多通道石英晶体微天平阵列以及基于该阵列的测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种多通道石英晶体微天平阵列以及基于该阵列的测量系统。其中，微天平阵列包括QCM气敏传感器阵列，阵列中的每一个气敏传感器连接各自的QCM振荡电路；所述阵列中的气敏传感器为彼此之间对不同气体敏感的气敏传感器。测量系统包括阵列以及与阵列相连接的FPGA模块和上位机。通过石英晶体微天平阵列测量室内有害气体的种类和浓度，解决了单一气敏传感器不具备自动识别气体种类和数量的问题。同时，通过以太网远程传输测量数据到上位机，并将数据在上位机处理、存储、显示、控制，解决了需要人现场长时间测量的问题，保证了人身安全。
【专利说明】多通道石英晶体微天平阵列w及基于该阵列的测量系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种有害气体测量装置，具体地说是涉及一种多通道石英晶体微天平 (QCM)测量系统。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，大量新型建筑和装饰材料、 日用化学品进入住宅和公共建筑物，加之现代建筑物的密闭化，造成室内空气污染问题日 益突出，引起眼及鼻腔粘膜刺激、过敏性皮炎、哮喘、癌症、白血病等疾病，危害人体健康，日 益受到社会各界关注。因此，研究检测室内空气质量的测量系统，为人们提供一个健康、安 全的生活环境，有重要意义。
[0003] 然而，单个的气敏传感器功能十分有限，目前还没有发现只对某种气体单一敏感 的传感器材料。单个传感器对不同气体敏感响应可能会有变化，但它不具备自动识别气体 种类和数量的能力，所W可W通过采用多个传感器构成阵列来解决上述问题，同时输入更 多的信号进行判断识别。
[0004] 目前，气敏传感器按照工作原理可W将其分为：金属氧化物半导体传感器，导电 性气敏传感器，压电类气敏传感器和光纤类气敏传感器。基于质量效应的石英晶体微天平 (QCM)气体传感器，W其自身灵敏度高和选择性好等等优点在许多微量气体检测中得到了 广泛应用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种多通道石英晶体微天平阵列，W及基于该阵列的有害气 体测量系统，解决了单一气敏传感器不具备自动识别气体种类和数量的问题。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用W下技术方案： 一种多通道石英晶体微天平阵列，它包括QCM气敏传感器阵列，阵列中的每一个气敏 传感器连接各自的QCM振荡电路；所述阵列中的气敏传感器为彼此之间对不同气体敏感的 气敏传感器。
[0007] 所述的QCM气敏传感器为32阵列。
[000引所述的QCM振荡电路包括由两个反相器串联构成的放大电路；放大电路的输出端 通过谐振电路连接放大电路的输入端，由此构成反馈振荡电路。
[0009] 所述的谐振电路由晶体W及分别与晶体并联设置的两个电容构成，且两个电容接 地。
[0010] 一种基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统，它包括： 多通道石英晶体微天平阵列，它将气体浓度变化转化为频率变化，输出若干通道的频 率信号； FPGA模块，FPGA模块采集多通道石英晶体微天平阵列的频率信号，并将采集到的频率 数据封装成UDP包，通过控制W太网模块将UDP数据包发送至上位机； 上位机，接收下位机发送的UDP数据包，提取频率信号，对该些数据进行实时存储、显 示、处理和控制。
[0011] 所述的W太网模块集成单芯片快速W太网MAC控制器与处理接口、一个10/100M 自适应的PHY和4K DW0畑值的SRAM,用于收发W太网数据包。
[0012] 所述W太网模块是DM9000A芯片。
[0013] 所述FPGA模块还连接有3 2位嵌入式处理器Nios II，用于接收上位机发送的指 令，控制整个系统工作。
[0014] 所述 FPGA 模块是切clone IV EP4CE15F17C9N 芯片。
[0015] 所述的多通道石英晶体微天平阵列包括QCM气敏传感器阵列，阵列中的每一个气 敏传感器连接各自的QCM振荡电路；所述阵列中的气敏传感器为彼此之间对不同气体敏感 的气敏传感器。
