CN115015413B - 一种用于毒物分析检测的qcm传感器 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及毒物分析检测技术领域，具体而言，涉及一种用于毒物分析检测的QCM传感器，包括探头组件、驱动机构、盒体以及测量电路组件，其中：测量电路组件设置在盒体内部；探头组件安装在盒体的上方，并与测量电路组件电连接；驱动机构固定在盒体的外壁上，并与探头组件连接，用于驱动探头组件运动。本发明能够通过QCM传感器精确测量待检毒物溶液的密度和性质种类，通过传感器探头组件中的加热脱附结构与传感器测量电路组件配合，可对QCM毒物溶液分子吸附膜上所吸附的毒物溶液进行加热挥发脱附逸出，同时利用热重分析技术反演获得毒物溶液的种类和组分比例。
Description
技术领域
本申请涉及毒物分析检测技术领域，具体而言，涉及一种用于毒物分析检 测的QCM传感器。
背景技术
毒物溶液密度、种类与组分分析是利用传感器QCM(石英晶体微量天平) 表面液体色谱分析膜(分子筛吸附膜)吸附不同种类的溶液分子，通过QCM 谐振频率与质量的变化关系获得待检测毒液的密度、通过QCM表面液体色谱 分析膜的色谱变化对溶液性质(酸碱性)种类进行检测、通过热重分析反演获得溶液的种类和组分比例进行检测。
传感器可对不同密度的毒物液体进行分析，为了能够高效检测低密度的毒 物溶液密度、性质种类与组分，需要设计一种具有测量范围宽、分辨率高、反 复多次连续测量且具有清零功能的毒物溶液分析传感器，目前在毒物溶液检测 中还没有使用这种结构设计的传感器。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种用于毒物分析检测的QCM传感器，能够 可靠地接收所检测的毒物溶液分子，适用于毒物溶液密度、性质种类与组分检 测，解决了QCM传感器结构一体化设计、高温无接触加热设计、高温隔热设 计、高温组件热包覆设计、多组件小间隙高精度装配的问题。
为了实现上述目的，本申请提供了一种用于毒物分析检测的QCM传感器， 包括探头组件、驱动机构、盒体以及测量电路组件，其中：测量电路组件设置 在盒体内部；探头组件安装在盒体的上方，并与测量电路组件电连接；驱动机 构固定在盒体的外壁上，并与探头组件连接，用于驱动探头组件运动。
进一步的，探头组件包括隔热套结构、上压板、安装支架以及下压板，其 中：隔热套结构安装在上压板上；上压板安装在安装支架的顶部；下压板安装 在安装支架的内部；安装支架的底部与盒体连接，将探头组件固定在盒体上方。
进一步的，隔热套结构包括外壳以及隔热套，隔热套内部设置有加热结构。
进一步的，加热结构包括加热罩、薄膜加热片以及热敏电阻。
进一步的，上压板上设置有测量QCM，测量QCM位于加热结构的内部。
进一步的，下压板上设置有参考QCM。
进一步的，安装支架的底部与盒体之间设置盒体隔热垫。
进一步的，测量电路组件包括测量QCM电路板、电路板支架以及参考 QCM电路板，其中：电路板支架固定设置在盒体的内部；测量QCM电路板 设置在电路板支架的顶部；参考QCM电路板设置在电路板支架的底部。
进一步的，测量QCM和参考QCM均含有液体色谱分析吸附膜。
进一步的，驱动机构包括电机、齿轮、丝杆以及从动螺母，其中：电机固 定在盒体的外壁上，通过齿轮与丝杆连接；从动螺母设置在丝杆上，并与隔热 套结构连接。
本发明提供的一种用于毒物分析检测的QCM传感器，具有以下有益效果：
本发明能够通过QCM传感器精确测量待检毒物溶液的密度和性质种类， 通过传感器探头组件中的加热脱附结构与传感器测量电路组件配合，可对 QCM毒物溶液分子吸附膜上所吸附的毒物溶液进行加热挥发脱附逸出，同时利用热重分析技术反演获得毒物溶液的种类和组分比例，设计了非接触式锥形 加热脱附结构组件，提高了加热脱附的效率，防止了QCM晶振与加热结构接 触对QCM振动频率产生影响。此外，加热元件与测量元件独立设计再组装， 实现了传感器探头加热结构组件在结构形式上独立，在功能上集成的设计，使加工与组装更具有可操作性，还设计了多级隔热结构，有效控制加热脱附元件 热量传递到非加热结构所产生的热量耗散，同时避免了温度对电路板等非加热 元件的影响。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请 的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用 于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例提供的用于毒物分析检测的QCM传感器的示意 图；
