一種電磁激勵(lì)的無線qcm-d傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電磁激勵(lì)的無線QCM?D傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)生器、阻抗調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)、激勵(lì)線圈、石英晶振片、接收線圈和信號(hào)處理單元。系統(tǒng)采用瞬態(tài)響應(yīng)法進(jìn)行檢測(cè)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，通過阻抗調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到平面螺旋結(jié)構(gòu)的激勵(lì)線圈，激勵(lì)產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)。線圈在無接觸的條件下，使無電極的石英晶片起振，接收線圈獲取相應(yīng)的振動(dòng)信號(hào)并轉(zhuǎn)換為線圈中的電信號(hào)，進(jìn)而傳送給信號(hào)處理單元獲取特征參數(shù)，包括頻率響應(yīng)和耗散因子，從而實(shí)現(xiàn)QCM的無線激勵(lì)與檢測(cè)。本方案適用于傳感器檢測(cè)領(lǐng)域。
【專利說明】
一種電磁激勵(lì)的無線QCM-D傳感器檢測(cè)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及傳感器檢測(cè)領(lǐng)域，尤其是涉及一種電磁激勵(lì)的無線QCM-D傳感器檢測(cè) 系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] QCM(石英晶體微天平）的測(cè)量原理是基于壓電效應(yīng)，當(dāng)QCM的電極與待測(cè)物質(zhì)相接 觸時(shí)，待測(cè)物質(zhì)的性質(zhì)（如質(zhì)量、粘度、密度等)就會(huì)改變QCM的諧振頻率，QCM諧振頻率的變 化與待測(cè)物質(zhì)的質(zhì)量成線性關(guān)系，因而可通過諧振頻率的變化測(cè)得待測(cè)物質(zhì)的變化。
[0003] 石英晶體微天平可能是現(xiàn)在研究最多的石英諧振式微天平傳感器之一。這一種傳 感器利用的是石英晶體諧振器的質(zhì)量敏感特性。1995年，G.Z. Sauerbrey首次推導(dǎo)出了 Sauerbrey方程，用簡(jiǎn)單的公式描述出了石英晶體諧振頻率f與表面質(zhì)量變化m的關(guān)系，奠定 了石英晶體微天平應(yīng)用于傳感器技術(shù)的理論基礎(chǔ)，使之得到了廣泛的應(yīng)用。
[0004]
[0005] 其中fQ為石英晶振諧振頻率，A為石英晶振中機(jī)械波傳播的速率，Pq為石英晶振的 密度，以<!為石英晶振的壓電剪切模量，為石英晶振有效壓電面積范圍上頻率的變化，Am 為石英晶振表面質(zhì)量的變化。
[0006] 石英晶體微天平技術(shù)將質(zhì)量變化轉(zhuǎn)化為頻率變化輸出，檢測(cè)裝備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn) 過程操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)精度高加之耗散系數(shù)D的檢測(cè)，可以得到待測(cè)物質(zhì)的質(zhì)量、形態(tài)、粘彈性 的變化。
[0007] 所謂振動(dòng)激勵(lì)，就是采用適當(dāng)?shù)碾娐放c機(jī)械結(jié)構(gòu)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程。電 磁激勵(lì)是利用電流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受洛倫茲力作用而產(chǎn)生受迫振動(dòng)，工作穩(wěn)定可靠，是傳統(tǒng) 的諧振是傳感器中最多采用的激勵(lì)方式。但由于這種檢測(cè)方式必須利用磁場(chǎng)，因此在傳感 器微型化方面會(huì)比較困難。
[0008] 目前QCM傳感器檢測(cè)方法的研究主要集中在氣相和液相穩(wěn)定檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)方 面，這些裝置方法往往由于操作復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、精度低、使用條件嚴(yán)格等因素限制了它的實(shí) 際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的操作復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、精度低、使用條件嚴(yán)格等 的技術(shù)問題，提供一種設(shè)備簡(jiǎn)易、操作方便的電磁激勵(lì)的無線非接觸式QCM-D(耗散型石英 晶體微天平)傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)無線激勵(lì)和檢測(cè)。
[0010] 本發(fā)明針對(duì)上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的：一種電磁激勵(lì)的 無線QCM-D傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，包括：