[0016] 采用上述技术方案的本发明，通过石英晶体微天平阵列测量室内有害气体的种类 和浓度，解决了单一气敏传感器不具备自动识别气体种类和数量的问题。同时，通过W太网 远程传输测量数据到上位机，并将数据在上位机处理、存储、显示、控制，解决了需要人现场 长时间测量的问题，保证了人身安全。本发明只用到了一块FPGA芯片和一个百兆W太网芯 片，和其他嵌入式系统相比，降低了成本，提高了传输速度，有助于实时处理。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1为本发明的原理框图。
[001引图2是本发明QCM气敏传感器阵列中的QCM振荡电路原理图。
[0019] 图3是本发明的硬件系统图。
[0020] 图4是本发明中N ios II的软件流程图。
【具体实施方式】
[0021] 如图1所示，一种多通道石英晶体微天平阵列，它包括QCM气敏传感器阵列，阵列 中的每一个气敏传感器连接各自的QCM振荡电路。
[002引 QCM气敏传感器采用32阵列，阵列中的气敏传感器为彼此之间对不同气体敏感的 气敏传感器，其中对不同气体敏感的气敏传感器为现有技术。32个石英晶体微天平QCM阵 列，将采集到的气体浓度信息转化为频率信息，其中利用了德国科学家Sauerbrey推导出 的石英晶体的谐振频率和晶体电极表面质量负载变化之间的关系式：
【权利要求】
1. 一种多通道石英晶体微天平阵列，其特征在于：它包括QCM气敏传感器阵列，阵列中 的每一个气敏传感器连接各自的QCM振荡电路；所述阵列中的气敏传感器为彼此之间对不 同气体敏感的气敏传感器。
2. 根据权利要求1所述的多通道石英晶体微天平阵列，其特征在于：所述的QCM气敏 传感器为32阵列。
3. 根据权利要求1所述的多通道石英晶体微天平阵列，其特征在于：所述的QCM振荡 电路包括由两个反相器串联构成的放大电路；放大电路的输出端通过谐振电路连接放大电 路的输入端，由此构成反馈振荡电路。
4. 根据权利要求3所述的多通道石英晶体微天平阵列，其特征在于：所述的谐振电路 由晶体以及分别与晶体并联设置的两个电容构成，且两个电容接地。
5. -种基于权利要求1-4任一实现的多通道石英晶体微天平阵列的测量系统，其特征 在于，它包括： 多通道石英晶体微天平阵列，它将气体浓度变化转化为频率变化，输出若干通道的频 率信号； FPGA模块，FPGA模块采集多通道石英晶体微天平阵列的频率信号，并将采集到的频率 数据封装成UDP包，通过控制以太网模块将UDP数据包发送至上位机； 上位机，接收下位机发送的UDP数据包，提取频率信号，对这些数据进行实时存储、显 示、处理和控制。
6. 根据权利要求5所述基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统，其特征在于：所 述的以太网模块集成单芯片快速以太网MAC控制器与处理接口、一个10/100M自适应的PHY 和4K DWORD值的SRAM，用于收发以太网数据包。
7. 根据权利要求6所述基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统，其特征在于：所 述以太网模块是DM9000A芯片。
8. 根据权利要求5所述基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统，其特征在于：所 述FPGA模块还连接有3 2位嵌入式处理器Nios II，用于接收上位机发送的指令，控制整个 系统工作。
9. 根据权利要求8所述基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统，其特征在于：所 述 FPGA 模块是 Cyclone IV EP4CE15F17C9N 芯片。
10. 根据权利要求5所述基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统，其特征在于：所 述的多通道石英晶体微天平阵列包括QCM气敏传感器阵列，阵列中的每一个气敏传感器连 接各自的QCM振荡电路；所述阵列中的气敏传感器为彼此之间对不同气体敏感的气敏传感 器。
【文档编号】G01N5/00GK104422630SQ201310408641
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】李磊, 徐甲强, 柴小卫, 孙鹏, 王晓华, 蔡玉宝, 陈云鹏, 张飞飞, 解莹莹, 孙兰轩, 郭彩萍 申请人:河南圣玛斯光电科技有限公司