石英晶體微天平氣敏傳感器陣列測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

1、石英晶體微天平(QuartzCrystalMicrobalance—QCM)氣敏傳感器是一種靈敏度可以達(dá)到納克級(jí)質(zhì)量型傳感器，QCM傳感器具有選擇性好、靈敏度高、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，并且儀器簡(jiǎn)單、操作方便。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石英晶體吸附其他物質(zhì)時(shí)，其固有頻率會(huì)發(fā)生變化，利用石英晶體這一特性，在石英晶體表面涂一層待測(cè)氣體敏感膜，選擇性氣體敏感膜吸附待測(cè)氣體后，晶振頻率會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量QCM晶振頻率變化以推斷有毒氣體種類及其濃度變化。根據(jù)上

2、述原理，QCM氣敏傳感器可用于氣體化學(xué)成分和濃度的分析。
　　研究表明，現(xiàn)有單通道QCM以其功能有限正逐漸被淘汰。目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)只對(duì)單一氣體敏感的傳感器材料。單個(gè)傳感器對(duì)不同氣體敏感響應(yīng)可能會(huì)有變化，但不具備自動(dòng)識(shí)別氣體種類和濃度的能力。采用多通道QCM氣敏傳感器陣列可解決以上問(wèn)題。
　　頻率信號(hào)采集主要采用USB、PCI、以太網(wǎng)三種傳輸方式。相對(duì)于USB、PCI傳輸方式，以太網(wǎng)傳輸方式具有穩(wěn)定性高、價(jià)格低廉、傳輸速度快、傳

3、輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。
　　本設(shè)計(jì)采用一種基于以太網(wǎng)傳輸協(xié)議的32通道石英晶體微天平(QCM)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由QCM氣敏傳感器陣列起振模塊和高精度頻率采集卡組成。起振模塊包括石英晶體振蕩電路和32路石英晶體，起振模塊產(chǎn)生32路石英晶體頻率信號(hào);高精度頻率采集卡包括FPGA模塊、EPCS模塊、SDRAM模塊、FLASH模塊、百兆以太網(wǎng)模塊等，高精度頻率采集卡通過(guò)FPGA內(nèi)部計(jì)數(shù)器直接采樣頻率信號(hào)，同時(shí)將頻率信號(hào)數(shù)據(jù)封裝成UDP數(shù)據(jù)包，通

4、過(guò)以太網(wǎng)高速傳輸給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理及信號(hào)波形顯示。
　　本文使用Verilog語(yǔ)言完成FPGA內(nèi)部計(jì)數(shù)器及定時(shí)器邏輯的編寫;在NIOS(Ⅱ)IDE中使用C語(yǔ)言完成以太網(wǎng)傳輸協(xié)議及百兆以太網(wǎng)的控制;使用VisualC＃實(shí)現(xiàn)PC機(jī)界面顯示程序，用于整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)。
　　測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、多通道、高速、高精度的采集和發(fā)送數(shù)據(jù)?；谝陨瞎δ?，本系統(tǒng)可應(yīng)用于室內(nèi)有毒氣體的測(cè)量、數(shù)據(jù)采集等科學(xué)研究領(lǐng)域