[0011] 驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器：產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)并將驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過阻抗調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給激勵(lì)線 圈，本系統(tǒng)所采用的方法是瞬態(tài)響應(yīng)法，首先在石英晶振的諧振頻率點(diǎn)附近施加激勵(lì)信號(hào)， 此時(shí)石英晶振工作在諧振頻率點(diǎn)，當(dāng)突然撤去激勵(lì)信號(hào)后，石英晶振便會(huì)工作在一種欠阻 尼的方式下；
[0012] 阻抗調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)：調(diào)節(jié)激勵(lì)線圈的阻抗;具體調(diào)節(jié)過程中可根據(jù)示波器顯示圖線判 斷是否達(dá)到最大振動(dòng)幅值，從而實(shí)現(xiàn)石英晶體振蕩器的起振，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)晶振片的振動(dòng)分 析；
[0013] 激勵(lì)線圈：在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下形成交替變化的磁場(chǎng)，觸發(fā)產(chǎn)生交變電場(chǎng)，進(jìn)而驅(qū) 動(dòng)石英晶振片產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)；
[0014] 石英晶振片:在交變電磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下振動(dòng)變形，具體體現(xiàn)為石英晶振片的兩個(gè)表面 上產(chǎn)生交變電荷；
[0015] 接收線圈：接收石英晶振片產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)產(chǎn)生電信號(hào)，并將電信號(hào)發(fā)送到信 號(hào)處理單元；
[0016] 信號(hào)處理單元:依據(jù)電信號(hào)得到被測(cè)對(duì)象的特征參數(shù)，特征參數(shù)包括頻率響應(yīng)和 耗散因子；由于系統(tǒng)檢測(cè)過程采用的是瞬態(tài)響應(yīng)法，因此通過對(duì)石英晶振衰減信號(hào)的分析 即可以得到晶振的諧振頻率和耗散因子。
[0017] 由于采用無電極的石英晶片，同時(shí)激勵(lì)與接收線圈和石英晶振片不直接接觸，從 而可以實(shí)現(xiàn)QCM的無線激勵(lì)與檢測(cè)。
[0018] 驅(qū)動(dòng)信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，通過阻抗調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)負(fù)載阻抗，并與激勵(lì)源內(nèi)部 阻抗相互匹配，使觸發(fā)系統(tǒng)工作在最大功率輸出狀態(tài)。激勵(lì)線圈通過連接阻抗調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)實(shí) 現(xiàn)激勵(lì)線路中驅(qū)動(dòng)信號(hào)的調(diào)整，通過調(diào)節(jié)激勵(lì)信號(hào)的頻率來匹配晶體振蕩器的諧振頻率， 激勵(lì)產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，使得無電極的石英晶片起振，接收線圈接收晶振片的振動(dòng)信號(hào)，轉(zhuǎn)換 為線圈中的電信號(hào)，傳送到信號(hào)處理單元，進(jìn)而獲得相應(yīng)的特征參數(shù)。
[0019] 作為優(yōu)選，激勵(lì)線圈和接收線圈為相同結(jié)構(gòu)的平面螺旋結(jié)構(gòu)線圈，最內(nèi)部線圈直 徑為8mm-12mm，最外部線圈直徑為16mm-24mm，平面螺旋結(jié)構(gòu)線圈IM數(shù)為10-14;平面螺旋結(jié) 構(gòu)線圈電容值為6.074nF，導(dǎo)納為1.144mS。
[0020] 作為優(yōu)選，石英晶振片是無電極的AT切型的石英裸片，石英晶振片的上表面通過 滴涂法涂覆有敏感膜，石英晶振片的基頻為6 . OMHz，直徑為8.5mm-8.8mm，膜片厚度為 0.3mm。石英晶振片在交變電磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下振動(dòng)變形。
[0021] 本方案中所用石英晶振片，從敏感元件的材料組成結(jié)構(gòu)來看，所用石英晶振片采 用組合結(jié)構(gòu)，在石英晶體振蕩器表面添加一層敏感膜，敏感膜與諧振器之間會(huì)形成良好的 聲耦合，將敏感材料和被測(cè)參數(shù)之間的相互作用轉(zhuǎn)換為諧振器的等效參數(shù)變化。實(shí)驗(yàn)中，將 納米級(jí)的Ni(OH) 2溶于低沸點(diǎn)的易揮發(fā)溶劑（如無水乙醇）中，使用移液槍移取適當(dāng)量溶液 (15~20ul )，將溶液均勻的涂抹在石英晶體的上表面，任其擴(kuò)散、均勻地分布在晶片表面。 再將石英晶體放置于干燥箱中放置一定時(shí)間（2-24小時(shí)），使得溶劑完全揮發(fā)掉。實(shí)際操作 中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)對(duì)象的不同，可采用不同的敏感材料膜，提高裝置的適用范圍。