图2是根据本申请实施例提供的用于毒物分析检测的QCM传感器的内部 结构示意图；
图3是根据本申请实施例提供的用于毒物分析检测的QCM传感器的探头 组件的示意图；
图4是根据本申请实施例提供的用于毒物分析检测的QCM传感器的测量 电路组件的示意图；
图5是根据本申请实施例提供的用于毒物分析检测的QCM传感器的电路 板支架的示意图；
图6是根据本申请实施例提供的用于毒物分析检测的QCM传感器的安装 支架的示意图；
图中：1-探头组件、11-外壳、12-隔热套、13-加热罩、14-薄膜加热片、 15-热敏电阻、16-上压板、17-安装支架、18-下压板、19-隔热垫、2-盒体、3- 测量电路组件、31-测量QCM电路板、32-电路板支架、33-参考QCM电路板、 4-测量QCM、5-参考QCM、61-电机、62-主动齿轮、63-从动齿轮、64-丝杆、 65-从动螺母、7-电连接器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施 例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所 描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申 请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第 一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次 序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请 的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆 盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的 或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、 “内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置 关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申 请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于 表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或 连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在 本申请中的具体含义。
另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征 可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1-图2所示，本申请提供了一种用于毒物分析检测的QCM传感器， 包括探头组件1、盒体2以及测量电路组件3，其中：测量电路组件3设置在 盒体2内部；探头组件1安装在盒体2的上方，并与测量电路组件3电连接； 驱动机构固定在盒体2的外壁上，并与探头组件1连接，用于驱动探头组件1 运动。
具体的，本申请实施例提供的用于毒物分析检测的QCM传感器，通过高 温辐射脱附技术进行脱附逸出QCM表面吸附膜中吸附饱和的溶液分子，使 QCM表面吸附膜达到清零状态，同时为下一次重复测量做好准备。主要通过 探头组件1的QCM表面液体色谱分析膜的色谱变化对毒物溶液性质种类进行 检测，通过盒体2内部的测量电路组件3检测探头组件1的频率变化，经过计 算获得毒物溶液的密度，通过探头组件1的加热脱附结构在高温辐射状态下进 行脱附，再次利用盒体2内部的测量电路组件3检测探头组件1的频率变化， 利用热重分析技术反演获得被检测毒物溶液的种类和组分比例，最终实现高效 检测低密度的毒物溶液密度、性质种类与组分。
