【摘 要】
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随着汽车产业的快速发展,车内空气污染成为公众关注的热点问题。在影响车内空气质量的诸多因素中,内饰材料是主要污染源。目前用于汽车内饰材料的检测方法存在操作复杂、成本高等缺点,因此开发一套能够快速、准确检测汽车内饰材料的系统对从源头减少车内空气污染具有重要的理论意义和应用价值。本文以汽车内饰材料检测为应用背景,对QCM(Quartz Crystal Microbalance,石英晶体微天平)气体传感器
【基金项目】
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国家自然科学基金项目“三维时变气流环境下机器人寻踪气味源方法研究”,项目号:61573253;
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随着汽车产业的快速发展,车内空气污染成为公众关注的热点问题。在影响车内空气质量的诸多因素中,内饰材料是主要污染源。目前用于汽车内饰材料的检测方法存在操作复杂、成本高等缺点,因此开发一套能够快速、准确检测汽车内饰材料的系统对从源头减少车内空气污染具有重要的理论意义和应用价值。本文以汽车内饰材料检测为应用背景,对QCM(Quartz Crystal Microbalance,石英晶体微天平)气体传感器阵列检测系统进行了重点研究,主要工作总结如下:(1)制备了用于汽车内饰材料检测的QCM传感器阵列。通过对目前QCM传感器常用敏感膜材料进行分析,同时结合汽车内饰材料散发气味种类,选择聚丙烯酸/多壁碳纳米管(PAA/MWCNTs)复合膜、聚乙烯吡咯烷酮/多壁碳纳米管(PVP/MWCNTs)、聚丙烯酸/纳米二氧化钛(PAA/Ti O2)、壳聚糖/氧化石墨烯(CS/GO)四种敏感膜。通过分析比较不同敏感膜的制备方法,选择了喷涂法用于敏感膜制备。最后对QCM传感器的制备过程进行了详细介绍。(2)设计了适用于QCM气体传感器阵列的气路系统。气路系统包括电磁阀、气室、气泵等部件,具有气路清洗、传感器测试等功能。设计了气路系统控制电路,用于实现不同气路切换。提出了用于QCM传感器阵列的气室方案,采用流体力学仿真软件对所设计气室的流动特性进行了仿真分析。结果表明,所设计的气路系统能够有效减少气流流速和气压对QCM传感器的影响,提升了清洗效率。(3)搭建了用于QCM气体传感器阵列的测频系统。测频系统硬件部分包括QCM传感器起振电路、FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)信号采集电路、STM32主控电路、电源模块等,软件部分包括测频系统数据采集、传输和处理,并基于Lab VIEW开发了上位机软件,可实现数据曲线实时显示和数据存储功能。(4)通过对不同汽车内饰材料的测试验证了所设计的QCM传感器阵列检测系统的可行性。实验通过分析不同敏感膜修饰的QCM传感器阵列对汽车内饰材料的响应特性,验证了所设计系统的有效性,结果表明QCM传感器阵列可以实现汽车内饰材料的检测功能。
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