[0022] 作為優(yōu)選，所述傳感器檢測(cè)系統(tǒng)采用瞬態(tài)響應(yīng)法，首先在石英晶振的諧振頻率點(diǎn) 附近施加激勵(lì)信號(hào)，使石英晶振工作在諧振頻率上，當(dāng)突然撤去激勵(lì)信號(hào)時(shí)，石英晶振便會(huì) 工作在欠阻尼狀態(tài)下，通過對(duì)石英晶振衰減信號(hào)的分析可以得到晶振的諧振頻率和耗散因 子，獲取更多的檢測(cè)過程信息。
[0023] 作為優(yōu)選，所述信號(hào)處理單元包括濾波放大電路、示波器和PC機(jī)，所述濾波放大電 路的輸入端連接接收線圈，輸出端連接示波器，示波器與PC機(jī)連接。
[0024] 濾波放大電路(基頻調(diào)節(jié)電路板)主要實(shí)現(xiàn)功能：基頻調(diào)節(jié)電路板與穩(wěn)壓電源相 連，工作電壓為12V，針對(duì)接收線圈接收得到的電信號(hào)進(jìn)行濾波處理，提取有用的晶振衰減 振動(dòng)信號(hào)，濾除噪聲干擾;同時(shí)，將濾波的有用信號(hào)提取放大，方便后期的數(shù)據(jù)觀察處理。濾 波放大電路對(duì)電信號(hào)濾波、提取、放大然后傳送到示波器，示波器上顯示的晶片振動(dòng)波形圖 傳送至PC機(jī)終端進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)特征參數(shù)(頻率響應(yīng)、耗散因子)的計(jì)算。
[0025] 本發(fā)明帶來的實(shí)質(zhì)性效果是，提供了一種電磁激勵(lì)的無線QCM-D傳感器，實(shí)現(xiàn)了 QCM傳感器的電磁無線激勵(lì)與監(jiān)測(cè)，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，有助于擴(kuò)大QCM檢測(cè)的 應(yīng)用范圍以及生物系統(tǒng)的無損檢測(cè)。
【附圖說明】
[0026] 圖1是本發(fā)明的一種電路結(jié)構(gòu)圖；
[0027] 圖2是本發(fā)明的一種激勵(lì)線圈、接收線圈和石英晶振片相對(duì)位置示意圖；
[0028] 圖3是本發(fā)明的一種激勵(lì)線圈俯視圖；
[0029] 圖中：1.激勵(lì)線圈，2.接收線圈，3.石英晶振片，4.敏感膜，5.驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器，6. 阻抗調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，7.濾波放大電路，8.示波器，9. PC機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。
[0031] 實(shí)施例：本實(shí)施例的一種電磁激勵(lì)的無線QCM-D傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示，包 括:驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器5、阻抗調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)6、激勵(lì)線圈1、石英晶振片3、接收線圈2和信號(hào)處理單 元。信號(hào)處理單元包括濾波放大電路7、示波器8和PC機(jī)9。
[0032] 激勵(lì)線圈和接收線圈為平面螺旋結(jié)構(gòu)線圈，最內(nèi)層線圈直徑為10mm，最外層線圈 直徑為20mm，線圈匝數(shù)為10;線圈電容值為6.074nF，導(dǎo)納為1.144mS。
[0033] 石英晶振片是無電極的AT切型石英裸片，石英晶振片的上表面通過滴涂法涂覆有 敏感膜，石英晶振片的基頻為6. OMHz，直徑為8.65mm，膜片厚度為0.3mm。
[0034] 驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器通過阻抗調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)連接激勵(lì)線圈，激勵(lì)線圈根據(jù)流過的射頻電流 來產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，進(jìn)而引發(fā)交變電場(chǎng)來誘導(dǎo)壓電石英晶片起振。石英晶振片在交變電磁場(chǎng) 驅(qū)動(dòng)下振動(dòng)變形。接收線圈會(huì)收到石英晶片振動(dòng)帶來的交變電磁場(chǎng)信號(hào)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為線圈 中的電流信號(hào)，然后發(fā)送給信號(hào)處理單元。
[0035] 激勵(lì)信號(hào)源一般采用信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)發(fā)生器可以采用示波器，接收線圈和信號(hào) 發(fā)生器之間可以串接有濾波放大電路，濾波放大電路針對(duì)接收線圈接收得到的電信號(hào)進(jìn)行 濾波處理，提取有用的晶振衰減振動(dòng)信號(hào)，濾除噪聲干擾；同時(shí)，將濾波后的有用信號(hào)提取 放大，方便后期的數(shù)據(jù)觀察處理。
[0036] 本方案中，激勵(lì)線圈和石英晶振片之間、石英晶振片和接收線圈之間沒有直接接 觸，通過無線的方式傳遞信號(hào)，拓展了傳感器的適用環(huán)境，降低了安裝要求。
