述压电晶体衬底为石英衬底、铌酸锂衬底或锗酸锂衬底。
4.根据权利要求1所述的利用声表面波器件测试气体浓度的方法，其特征在于，步骤102中所述敏感膜为金属钯膜。
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