基于石英晶体微天平的气敏材料评估装置的制作方法

本发明涉及废气处理装置领域，尤其涉及一种基于石英晶体微天平的气敏材料评估装置。

背景技术：

目前，市面上的石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance，QCM)实验仪器设备普遍功能简单，且智能化程度不够高，其检测过程的进行、数据的采集和处理多为人工处理，检测工序复杂，效率低，容易出现人为失误而引起测量的误差；且无法独立实现对检测环境的更改，通用性较低。

技术实现要素：

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于石英晶体微天平的气敏材料评估装置，可实现多种检测环境的调节，并具有智能化程度高、操作便捷和通用性强的优点。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于石英晶体微天平的气敏材料评估装置，包括一气体反应仓、一石英晶体微天平、一环境调节机构、至少一入气管道、一石英晶体振荡驱动电路、一频率计量电路和一上位机；所述石英晶体微天平和所述环境调节机构设置于所述气体反应仓内，所述入气管道与所述气体反应仓连通，所述石英晶体振荡驱动电路连接所述石英晶体微天平，所述频率计量电路连接所述石英晶体振荡驱动电路；所述频率计量电路和所述上位机通信连接。

优选地，所述环境调节机构包括：分别与所述上位机通信连接的一超声波湿度发生器、一负氧离子发生器、一陶瓷加热板和/或一红外激光发射器；所述石英晶体微天平包括一气敏材料涂覆区，所述红外激光发射器的一发射口朝向所述气敏材料涂覆区设置。

优选地，还包括一气体压力调节阀和/或一气体流量计，所述气体压力调节阀和所述气体流量计安装于所述入气管道上。

优选地，所述石英晶体振荡驱动电路包括：

一电源输入端；

一反相器，所述反相器的VCC端连接所述电源输入端，所述反相器的GND端接地；

一第一电容，所述第一电容连接于所述电源输入端和所述接地端之间；

一第二电容，所述第二电容的第一端连接所述反相器的A端和所述石英晶体微天平，所述第二电容的第二端连接所述接地端；

一第一电阻，所述第一电阻的第一端连接所述反相器的Y端，所述第一电阻的第二端连接所述频率计量电路；

一第二电阻，所述第二电阻的第一端连接所述反相器的Y端，所述第二电阻的第二端连接所述石英晶体微天平；

一第三电容，所述第三电容连接于所述第二电阻的第二端和所述接地端之间；和

一第三电阻，所述第三电阻的第一端连接所述反相器的A端，所述第三电阻的第二端连接所述第二电阻的第二端。

优选地，所述频率计量电路包括：一第一电位器、一第一计数器、一多路复用器、一第二电位器和一第二计数器；所述第一电位器、所述第一计数器和所述多路复用器依次连接，所述第二电位器连接所述第二计数器，所述第二计数器连接所述第一计数器，所述多路复用器连接所述第一电阻的第二端。

优选地，所述第一计数器和所述第二计数器采用型号为SN74HC393的二进制计数器；所述第一电位器的四个输入端分别连接所述第一计数器的四个输出端，所述第一计数器的脉冲输入端连接所述多路复用器的一输出端；所述第二电位器的四个输入端分别连接所述第二计数器的四个输出端，所述第二电位器的脉冲输入端连接所述第一计数器的一输出端；所述第一计数器的CLK端和所述第二计数器的CLK端连接一时钟输入端。

优选地，所述多路复用器采用型号为74f151的芯片。

优选地，所述频率计量电路和所述上位机分别连接一无线通信模块并通过所述无线通信模块通信连接。

优选地，所述无线通信模块采用Zigbee无线通信模块。

本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：

环境调节机构的采用使得本发明可实现多种检测环境的调节，无需将装置转移至不同的环境下，通用性强，并节约了检测的工序，简化了检测的过程，提高了检测的效率。石英晶体微天平、石英晶体振荡驱动电路、频率计量电路和上位机的配合，实现了对石英晶体微天平在反应过程中振荡频率的自动计量，从而实现对涂覆在石英晶体微天平上的气敏材料的敏感性的自动测量。气体压力调节阀用于对进入气体反应仓内的气体压力进行测试和调节。气体压力调节阀用于对进入气体反应仓的反应气体压力进行检测和调节。气体流量计可与上位机通信连接，实现对进入气体反应仓的反应气体的流量的检测和自动化控制，可对被测气体的不同浓度进行控制调节，可在密封条件下查看实验数据。无线通信模块的采用实现了上位机与频率计量电路间的数据的无线传输，从而实现对密封环境内的频率计量电路的数据的采集。

附图说明

图1为本发明实施例的基于石英晶体微天平的气敏材料评估装置的原理图；

图2为本发明实施例的石英晶体振荡驱动电路的电路图；

图3为本发明实施例的频率计量电路的电路图。

具体实施方式

下面根据附图1，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

请参阅图1，本发明实施例的一种基于石英晶体微天平的气敏材料评估装置，包括一气体反应仓1、一石英晶体微天平2、一环境调节机构3、至少一入气管道(图中未示)、一石英晶体振荡驱动电路4、一频率计量电路5和一上位机6；石英晶体微天平2和环境调节机构3设置于气体反应仓1内，入气管道与气体反应仓1连通，石英晶体振荡驱动电路4连接石英晶体微天平2，频率计量电路5连接石英晶体振荡驱动电路4；频率计量电路5和上位机6通信连接。

环境调节机构3的采用使得本实施例的一种基于石英晶体微天平的气敏材料评估装置可实现多种检测环境的调节，无需将装置转移至不同的环境下，通用性强，并节约了检测的工序，简化了检测的过程，提高了检测的效率。

