一种光激电拾的el-qcm-d阵列化流体检测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种光激电拾的EL?QCM?D阵列化流体检测系统，系统包括激励光源、检测腔室、石英晶振、接收线圈和信号处理单元。检测系统采用文丘里管式结构系统，从而可以实现检测过程中对气相和液相的可兼容性检测。本发明采用瞬态响应法进行检测，激励信号通过自谐振光激方式获取，在石英晶振阵列中间设置棱镜，使得透过激光入口的光可以被分散到每个石英晶振上面，通过法布里?珀罗模型对无电极的石英晶振阵列进行激励，产生谐振。在无接触的条件下，接收线圈可以获取相应的振动信号并转换为线圈中的电信号，进而传送给信号处理单元获取特征参数，包括频率响应和耗散因子，从而实现无线QCM?D的无线激励与检测。本方案适用于传感器检测领域。
【专利说明】
一种光激电拾的EL-QCM-D阵列化流体检测系统
技术领域
[0001] 本发明涉及传感器检测领域，尤其是涉及一种光激电拾的EL-QCM-D阵列化流体检 测系统。
【背景技术】
[0002] QCM(石英晶体微天平）的测量原理是基于压电效应，当QCM的电极与待测物质相接 触时，待测物质的性质（如质量、粘度、密度等)就会改变QCM的谐振频率，QCM谐振频率的变 化与待测物质的质量成线性关系，因而可通过谐振频率的变化测得待测物质的变化。
[0003] 石英晶体微天平可能是现在研究最多的石英谐振式微天平传感器之一。这一种传 感器利用的是石英晶体谐振器的质量敏感特性。1995年，G.Z.Sauerbrey首次推导出了 Sauerbrey方程，用简单的公式描述出了石英晶体谐振频率f与表面质量变化m的关系，奠定 了石英晶体微天平应用于传感器技术的理论基础，使之得到了广泛的应用。
[0005] 其中fQ为石英晶振谐振频率，A为石英晶振中机械波传播的速率，pq为石英晶振的 密度，以<!为石英晶振的压电剪切模量，为石英晶振有效压电面积范围上频率的变化，Am 为石英晶振表面质量的变化。
[0006] 石英晶体微天平技术将质量变化转化为频率变化输出，检测装备结构简单，实验 过程操作简单，检测精度高加之耗散系数D的检测，可以得到待测物质的质量、形态、粘弹性 的变化。
[0007] 所谓振动激励，就是采用适当的电路与机械结构，将电能转换为机械能的过程。电 磁激励是利用电流导体在磁场中受洛伦兹力作用而产生受迫振动，工作稳定可靠，是传统 的谐振是传感器中最多采用的激励方式。但由于这种检测方式必须利用磁场，因此在传感 器微型化方面会比较困难。
[0008] 目前QCM传感器检测方法的研究主要集中在气相和液相稳定检测装置的设计方 面，这些装置方法往往由于操作复杂、耗时长、精度低、使用条件严格等因素限制了它的实 际应用。
【发明内容】
[0009] 本发明主要是解决现有技术所存在的操作复杂、耗时长、精度低、使用条件严格以 及针对检测对象的单一性等技术问题，提供一种设备简易、操作方便的EL-QCM-D(无电极耗 散型石英晶体微天平)阵列化流体检测系统，可以实现无线激励与检测以及多种对象的可 兼容处理。
[0010] 本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种光激电拾的 EL-QCM-D阵列化流体检测系统，包括：
[0011] 激励光源:发射激光对石英晶振进行激励，激光类型为He-Ne激光；
[0012] 检测腔室:流体流经检测腔室，实现对气相和液相检测的可兼容性；
[0013] 石英晶振:设置在检测腔室的中部位置，在激光的激励下产生交变电磁场；
[0014]接收线圈：接收石英晶振产生的交变电磁场产生电信号，并将电信号发送到信号 处理单元；
[0015] 信号处理单元:对从接收线圈接收得到的电信号进行滤波放大处理，通过示波器 进行显示，一定程度上可以反映被测对象的特征参数，再通过PC处理信号流获取被测对象 的特征参数，特征参数包括频率响应和耗散因子。
[0016] 由于采用无电极的石英晶振，同时激励光源与接收线圈和石英晶振阵列不直接接 触，从而可以实现QCM-D阵列的无线激励与检测。
