CN105842100A - 一种电磁激励的无线qcm-d传感器检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电磁激励的无线QCM‑D传感器检测系统，系统包括信号驱动发生器、阻抗调节网络、激励线圈、石英晶振片、接收线圈和信号处理单元。系统采用瞬态响应法进行检测，驱动信号由信号发生器产生，通过阻抗调节网络发送到平面螺旋结构的激励线圈，激励产生交变电磁场。线圈在无接触的条件下，使无电极的石英晶片起振，接收线圈获取相应的振动信号并转换为线圈中的电信号，进而传送给信号处理单元获取特征参数，包括频率响应和耗散因子，从而实现QCM的无线激励与检测。本方案适用于传感器检测领域。

Description

一种电磁激励的无线QCM-D传感器检测系统
技术领域
本发明涉及传感器检测领域，尤其是涉及一种电磁激励的无线QCM-D传感器检测系统。
背景技术
QCM(石英晶体微天平)的测量原理是基于压电效应，当QCM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QCM的谐振频率，QCM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的变化。
石英晶体微天平可能是现在研究最多的石英谐振式微天平传感器之一。这一种传感器利用的是石英晶体谐振器的质量敏感特性。1995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体谐振频率f与表面质量变化m的关系，奠定了石英晶体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。
Δ f = - 2 f 0 2 A ρ q μ q Δ m
其中f0为石英晶振谐振频率，A为石英晶振中机械波传播的速率，ρq为石英晶振的密度，μq为石英晶振的压电剪切模量，Δf为石英晶振有效压电面积范围上频率的变化，Δm为石英晶振表面质量的变化。
石英晶体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，这些装置方法往往由于操作复杂、耗时长、精度低、使用条件严格等因素限制了它的实际应用。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的操作复杂、耗时长、精度低、使用条件严格等的技术问题，提供一种设备简易、操作方便的电磁激励的无线非接触式QCM-D(耗散型石英晶体微天平)传感器检测系统，可以实现无线激励和检测。
本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种电磁激励的无线QCM-D传感器检测系统，包括：
驱动信号发生器：产生驱动信号并将驱动信号通过阻抗调节网络发送给激励线圈，本系统所采用的方法是瞬态响应法，首先在石英晶振的谐振频率点附近施加激励信号，此时石英晶振工作在谐振频率点，当突然撤去激励信号后，石英晶振便会工作在一种欠阻尼的方式下；
阻抗调节网络：调节激励线圈的阻抗；具体调节过程中可根据示波器显示图线判断是否达到最大振动幅值，从而实现石英晶体振荡器的起振，便于实现对晶振片的振动分析；
激励线圈：在驱动信号的作用下形成交替变化的磁场，触发产生交变电场，进而驱动石英晶振片产生机械振动；
石英晶振片：在交变电磁场驱动下振动变形，具体体现为石英晶振片的两个表面上产生交变电荷；
接收线圈：接收石英晶振片产生的交变电磁场产生电信号，并将电信号发送到信号处理单元；
信号处理单元：依据电信号得到被测对象的特征参数，特征参数包括频率响应和耗散因子；由于系统检测过程采用的是瞬态响应法，因此通过对石英晶振衰减信号的分析即可以得到晶振的谐振频率和耗散因子。
由于采用无电极的石英晶片，同时激励与接收线圈和石英晶振片不直接接触，从而可以实现QCM的无线激励与检测。
驱动信号由信号发生器产生，通过阻抗调节网络调节负载阻抗，并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。激励线圈通过连接阻抗调节网络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体振荡器的谐振频率，激励产生交变电磁场，使得无电极的石英晶片起振，接收线圈接收晶振片的振动信号，转换为线圈中的电信号，传送到信号处理单元，进而获得相应的特征参数。
作为优选，激励线圈和接收线圈为相同结构的平面螺旋结构线圈，最内部线圈直径为8mm-12mm，最外部线圈直径为16mm-24mm，平面螺旋结构线圈匝数为10-14；平面螺旋结构线圈电容值为6.074nF，导纳为1.144mS。
作为优选，石英晶振片是无电极的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8.5mm-8.8mm，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。
本方案中所用石英晶振片，从敏感元件的材料组成结构来看，所用石英晶振片采用组合结构，在石英晶体振荡器表面添加一层敏感膜，敏感膜与谐振器之间会形成良好的声耦合，将敏感材料和被测参数之间的相互作用转换为谐振器的等效参数变化。实验中，将纳米级的Ni(OH)2溶于低沸点的易挥发溶剂(如无水乙醇)中，使用移液枪移取适当量溶液(15～20ul)，将溶液均匀的涂抹在石英晶体的上表面，任其扩散、均匀地分布在晶片表面。再将石英晶体放置于干燥箱中放置一定时间(2-24小时)，使得溶剂完全挥发掉。实际操作中，根据实验过程中实验对象的不同，可采用不同的敏感材料膜，提高装置的适用范围。
作为优选，所述传感器检测系统采用瞬态响应法，首先在石英晶振的谐振频率点附近施加激励信号，使石英晶振工作在谐振频率上，当突然撤去激励信号时，石英晶振便会工作在欠阻尼状态下，通过对石英晶振衰减信号的分析可以得到晶振的谐振频率和耗散因子，获取更多的检测过程信息。
作为优选，所述信号处理单元包括滤波放大电路、示波器和PC机，所述滤波放大电路的输入端连接接收线圈，输出端连接示波器，示波器与PC机连接。
滤波放大电路(基频调节电路板)主要实现功能：基频调节电路板与稳压电源相连，工作电压为12V，针对接收线圈接收得到的电信号进行滤波处理，提取有用的晶振衰减振动信号，滤除噪声干扰；同时，将滤波的有用信号提取放大，方便后期的数据观察处理。滤波放大电路对电信号滤波、提取、放大然后传送到示波器，示波器上显示的晶片振动波形图传送至PC机终端进行分析处理，实现特征参数(频率响应、耗散因子)的计算。
本发明带来的实质性效果是，提供了一种电磁激励的无线QCM-D传感器，实现了QCM传感器的电磁无线激励与监测，简化了实验设备，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是本发明的一种电路结构图；
图2是本发明的一种激励线圈、接收线圈和石英晶振片相对位置示意图；
图3是本发明的一种激励线圈俯视图；
图中：1.激励线圈，2.接收线圈，3.石英晶振片，4.敏感膜，5.驱动信号发生器，6.阻抗调节网络，7.滤波放大电路，8.示波器，9.PC机。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种电磁激励的无线QCM-D传感器检测系统，如图1所示，包括：驱动信号发生器5、阻抗调节网络6、激励线圈1、石英晶振片3、接收线圈2和信号处理单元。信号处理单元包括滤波放大电路7、示波器8和PC机9。
激励线圈和接收线圈为平面螺旋结构线圈，最内层线圈直径为10mm，最外层线圈直径为20mm，线圈匝数为10；线圈电容值为6.074nF，导纳为1.144mS。
石英晶振片是无电极的AT切型石英裸片，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8.65mm，膜片厚度为0.3mm。
驱动信号发生器通过阻抗调节网络连接激励线圈，激励线圈根据流过的射频电流来产生交变磁场，进而引发交变电场来诱导压电石英晶片起振。石英晶振片在交变电磁场驱动下振动变形。接收线圈会收到石英晶片振动带来的交变电磁场信号，进而转化为线圈中的电流信号，然后发送给信号处理单元。
激励信号源一般采用信号发生器，信号发生器可以采用示波器，接收线圈和信号发生器之间可以串接有滤波放大电路，滤波放大电路针对接收线圈接收得到的电信号进行滤波处理，提取有用的晶振衰减振动信号，滤除噪声干扰；同时，将滤波后的有用信号提取放大，方便后期的数据观察处理。
本方案中，激励线圈和石英晶振片之间、石英晶振片和接收线圈之间没有直接接触，通过无线的方式传递信号，拓展了传感器的适用环境，降低了安装要求。
本文中所描述的具体实施过程仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施过程做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了石英晶振片、激励线圈、示波器等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (5)

