CN104729945A - 基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统 - Google Patents
基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104729945A CN104729945A CN201310715208.7A CN201310715208A CN104729945A CN 104729945 A CN104729945 A CN 104729945A CN 201310715208 A CN201310715208 A CN 201310715208A CN 104729945 A CN104729945 A CN 104729945A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- quartz crystal
- qcm
- gas sensor
- crystal microbalance
- measuring system
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统，其特征在于：它包括至少一个QCM频率检测模块，每个QCM频率检测模块将检测到的频率信号通过RS485总线传给上位机。本发明通过石英晶体微天平阵列测量室内有害气体的种类和浓度，解决了单一气敏传感器不具备自动识别气体种类和数量的问题。同时，采用RS485通信且采用更加集成化的芯片，体积小，便于携带。
Description
技术领域
本发明涉及一种有害气体测量装置，具体地说是涉及一种多通道石英晶体微天平（QCM）测量系统。
背景技术
近年来，随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，大量新型建筑和装饰材料、日用化学品进入住宅和公共建筑物，加之现代建筑物的密闭化，造成室内空气污染问题日益突出，引起眼及鼻腔粘膜刺激、过敏性皮炎、哮喘、癌症、白血病等疾病，危害人体健康，日益受到社会各界关注。因此，研究检测室内空气质量的测量系统，为人们提供一个健康、安全的生活环境，有重要意义。
然而，单个的气敏传感器功能十分有限，目前还没有发现只对某种气体单一敏感的传感器材料。单个传感器对不同气体敏感响应可能会有变化，但它不具备自动识别气体种类和数量的能力，所以可以通过采用多个传感器构成阵列来解决上述问题，同时输入更多的信号进行判断识别。
目前，气敏传感器按照工作原理可以将其分为：金属氧化物半导体传感器，导电性气敏传感器，压电类气敏传感器和光纤类气敏传感器。基于质量效应的石英晶体微天平（QCM）气体传感器，以其自身灵敏度高和选择性好等等优点在许多微量气体检测中得到了广泛应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种体积小、方便携带的基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统，它包括至少一个QCM频率检测模块，每个QCM频率检测模块将检测到的频率信号通过RS485总线传给上位机。
所述的QCM频率检测模块包括至少一个QCM气敏传感器阵列，每个QCM气敏传感器阵列连接石英晶体起振电路，石英晶体起振电路连接测频模块；其中，QCM气敏传感器阵列中的气敏传感器为彼此之间对不同气体敏感的气敏传感器。
所述的QCM气敏传感器阵列为32阵列。
所述测量模块还连接有32位嵌入式处理器ARM Cortex M3。
所述测量模块是STM32F030F4P6芯片。
所述的石英晶体起振电路包括由两个反相器串联构成的放大电路；放大电路的输出端通过谐振电路连接放大电路的输入端，由此构成反馈振荡电路。
所述的谐振电路由晶体以及分别与晶体并联设置的两个电容构成，且两个电容接地。
采用上述技术方案的本发明，通过石英晶体微天平阵列测量室内有害气体的种类和浓度，解决了单一气敏传感器不具备自动识别气体种类和数量的问题。同时，通过RS485总线传输测量数据到上位机，并将数据在上位机处理、存储、显示、控制，解决了需要人现场长时间测量的问题，保证了人身安全。本发明只用到了一块ARM芯片和一个反相器芯片，和其他嵌入式系统相比，降低了成本，提高了传输速度，有助于实时处理。同时，采用RS485通信且采用更加集成化的芯片，体积小，便于携带。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2是本发明QCM气敏传感器阵列中的QCM振荡电路原理图。
图3是本发明的硬件系统图。
具体实施方式
如图1所示，一种多通道石英晶体微天平阵列，它包括QCM气敏传感器阵列，阵列中的每一个气敏传感器连接各自的QCM振荡电路。
QCM气敏传感器采用32阵列，阵列中的气敏传感器为彼此之间对不同气体敏感的气敏传感器，其中对不同气体敏感的气敏传感器为现有技术。32个石英晶体微天平QCM阵列，将采集到的气体浓度信息转化为频率信息，其中利用了德国科学家Sauerbrey推导出的石英晶体的谐振频率和晶体电极表面质量负载变化之间的关系式：
。
如图2所示，QCM振荡电路包括由两个反相器串联构成的放大电路；放大电路的输出端通过谐振电路连接放大电路的输入端，由此构成反馈振荡电路。具体地说，电阻R1接在反相器的两端，将反相器偏置在线性放大区，构成放大器，同时R1还具有负反馈作用，可以减少温度变化引起的工作点变化。电容C1、C2通过接地形成串联电容然后与晶体并联构成谐振电路，该谐振电路同时形成了π型选频网络反馈通道，放大电路输出端信号通过该谐振电路返回到放大电路的输入端，形成反馈振荡。利用32个相同的QCM振荡电路构成QCM阵列，并且在实际电路中增加了参比电路，从而进一步提高了测量频率的准确度。
如图1、图3所示，一种基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统，其特征在于：它包括至少一个QCM频率检测模块，每个QCM频率检测模块将检测到的频率信号通过RS485总线传给上位机。
所述的QCM频率检测模块包括至少一个QCM气敏传感器阵列，每个QCM气敏传感器阵列连接石英晶体起振电路，石英晶体起振电路连接测频模块；其中，QCM气敏传感器阵列中的气敏传感器为彼此之间对不同气体敏感的气敏传感器。
所述的QCM气敏传感器阵列为32阵列。
所述测量模块还连接有32位嵌入式处理器ARM Cortex M3，为STM32F030F4P6芯片。
所述的石英晶体起振电路包括由两个反相器串联构成的放大电路；放大电路的输出端通过谐振电路连接放大电路的输入端，由此构成反馈振荡电路。上谐振电路由晶体以及分别与晶体并联设置的两个电容构成，且两个电容接地。