[0017] 作为优选，激光对石英晶振的激励方法是自谐振激励。
[0018] 作为优选，所述检测腔室为文丘里管结构，包括依次连接的螺纹段、入口段、收缩 段、喉道、扩散段和出口段，石英晶振有若干个，环绕构成晶片阵列设置在喉道内，每个石英 晶振对应有一个接收线圈。
[0019] 文丘里管结构的检测腔室，便于实现检测过程中对气相和液相检测的兼容性处 理，同时文丘里效应也可以改善检测过程中的吸附和脱附性能。
[0020] 作为优选，所述石英晶振有四个，四个石英晶振两两对称，每个石英晶振与相邻的 石英晶振垂直。
[0021] 作为优选，所述出口段上设有激光入口，激光入口上设置有半透膜，激光从激光入 口进入检测腔室之后与晶片阵列的中心线重合，晶片阵列中心设置有使激光投射到各个石 英晶振上的棱镜。
[0022] 检测系统采用的是光激励中的自谐振激励方法，使用非调制的单色光源，透过法 布里-珀罗模型，可以在激光入口的半透膜和石英晶振表面获得稳定的光驻波能量，进而实 现对石英晶振阵列进行激励。同时为了实现QCM-D阵列化，在晶片阵列中心设置了棱镜，进 而可使激光投射到各个石英晶片上。石英晶振阵列实现谐振后，对应晶振相应位置的接收 线圈接收晶振的振动信号，转换为线圈中的电信号，传送到信号处理单元，进而获得相应的 特征参数。
[0023] 作为优选，接收线圈均为相同结构的平面螺旋结构线圈，最内部线圈直径为8mm-12mm，最外部线圈直径为16mm-24mm，平面螺旋结构线圈阻数为10-14;平面螺旋结构线圈电 容值为6.074nF，导纳为1.144mS。
[0024] 作为优选，石英晶振是无电极的AT切型的石英裸片，为非对称单面凸柱式结构，石 英晶振包括一体成型的基柱部分和凸柱部分，基柱部分和凸柱部分都为圆柱形，基柱部分 和凸柱部分的中心线重合，凸柱部分上表面涂覆有敏感膜，石英晶振的基频为6.0MHz，凸柱 部分直径为2-3mm，凸柱部分厚度为0.3mm，基柱部分的直径为4mm-6mm，基柱部分的厚度为 0.15mm-〇.2mm〇
[0025] 本方案中所用石英晶振，从敏感元件的材料组成结构来看，所用石英晶振采用组 合结构，在石英晶振表面添加一层敏感膜，敏感膜与谐振器之间会形成良好的声耦合，将敏 感材料和被测参数之间的相互作用转换为谐振器的等效参数变化。实际操作中，根据实验 过程中实验对象的不同，可采用不同的敏感材料膜，提高装置的适用范围。
[0026] 作为优选，所述信号处理单元包括滤波放大电路、示波器和PC机，所述滤波放大电 路的输入端连接接收线圈，输出端连接示波器，示波器与PC机连接。
[0027] 滤波放大电路(基频调节电路板)主要实现功能：基频调节电路板与稳压电源相 连，工作电压为12V，针对接收线圈接收得到的电信号进行滤波处理，提取有用的晶振衰减 振动信号，滤除噪声干扰;同时，将滤波的有用信号提取放大，方便后期的数据观察处理。滤 波放大电路对电信号滤波、提取、放大然后传送到示波器，示波器上显示的晶振振动波形图 传送至PC机终端进行分析处理，实现特征参数(频率响应、耗散因子)的计算。
[0028]本发明带来的实质性效果是，提供了一种光激电拾的EL-QCM-D阵列化流体检测系 统，实现了对气相和液相兼容处理的QCM-D阵列型传感器的无线激励与监测，简化了实验设 备，实验操作简单，有助于扩大QCM检测的应用范围以及生物系统的无损检测。
【附图说明】
[0029]图1是本发明的一种电路框图；
[0030]图2是本发明的一种检测腔室结构示意图；
[0031 ]图3是本发明的一种检测腔室喉道的剖视图；
[0032]图4是本发明的一种石英晶振主视图；
[0033] 图5是本发明的一种石英晶振俯视图；
[0034] 图中：1.He-Ne激光发射器，2.石英晶振，3.接收线圈，4.滤波放大电路，5.示波器， 6. PC机，7.流体入口，8.螺纹段，9.入口段，10.收缩段，11.石英晶振，12.激光入口，13.流体 出口，14.棱镜，15.喉道，16.扩散段，17.出口段，18.基柱部分，19.凸柱部分。
【具体实施方式】