进一步的，如图3所示，探头组件1包括隔热套结构、上压板16、安装 支架17以及下压板18，其中：隔热套结构安装在上压板16上；上压板16安 装在安装支架17的顶部；下压板18安装在安装支架17的内部；安装支架17 的底部与盒体2连接，将探头组件1固定在盒体2上方。探头组件1主要用于 吸附毒物溶液以及对吸附的毒物溶液进行加热，使其脱附逸出。隔热套结构主 要用于隔热，上压板16主要用于放置测量QCM4，如图6所示，安装支架17 主要起到固定连接的作用，将连接上压板16与盒体2连接在一起，从而将探 头组件1整体固定在盒体2上，下压板18主要用于放置参考QCM5。
进一步的，隔热套结构包括外壳11以及隔热套12，隔热套12内部设置 有加热结构。外壳11固定在上压板16上，主要起到连接固定的作用，隔热套 12与内部的加热结构配合连接，主要起到隔热的作用。隔热套结构的材料为 非金属材料，采用非金属材料设计，提高了隔热效果，此外，为了防止长时间 环境对非金属的腐蚀，将隔热结构裸漏部分结构设计为对耐腐蚀的陶瓷材料， 控制了环境对非金属材料的腐蚀影响。
进一步的，加热结构包括加热罩13、薄膜加热片14以及热敏电阻15。加 热过程中，先将薄膜加热片14通电加热温度达到220℃，与薄膜加热片14紧 密贴合的加热罩13同步受热温度升高，测量QCM4表面吸附膜温度在6min 可达到160℃，在本申请实施例中，加热罩13为辐射加热罩，热敏电阻15粘 在加热罩13的外表面，薄膜加热片14通过热包覆工装紧密包覆到加热罩13 的外表面上，并且将热敏电阻15压紧固定，随后将隔热套12与加热罩13进行配合连接，隔热套12与加热罩13之间的螺纹安装孔中，设置有螺钉隔热垫 19，最后将加热罩13固定安装到安装支架17上。
进一步的，上压板16上设置有测量QCM4，测量QCM4位于加热结构的 内部。测量QCM4上表面有分子筛吸附膜内(分子级的多孔)，主要用于检测 液体分子吸入到测量QCM4的上表面的分子筛吸附膜内(分子级的多孔)时， 其测量QCM4通过QCM表面液体色谱分析膜获得待检毒液酸碱性，通过QCM 谐振频率与质量的变化关系成正比，从而获得待检测毒液的密度。
进一步的，下压板18上设置有参考QCM5。参考QCM5主要用于通过 QCM谐振频率监测整个传感器受环境变化的影响，如温度等因素，通过将测 量到频率数据与测量QCM4比较，将环境因素的影响通过测量电路差分后扣除，从而获得更为真实的毒液待检数据。
进一步的，安装支架17的底部与盒体2之间设置盒体隔热垫19。盒体隔 热垫19设置在探头组件1和盒体2之间，一方面能够防止温度对盒体2内部 测量电路组件3的影响，另一方面能够对探头组件1的固定位置进行微调，实现了限位和隔热的双重作用。
进一步的，如图4所示，测量电路组件3包括测量QCM电路板31、电路 板支架32以及参考QCM电路板33，其中：电路板支架32固定设置在盒体2的内部；测量QCM电路板31设置在电路板支架32的顶部；参考QCM电路 板33设置在电路板支架32的底部。如图5所示，电路板支架32固定设置在 盒体2的内部主要用于固定支撑电路板，实现了测量QCM电路板31与参考 QCM电路板33的双面安装，既减轻了重量，也实现了对两块电路板信号的隔离，顶部设置有测量QCM电路板31主要用于通过测量QCM4检测获得毒液 数据，并对检测信号进行转换和传输储存，底部设置有参考QCM电路板33 主要用于通过测量参考QCM5检测获得所处的环境数据，再与测量QCM4比 较，将环境因素的影响通过测量电路差分后扣除，从而获得更为真实的毒液待 检数据。盒体2外壁的下方设置有电连接器7接口，用于向测量电路组件3 进行供电，以及与外界控制器进行连接，进行数据的处理和显示。
进一步的，测量QCM4和参考QCM5均含有液体色谱分析吸附膜。液体 色谱分析吸附膜主要用于检测毒物溶液的性质，通过表面液体色谱分析膜的色 谱变化能够获得毒物溶液的性质种类。