本发明的原理是：STM32F030测频模块采集石英晶体微天平阵列的频率信号，并将采集到的频率缓存在RAM中，通过控制RS485模块回应上位机的数据请求，将数据发送给上位机。其中，RS485模块为MAX485E芯片，低功耗收发器。MAX485E的驱动器摆率不受限制，可以实现最高2.5Mbps的传输速率，用于收发RS485总线数据包。另外，STM32F030测频模块还连接有32位嵌入式处理器STM32F030F4P6，用于接收上位机发送的指令，控制整个系统工作。MCU模块采用STM32F030F4P6芯片为最佳实施方式。
上位机，接收下位机发送的回应数据包，提取频率信号，对这些数据进行实时存储、显示、处理和控制。
Claims (7)
1.一种基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统，其特征在于：它包括至少一个QCM频率检测模块，每个QCM频率检测模块将检测到的频率信号通过RS485总线传给上位机。
2.根据权利要求1所述的基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统，其特征在于：所述的QCM频率检测模块包括至少一个QCM气敏传感器阵列，每个QCM气敏传感器阵列连接石英晶体起振电路，石英晶体起振电路连接测频模块；其中，QCM气敏传感器阵列中的气敏传感器为彼此之间对不同气体敏感的气敏传感器。
3.根据权利要求2所述的基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统，其特征在于：所述的QCM气敏传感器阵列为32阵列。
4.根据权利要求2所述的基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统，其特征在于：所述测量模块还连接有32位嵌入式处理器ARM Cortex M3。
5.根据权利要求4所述的基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统，其特征在于：所述测量模块是STM32F030F4P6芯片。
6.根据权利要求2所述的基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统，其特征在于：所述的石英晶体起振电路包括由两个反相器串联构成的放大电路；放大电路的输出端通过谐振电路连接放大电路的输入端，由此构成反馈振荡电路。
7.根据权利要求6所述的基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统，其特征在于：所述的谐振电路由晶体以及分别与晶体并联设置的两个电容构成，且两个电容接地。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310715208.7A CN104729945A (zh) | 2013-12-23 | 2013-12-23 | 基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310715208.7A CN104729945A (zh) | 2013-12-23 | 2013-12-23 | 基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104729945A true CN104729945A (zh) | 2015-06-24 |
Family
ID=53454042
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201310715208.7A Pending CN104729945A (zh) | 2013-12-23 | 2013-12-23 | 基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104729945A (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI583957B (zh) * | 2015-09-03 | 2017-05-21 | 大同股份有限公司 | 可攜式石英晶體微天平偵測器及其偵測系統 |
| CN106840939A (zh) * | 2017-01-25 | 2017-06-13 | 浙江大学 | 一种环境空气质量综合评估监测装置 |
| CN108169324A (zh) * | 2018-01-22 | 2018-06-15 | 上海灵磐电子科技有限公司 | 基于石英晶体微天平的气敏材料评估装置 |
| CN108169051A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-06-15 | 东南大学 | 多参数在线检测的石英晶体微天平系统 |
| CN110140190A (zh) * | 2016-12-09 | 2019-08-16 | 应用材料公司 | 用于前级固体形成量化的石英晶体微量天平的利用 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1269885A (zh) * | 1998-11-02 | 2000-10-11 | 株式会社明电舍 | Qcm(石英晶体微量天秤)传感器 |
| CN101226166A (zh) * | 2008-01-31 | 2008-07-23 | 浙江大学 | 用于现场检测的低功耗手持式电子鼻系统 |
| CN101825624A (zh) * | 2009-03-02 | 2010-09-08 | 中国科学院化学研究所 | 六通道微流控芯片与石英晶体微天平构成的微全分析器件 |
| WO2010135435A2 (en) * | 2009-05-19 | 2010-11-25 | Drexel University | Detection and measurement of mass change using an electromechanical resonator |
| CN103196769A (zh) * | 2013-03-19 | 2013-07-10 | 上海博物馆 | 一种基于石英晶体微天平的博物馆微环境监测装置 |
-
2013
- 2013-12-23 CN CN201310715208.7A patent/CN104729945A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1269885A (zh) * | 1998-11-02 | 2000-10-11 | 株式会社明电舍 | Qcm(石英晶体微量天秤)传感器 |