[0035] 下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0036] 实施例:本实施例的一种光激电拾的EL-QCM-D阵列化流体检测系统，如图1所示， 包括：
[0037] 激励光源:发射激光对石英晶振进行激励，本实施例中激励光源为He-Ne激光发射 器1;
[0038] 检测腔室:流体流经检测腔室，实现对气相和液相检测的可兼容性；
[0039] 石英晶振2:设置在检测腔室的中部位置，在激光的激励下产生交变电磁场；
[0040] 接收线圈3:接收石英晶振产生的交变电磁场产生电信号，并将电信号发送到信号 处理单元；
[0041] 信号处理单元:对从接收线圈接收得到的电信号进行滤波放大处理，通过示波器 进行显示，一定程度上可以反映被测对象的特征参数，再通过PC处理信号流获取被测对象 的特征参数，特征参数包括频率响应和耗散因子。
[0042] 信号处理单元包括滤波放大电路4、示波器5和PC机6,滤波放大电路的输入端连接 接收线圈，输出端连接示波器，示波器与PC机连接。
[0043] 由于采用无电极的石英晶振，同时激励光源与接收线圈和石英晶振阵列不直接接 触，从而可以实现QCM-D阵列的无线激励与检测。
[0044] 如图2所示，检测腔室为文丘里管结构，包括依次连接的螺纹段8、入口段9、收缩段 10、喉道15、扩散段16和出口段17。如图3所示，石英晶振有4个，环绕构成晶片阵列设置在喉 道内，四个石英晶振两两对称，每个石英晶振与相邻的石英晶振垂直。每个石英晶振对应有 一个接收线圈。
[0045]文丘里管结构的检测腔室，便于实现检测过程中对气相和液相检测的兼容性处 理，同时文丘里效应也可以改善检测过程中的吸附和脱附性能。
[0046]出口段上设有激光入口 12，激光入口上设置有半透膜，激光从激光入口进入检测 腔室之后与晶片阵列的中心线重合，晶片阵列中心设置有使激光投射到各个石英晶振上的 棱镜14。
[0047] 检测系统采用的是光激励中的自谐振激励方法，使用非调制的单色光源，透过法 布里-珀罗模型，可以在激光入口的半透膜和石英晶振表面获得稳定的光驻波能量，进而实 现对石英晶振阵列进行激励。同时为了实现QCM-D阵列化，在晶片阵列中心设置了棱镜，进 而可使激光投射到各个石英晶片上。石英晶振阵列实现谐振后，对应晶振相应位置的接收 线圈接收晶振的振动信号，转换为线圈中的电信号，传送到信号处理单元，进而获得相应的 特征参数。
[0048] 接收线圈均为相同结构的平面螺旋结构线圈，最内部线圈直径为8mm-12mm，最外 部线圈直径为16mm-24mm，平面螺旋结构线圈匝数为10-14;平面螺旋结构线圈电容值为 6.074必，导纳为1.1441115。
[0049] 如图4和图5所示，石英晶振是无电极的AT切型的石英裸片，为非对称单面凸柱式 结构，石英晶振包括一体成型的基柱部分18和凸柱部分19，基柱部分和凸柱部分都为圆柱 形，基柱部分和凸柱部分的中心线重合，凸柱部分上表面涂覆有敏感膜，石英晶振的基频为 6.0MHz，凸柱部分直径为2-3mm，凸柱部分厚度为0.3_，基柱部分的直径为4mm-6mm，基柱部 分的厚度为〇. 15mm_0.2mm。
[0050] 本方案中所用石英晶振，从敏感元件的材料组成结构来看，所用石英晶振采用组 合结构，在石英晶振表面添加一层敏感膜，敏感膜与谐振器之间会形成良好的声耦合，将敏 感材料和被测参数之间的相互作用转换为谐振器的等效参数变化。实际操作中，根据实验 过程中实验对象的不同，可采用不同的敏感材料膜，提高装置的适用范围。
[0051] 滤波放大电路(基频调节电路板)主要实现功能：基频调节电路板与稳压电源相 连，工作电压为12V，针对接收线圈接收得到的电信号进行滤波处理，提取有用的晶振衰减 振动信号，滤除噪声干扰;同时，将滤波的有用信号提取放大，方便后期的数据观察处理。滤 波放大电路对电信号滤波、提取、放大然后传送到示波器，示波器上显示的晶振振动波形图 传送至PC机终端进行分析处理，实现特征参数(频率响应、耗散因子)的计算。
[0052] 本实验装置采用文丘里管结构来对气相和液相环境实现可兼容性检测，通过流体 入口 7处的螺纹结构与流体流通管道实现对接，相应流体从流体出口 13排出，方便不同环境 的QCM-D检测。