[0037] 本文中所描述的具體實(shí)施過程僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù) 領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施過程做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方 式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
[0038]盡管本文較多地使用了石英晶振片、激勵(lì)線圈、示波器等術(shù)語，但并不排除使用其 它術(shù)語的可能性。使用這些術(shù)語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發(fā)明的本質(zhì);把它們解 釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種電磁激勵(lì)的無線QCM-D傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括： 驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器:產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)并將驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過阻抗調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給激勵(lì)線圈； 阻抗調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò):調(diào)節(jié)激勵(lì)線圈的阻抗； 激勵(lì)線圈：在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下形成交替變化的磁場(chǎng)，觸發(fā)產(chǎn)生交變電場(chǎng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)石 英晶振片產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)； 石英晶振片:在交變電磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下振動(dòng)變形； 接收線圈：接收石英晶振片產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)產(chǎn)生電信號(hào)，并將電信號(hào)發(fā)送到信號(hào)處 理單元； 信號(hào)處理單元:依據(jù)電信號(hào)得到被測(cè)對(duì)象的特征參數(shù)，特征參數(shù)包括頻率響應(yīng)和耗散 因子。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電磁激勵(lì)的無線QCM-D傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所 述激勵(lì)線圈和接收線圈為相同結(jié)構(gòu)的平面螺旋結(jié)構(gòu)線圈，最內(nèi)部線圈直徑為8mm-12mm，最 外部線圈直徑為16mm-24mm，平面螺旋結(jié)構(gòu)線圈匝數(shù)為10-14;平面螺旋結(jié)構(gòu)線圈電容值為 6.074必，導(dǎo)納為1.1441115。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種電磁激勵(lì)的無線QCM-D傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于， 所述石英晶振片是無電極的AT切型的石英裸片，石英晶振片的上表面通過滴涂法涂覆有敏 感膜，石英晶振片的基頻為6.0MHz，直徑為8.5mm-8.8mm，膜片厚度為0.3mm。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種電磁激勵(lì)的無線QCM-D傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所 述傳感器檢測(cè)系統(tǒng)采用瞬態(tài)響應(yīng)法，首先在石英晶振的諧振頻率點(diǎn)附近施加激勵(lì)信號(hào)，使 石英晶振工作在諧振頻率上，當(dāng)突然撤去激勵(lì)信號(hào)時(shí)，石英晶振便會(huì)工作在欠阻尼狀態(tài)下， 通過對(duì)石英晶振衰減信號(hào)的分析可以得到晶振的諧振頻率和耗散因子，獲取更多的檢測(cè)過 程信息。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種電磁激勵(lì)的無線QCM-D傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所 述信號(hào)處理單元包括濾波放大電路、示波器和PC機(jī)，所述濾波放大電路的輸入端連接接收 線圈，輸出端連接示波器，示波器與PC機(jī)連接。
【文檔編號(hào)】G01N5/00GK105842100SQ201610149108
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月15日
【發(fā)明人】胡瑞芬, 陳達(dá)奇, 李光, 孫喜洋
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)