进一步的，驱动机构包括电机61、齿轮、丝杆64以及从动螺母65，其中： 电机61固定在盒体2的外壁上，通过齿轮与丝杆64连接；从动螺母65设置 在丝杆64上，并与隔热套结构连接。电机61上方设置有主动齿轮62，丝杆 64下方设置有从动齿轮63，电机61通过主动和从动齿轮，驱动丝杆64旋转， 从动螺母65就会在丝杆64上下进行移动，从而带动另一端连接的隔热套结构 上下移动。
更进一步的，采用本申请实施例提供的用于毒物分析检测的QCM传感器 进行毒物检测时，首先通过驱动机构将探头组件1向上移开约5cm，使探头组 件1与测量QCM4部分分离，使用滴管或注射器将毒液滴到测量QCM4的上 表面的分子筛吸附膜上，QCM的量程约为0.01mg～0.1mg，并精确控制所滴毒 液的量在QCM的测量量程内，液体分子会吸入到测量QCM4的上表面的分子 筛吸附膜内(分子级的多孔)，当测量QCM4的上表面的分子筛吸附膜吸入毒 液后，其测量QCM4通过QCM表面液体色谱分析膜获得待检毒液酸碱性，通过QCM谐振频率与质量的变化关系成正比，从而获得待检测毒液的密度，其 物理原理关系式为：
其中，Δf为测量QCM石英晶体谐振频率的变化；Δm为测量QCM石英 晶体电极表面质量的变化量；f为测量QCM石英晶体的基准频率；A为测量 QCM石英晶体表面电极厚度；μ为测量QCM石英晶体弹性刚度系数；ρ为测 量QCM石英晶体的密度；再通过热重分析反演获得毒品溶液中的种类组分比例，然后通过驱动机构将探头组件1移动到原来位置，实施提供的用于毒物分 析检测的内置液体加热脱附结构进行加热脱附时，先将薄膜加热片14通电加热温度达到220℃，与薄膜加热片14紧密贴合的辐射加热罩13同步受热温度 升高，测量QCM4表面吸附膜温度在6min可达到160℃，这样测量QCM4表 面分子筛吸附膜内所吸附的溶液分子就会通过辐射加热的方式进行脱附，通过 加热分解毒液中的不同元素，此时QCM谐振频率基本保持不变，然后再通过 热重分析反演获得毒品溶液中的种类和组分比例，同时使测量QCM4回到清 零状态，可以继续进行吸附。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领 域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之 内。
Claims (4)
1.一种用于毒物分析检测的QCM传感器，其特征在于，包括探头组件、驱动机构、盒体以及测量电路组件，其中：
所述测量电路组件设置在所述盒体内部；
所述探头组件安装在所述盒体的上方，并与所述测量电路组件电连接；
所述驱动机构固定在所述盒体的外壁上，并与所述探头组件连接，用于驱动所述探头组件运动；
所述探头组件包括隔热套结构、上压板、安装支架以及下压板，其中：
所述隔热套结构安装在所述上压板上；
所述上压板安装在所述安装支架的顶部；
所述下压板安装在所述安装支架的内部；
所述安装支架的底部与所述盒体连接，将所述探头组件固定在所述盒体上方；
所述隔热套结构包括外壳以及隔热套，所述隔热套内部设置有加热结构；
所述加热结构包括加热罩、薄膜加热片以及热敏电阻，用于加热脱附；
所述上压板上设置有测量QCM，所述测量QCM位于所述加热结构的内部；
所述下压板上设置有参考QCM；
所述测量QCM和所述参考QCM均含有液体色谱分析吸附膜。
2.如权利要求1所述的用于毒物分析检测的QCM传感器，其特征在于，所述安装支架的底部与所述盒体之间设置盒体隔热垫。
3.如权利要求1所述的用于毒物分析检测的QCM传感器，其特征在于，所述测量电路组件包括测量QCM电路板、电路板支架以及参考QCM电路板，其中：
所述电路板支架固定设置在所述盒体的内部；
所述测量QCM电路板设置在所述电路板支架的顶部；
所述参考QCM电路板设置在所述电路板支架的底部。
4.如权利要求1所述的用于毒物分析检测的QCM传感器，其特征在于，所述驱动机构包括电机、齿轮、丝杆以及从动螺母，其中：
所述电机固定在所述盒体的外壁上，通过齿轮与所述丝杆连接；
所述从动螺母设置在所述丝杆上，并与所述隔热套结构连接。
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