| CN101226166A (zh) * | 2008-01-31 | 2008-07-23 | 浙江大学 | 用于现场检测的低功耗手持式电子鼻系统 |
| CN101825624A (zh) * | 2009-03-02 | 2010-09-08 | 中国科学院化学研究所 | 六通道微流控芯片与石英晶体微天平构成的微全分析器件 |
| WO2010135435A2 (en) * | 2009-05-19 | 2010-11-25 | Drexel University | Detection and measurement of mass change using an electromechanical resonator |
| CN103196769A (zh) * | 2013-03-19 | 2013-07-10 | 上海博物馆 | 一种基于石英晶体微天平的博物馆微环境监测装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 李萍: "15MHz温控石英晶体微量天平的设计", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 * |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI583957B (zh) * | 2015-09-03 | 2017-05-21 | 大同股份有限公司 | 可攜式石英晶體微天平偵測器及其偵測系統 |
| CN110140190A (zh) * | 2016-12-09 | 2019-08-16 | 应用材料公司 | 用于前级固体形成量化的石英晶体微量天平的利用 |
| CN106840939A (zh) * | 2017-01-25 | 2017-06-13 | 浙江大学 | 一种环境空气质量综合评估监测装置 |
| CN108169051A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-06-15 | 东南大学 | 多参数在线检测的石英晶体微天平系统 |
| CN108169051B (zh) * | 2017-12-29 | 2020-11-03 | 东南大学 | 多参数在线检测的石英晶体微天平系统 |
| CN108169324A (zh) * | 2018-01-22 | 2018-06-15 | 上海灵磐电子科技有限公司 | 基于石英晶体微天平的气敏材料评估装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104729945A (zh) | 基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统 | |
| CN206177890U (zh) | 一种具有远程报警功能的可燃气体浓度检测装置 | |
| CN203643427U (zh) | 一种室内空气质量综合检测系统 | |
| CN103630170B (zh) | 一种便携式多传感器无线传输巡检仪 | |
| CN103196769A (zh) | 一种基于石英晶体微天平的博物馆微环境监测装置 | |
| CN102080976B (zh) | 宽范围瓦斯流量检测仪 | |
| CN108064333A (zh) | 一种环境保护检测设备 | |
| CN104422630A (zh) | 多通道石英晶体微天平阵列以及基于该阵列的测量系统 | |
| Gaikwad et al. | Design and Implementation of Energy Efficient Environment Monitoring System | |
| CN204142613U (zh) | 一种高精度小型化粉尘传感器 | |
| CN206789018U (zh) | 一种基于ZigBee室内定位技术的居家养老系统 | |
| CN204085569U (zh) | 一种基于物联网和神经网络的热舒适度指标测量装置 | |
| CN203455249U (zh) | 多通道石英晶体微天平阵列 | |
| CN203414433U (zh) | 一种烘干过程的温湿度检测系统 | |
| CN203206309U (zh) | 内置独立可更换检测装置的手机 | |
| CN105651816B (zh) | 一种新型氨气传感器及其制备方法 | |
| CN204142623U (zh) | 一种矿用气体传感器装置 | |
| CN102761565A (zh) | 一种基于无线传感器网络技术的酿造过程监测系统及方法 | |
| CN206532312U (zh) | 基于二维码的传输系统 | |
| CN205449888U (zh) | 氢气检测系统 | |
| CN203455250U (zh) | 基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统 | |
| CN208026588U (zh) | 基于太阳能的ZigBee无线校园网络环境监测装置 | |
| CN206038057U (zh) | 室内环境监测系统 | |
| CN205909928U (zh) | 用于超声波设备的激光振幅测量仪 | |
| CN205642488U (zh) | 卡片式声频侦听流量计 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20150914 Address after: 454950 Henan Jiaozuo Wuzhi County Industrial Agglomeration Area Applicant after: HENAN SHENGMASI SCIENCE & TECHNOLOGY CO., LTD. Address before: 450046, No. 63, No. 3, building A, building No. 49, Jinshui East Road, Zheng Dong New District, Henan, Zhengzhou, 5 Applicant before: Henan Tian Jun Industrial Co., Ltd. |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150624 |