基于正交解调的阵列式石英晶体微天平系统设计与实现

发布时间：2017-11-08 13:07

  本文关键词：基于正交解调的阵列式石英晶体微天平系统设计与实现

  更多相关文章： 正交解调 阵列式QCM 耗散因子 静态电容

【摘要】：石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)是一种灵敏度极高的微小质量变化测量仪器,测量精度可达纳克级。QCM具有结构简单、稳定性好、响应速度快等优点,在微量化学、分子生物学、环境科学等领域得到了广泛应用。QCM仪器发展非常迅速,已从早期常规的QCM,发展到流动型QCM、耗散型QCM(QCM_D)、阵列式QCM等。其中,阵列式QCM与其他类型的QCM相比,由于具有可同时检测多个样品的优势,因此,能大大提高检测效率。阵列式QCM符合传感器阵列化的发展趋势,是QCM仪器发展的新方向。本文基于正交解调原理的QCM,设计并实现了一种阵列式QCM,该QCM最多可连接6个通道,可同时测量石英晶体的谐振频率和耗散因子;采用多通道分时测量方式,每个通道最高测量速度可达每秒15个数据点。为提高D因子的测量速度和精度,本文提出了利用石英晶体的相位信息获得D因子,实现了对D因子的快速测量。为了获得相位信息,需要补偿静态电容,为此,系统结合正交解调原理,设计静态电容补偿电路,实现了静态电容的自动补偿。系统的数据采集、存储和处理的过程由上位机控制。上位机通过USB与阵列式QCM下位机进行通信。上位机软件设计中,采用LabVIEW开发了系统的控制界面和数据保存程序。上位机可同时读取6个通道的测试数据,并实时显示谐振频率和D因子。为对阵列式QCM系统的性能进行测试,本文进行了以下实验:(1)对系统在空气中和纯水中的稳定性进行了测试,在两种环境中系统5分钟内的频率漂移均在±2Hz以内。(2)通过乙醇挥发和松香质量检测实验对系统的有效性进行了验证,得到的实验结果与理论值的误差在2%以内,并对误差产生的原因进行了分析。(3)通过对多种浓度丙三醇水溶液测试实验验证了阵列式QCM的高效性,实验过程中,仅用两组实验就完成了对12种浓度的丙三醇水溶液的测量工作。该实验的结果与著名的Kanazawa-Gordon方程结论一致。
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH715.11

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本文编号：1157239