1.一种电磁激励的无线QCM-D传感器检测系统，其特征在于，包括：
驱动信号发生器：产生驱动信号并将驱动信号通过阻抗调节网络发送给激励线圈；
阻抗调节网络：调节激励线圈的阻抗；
激励线圈：在驱动信号的作用下形成交替变化的磁场，触发产生交变电场，进而驱动石英晶振片产生机械振动；
石英晶振片：在交变电磁场驱动下振动变形；
接收线圈：接收石英晶振片产生的交变电磁场产生电信号，并将电信号发送到信号处理单元；
信号处理单元：依据电信号得到被测对象的特征参数，特征参数包括频率响应和耗散因子。
2.根据权利要求1所述的一种电磁激励的无线QCM-D传感器检测系统，其特征在于，所述激励线圈和接收线圈为相同结构的平面螺旋结构线圈，最内部线圈直径为8mm-12mm，最外部线圈直径为16mm-24mm，平面螺旋结构线圈匝数为10-14；平面螺旋结构线圈电容值为6.074nF，导纳为1.144mS。
3.根据权利要求1或2所述的一种电磁激励的无线QCM-D传感器检测系统，其特征在于，所述石英晶振片是无电极的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8.5mm-8.8mm，膜片厚度为0.3mm。
4.根据权利要求3所述的一种电磁激励的无线QCM-D传感器检测系统，其特征在于，所述传感器检测系统采用瞬态响应法，首先在石英晶振的谐振频率点附近施加激励信号，使石英晶振工作在谐振频率上，当突然撤去激励信号时，石英晶振便会工作在欠阻尼状态下，通过对石英晶振衰减信号的分析可以得到晶振的谐振频率和耗散因子，获取更多的检测过程信息。
5.根据权利要求4所述的一种电磁激励的无线QCM-D传感器检测系统，其特征在于，所述信号处理单元包括滤波放大电路、示波器和PC机，所述滤波放大电路的输入端连接接收线圈，输出端连接示波器，示波器与PC机连接。
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