石英晶体微天平2、石英晶体振荡驱动电路4、频率计量电路5和上位机6的配合，实现了对石英晶体微天平2在反应过程中振荡频率的自动计量，从而实现对涂覆在石英晶体微天平2上的气敏材料的敏感性的自动测量。

其中，环境调节机构3包括：分别与上位机6通信连接的一超声波湿度发生器31、一负氧离子发生器32、一陶瓷加热板33和/或一红外激光发射器34；石英晶体微天平2包括一气敏材料涂覆区21，红外激光发射器34的一发射口朝向气敏材料涂覆区21设置。

超声波湿度发生器31的采用可实现高低湿度环境的模拟；负氧离子发生器32的采用可实现高低浓度负氧离子环境的模拟；陶瓷加热板33的采用可实现高低温度环境的模拟；红外激光发射器34的采用可实现高低强度红外激光照射环境的模拟。

本实施例中，还包括一气体压力调节阀6和/或一气体流量计7，气体压力调节阀6和气体流量计7安装于入气管道上。

气体压力调节阀6用于对进入气体反应仓1内的气体压力进行测试和调节。气体流量计7可与上位机6通信连接，实现对进入气体反应仓1的反应气体的流量的检测和自动化控制，可对被测气体的不同浓度进行控制调节。

频率计量电路5和上位机6分别连接一无线通信模块8并通过无线通信模块8通信连接。无线通信模块8采用Zigbee无线通信模块。

无线通信模块8的采用实现了上位机6与频率计量电路5间的数据的无线传输，从而实现对密封环境内的频率计量电路5的数据的采集，可在密封条件下查看实验数据。

请参见图2，石英晶体振荡驱动电路4包括：一电源输入端VCC、一反相器U1、一第一电容C1、一第二电容C2、一第一电阻R1、一第二电阻R2、一第三电容C3和一第三电阻R3。反相器U1的VCC端连接电源输入端VCC，反相器U1的GND端接地；第一电容C1连接于电源输入端VCC和接地端之间；第二电容C2的第一端连接反相器U1的A端和石英晶体微天平2，第二电容C2的第二端连接接地端；第一电阻R1的第一端连接反相器U1的Y端，第一电阻R1的第二端连接频率计量电路5；第二电阻R2的第一端连接反相器U1的Y端，第二电阻R2的第二端连接石英晶体微天平2；第三电容C3连接于第二电阻R2的第二端和接地端之间；第三电阻R3的第一端连接反相器U1的A端，第三电阻R3的第二端连接第二电阻R2的第二端。

请参阅图3，频率计量电路5包括：一第一电位器RP1、一第一计数器U2、一多路复用器U4、一第二电位器RP2和一第二计数器U3；第一电位器RP1、第一计数器U2和多路复用器U4依次连接，第二电位器RP2连接第二计数器U3，第二计数器U3连接第一计数器U2，多路复用器U4连接第一电阻R1的第二端。

本实施例中，第一计数器U2和第二计数器U3采用型号为SN74HC393的二进制计数器；第一电位器RP1的四个输入端分别连接第一计数器U2的四个输出端，第一计数器U2的脉冲输入端连接多路复用器U4的一输出端；第二电位器RP2的四个输入端分别连接第二计数器U3的四个输出端，第二电位器RP2的脉冲输入端连接第一计数器U2的一输出端；第一计数器U2的CLK端和第二计数器U3的CLK端连接一时钟输入端。多路复用器U4采用型号为74f151的芯片。

请参阅图1～3，本实施例的一种基于石英晶体微天平的气敏材料评估装置的工作过程及原理如下：

将涂覆气敏材料后的石英晶体微天平2放入气体反应仓1内，调节红外激光发射器34的激光强度、调节陶瓷加热板33的加热温度、调节气体压力调节阀6、超声波湿度发生器31的功率和时间、调节负氧离子发生器32的时间、调节气体流量计7的流量，使涂覆在石英晶体微天平2上的气敏材料在不同参数环境下参与化学反应。石英晶体振荡驱动电路4可以使石英晶体微天平2发生振荡，涂覆在石英晶体微天平2上的材料发生化学反应后会引起上述振荡频率的变化。频率计量电路5可以对振荡频率进行计量，频率计量电路5连接的Zigbee无线通信模块可以把振荡频率发送给与上位机6连接的Zigbee无线通信模块，Zigbee无线通信模块接收到频率数据后通过USB接口传递给上位机6。通过以上方式，可实现气敏材料在多种不同参数情况下的敏感特性的测试。

其中，可通过对不同气体及浓度的测试，采集石英晶体微天平2的频率变化，获得气敏材料的传感或吸附特性。红外激光发射器34可以产生不同强度的红外激光，用以照射涂覆在石英晶体微天平2上的气敏材料。陶瓷加热板33可以给予测试腔体提供不同的温度环境，用以测试不同温度条件下气敏材料的特性变化。气体压力调节阀6可以给予气体反应仓1提供不同的压力环境，用以测试不同压力条件下气敏材料的特性变化。超声波湿度发生器31可以提供不同的湿度环境，用以测试不同湿度条件下气敏材料的特性变化。通过调节负氧离子发生器32的工作的时间，可以调节气体反应仓1内负氧离子浓度，用以测试负氧离子对气敏材料特性的影响。气体流量计7用以调节气体反应仓1内反应气体的浓度，达到测试气体浓度对气敏材料特性的影响。通过以上各物理条件的控制，可以形成本发明多参数的变量控制，以调节各类环境，达到综合评价气敏材料的特性的目的。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。