基于阻抗分析法QCM检测装置的设计与研究

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石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)是一种通用的质量传感器,可以实现将物质质量变化转化成谐振频率变化,其凭借测量精度高、稳定度好、可以实现在线检测等优点得到了广泛的关注,目前已经广泛应用于生物医学、环境检测和航天航空等众多领域,用以进行气体、液体的成分分析以及微质量、薄膜厚度检测等。本文主要针对QCM检测装置进行研究,设计了基于阻抗分析法的QCM检测装置。  首先,在调研大量文献的基础上探讨了QCM的研究现状,此外,从石英晶体本构方程的角度详细推导了QCM的等效电路,并分析了不同应用情况下,表面吸附物质对等效参数的影响。  接着,提出了基于阻抗分析法的QCM检测装置的设计方案,设计完成了由DDS和AGC芯片共同组成的频率可变正弦信号发生器,以此作为QCM的驱动信号,搭建了基于相关法幅值和相位差提取电路以及与上位机通信的串口通信电路,然后通过编写上位机软件,实现数据处理以及曲线绘制。对于粘弹性物质的检测,只要在本设计基础上稍加变化即可实现半峰宽的获取。利用半峰宽和耗散因子D之间的关系便可稳态地获得耗散因子D,与QCM-D的瞬时法相比,该设计优势明显,可以外界微小干扰对实验结果的影响。  最后,通过对不同粘度的标准液体进行测量,验证了设计的正确性,分析产生误差的原因,并提出改善措施。
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