[0053] 本方案中，激励光源和石英晶振之间、石英晶振和接收线圈之间没有直接接触，均 是通过无线的方式传递信号，大大拓展了传感器的适用环境，降低了安装要求;文丘里管结 构的流体检测腔室大大提高了 QCM-D实际应用的范围，可实现兼容处理气相和液相环境下 的对象。
[0054] 本文中所描述的具体实施过程仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术 领域的技术人员可以对所描述的具体实施过程做各种各样的修改或补充或采用类似的方 式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
[0055]尽管本文较多地使用了石英晶振、激光发射器、示波器等术语，但并不排除使用其 它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质;把它们解 释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
【主权项】
1. 一种光激电拾的EL-QCM-D阵列化流体检测系统，其特征在于，包括： 激励光源:发射激光对石英晶振进行激励，激光类型为He-Ne激光； 检测腔室:流体流经检测腔室，实现对气相和液相检测的可兼容性； 石英晶振:设置在检测腔室的中部位置，在激光的激励下产生交变电磁场； 接收线圈：接收石英晶振产生的交变电磁场产生电信号，并将电信号发送到信号处理 单元； 信号处理单元:对从接收线圈接收得到的电信号进行滤波放大处理，通过示波器进行 显示，再通过PC处理信号流获取被测对象的特征参数，特征参数包括频率响应和耗散因子。2. 根据权利要求1所述的一种光激电拾的EL-QCM-D阵列化流体检测系统，其特征在于， 激光对石英晶振的激励方法是自谐振激励。3. 根据权利要求1所述的一种光激电拾的EL-QCM-D阵列化流体检测系统，其特征在于， 所述检测腔室为文丘里管结构，包括依次连接的螺纹段、入口段、收缩段、喉道、扩散段和出 口段，石英晶振有若干个，环绕构成晶片阵列设置在喉道内，每个石英晶振对应有一个接收 线圈。4. 根据权利要求3所述的一种光激电拾的EL-QCM-D阵列化流体检测系统，其特征在于， 所述石英晶振有四个，四个石英晶振两两对称，每个石英晶振与相邻的石英晶振垂直。5. 根据权利要求3或4所述的一种光激电拾的EL-QCM-D阵列化流体检测系统，其特征在 于，所述出口段上设有激光入口，激光入口上设置有半透膜，激光从激光入口进入检测腔室 之后与晶片阵列的中心线重合，晶片阵列中心设置有使激光投射到各个石英晶振上的棱 镜。6. 根据权利要求1或3所述的一种光激电拾的EL-QCM-D阵列化流体检测系统，其特征在 于，所述接收线圈为平面螺旋结构线圈，最内部线圈直径为8mm-l2mm，最外部线圈直径为 16mm-24mm，平面螺旋结构线圈匝数为10-14;平面螺旋结构线圈电容值为6.074nF，导纳为 1.144mS〇7. 根据权利要求3或4所述的一种光激电拾的EL-QCM-D阵列化流体检测系统，其特征在 于，所述石英晶振是无电极的AT切型石英裸片，石英晶振包括一体成型的基柱部分和凸柱 部分，基柱部分和凸柱部分都为圆柱形，基柱部分和凸柱部分的中心线重合，凸柱部分上表 面涂覆有敏感膜，石英晶振的基频为6.0MHz，凸柱部分直径为2-3mm，凸柱部分厚度为 0.3mm，基柱部分的直径为，基柱部分厚度为0.15mm-〇. 2mm。8. 根据权利要求1所述的一种光激电拾的EL-QCM-D阵列化流体检测系统，其特征在于， 所述信号处理单元包括滤波放大电路、示波器和PC机，所述滤波放大电路的输入端连接接 收线圈，输出端连接示波器，示波器与PC机连接。
【文档编号】G01G3/16GK106092802SQ201610307151
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】李光, 孙喜洋, 胡瑞芬
【申请人】浙江大学