[发明专利]一种石英晶体微天平痕量氨气检测装置

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种气体浓度的检测装置，具体地说是一种应用石英晶体微天平检测氨气的装置。

 

背景技术

在畜禽生产当中，畜禽生长环境中NH₃的含量检测极为重要，首先NH₃是一种刺激性气体，大量排放的NH₃对大气环境形成污染，对工作人员造成身体危害。其次，NH₃直接影响动物的生长与健康情况，影响畜牧业的产出。

石英晶体微天平（QCM）是一种基于石英晶体的压电效应对其电极表面质量变化进行测量的传感器件。当给石英晶体一个电场时，在晶体某些方向则会出现相应的应变，这种应变与电场强度成线性关系。如果该电场是交变电场，则在晶格内会引起一定频率的机械震荡，当震荡的频率(即晶体的固有频率)与震荡电路的频率一致时，便会产生谐振，其谐振频率为

其中：为晶体的压电强化剪切模量，为晶体的密度，A为有效压电面积，为晶体质量变化量。当晶体处于谐振状态时，振荡最稳定，石英晶体微天平（QCM）就是根据此原理设计出来的。由于其具有特异性好、灵敏度高、成本低与操作简单等优点，可以检测到低至纳克的痕量物质质量的变化，因此被广泛应用于可吸附的微量物质检测。

 

发明内容

本发明的目的在于提供一种灵敏度较高、成本低、便于操作、选择性好的应用石英晶体微天平（QCM）检测氨气的传感器装置。

本发明的石英晶体微天平痕量氨气检测装置，包括敏感QCM传感器和参比QCM传感器，两者分别连接在晶体振荡电路A和晶体振荡电路B中，所述晶体振荡电路A和晶体振荡电路B的信号输出端分别连接测频电路A和测频电路B；并经差频电路和数据采集卡与内置Labview数据采集处理程序的PC机连接；

所述敏感QCM传感器为电极表面涂覆有聚苯胺薄膜的晶振。

所述参比QCM传感器为AT切型的6MHz晶振。

所述晶体振荡电路为并联型谐振电路，所述晶振工作于串联谐振频率和并联谐振频率之间，并且与外接的电容CA₁、CA₂构成了LG三点式振荡器。

所述晶体振荡电路的反相器为74HC04。

所述测频电路采用单片机进行频率测量并且利用复杂可编程逻辑器件CPLD进行分频。

所述差频电路为主要由D触发器构成的简易差频电路，所述敏感QCM传感器的输出信号和参比QCM传感器的输出信号分别输入D触发器的D端和触发端Vck。

所述数据采集卡为PCI-1714。

本发明的石英晶体微天平痕量氨气检测装置与现有装置相比具有以下优点：灵敏度高，设计了单片机与CPLD相结合的测频电路方式，提高了频率测量的精度与范围；受环境因素影响小，参比QCM的引入消除了环境温度、湿度等因素对检测结果的影响；选择性好，制作聚苯胺薄膜对氨气具有单一的吸收性，不易受其它气体干扰。

 

附图说明

图1为本发明的氨气检测装置系统框图；

图2为驱动QCM振荡电路图；

图3为测频电路结构图；

图4为敏感QCM与参比QCM的差频电路图；

图5为上位机软件总体程序结构图；

图6为氨气浓度检测曲线图；

图7为氨气检测结果线性关系图。

 

具体实施方式