石英晶體微天平氣敏傳感器陣列測量系統(tǒng)設計.pdf

1、石英晶體微天平(QuartzCrystalMicrobalance—QCM)氣敏傳感器是一種靈敏度可以達到納克級質量型傳感器，QCM傳感器具有選擇性好、靈敏度高、便于實現自動化等優(yōu)點，并且儀器簡單、操作方便。研究發(fā)現，當石英晶體吸附其他物質時，其固有頻率會發(fā)生變化，利用石英晶體這一特性，在石英晶體表面涂一層待測氣體敏感膜，選擇性氣體敏感膜吸附待測氣體后，晶振頻率會發(fā)生變化，通過測量QCM晶振頻率變化以推斷有毒氣體種類及其濃度變化。根據上

2、述原理，QCM氣敏傳感器可用于氣體化學成分和濃度的分析。
　　研究表明，現有單通道QCM以其功能有限正逐漸被淘汰。目前還沒有發(fā)現只對單一氣體敏感的傳感器材料。單個傳感器對不同氣體敏感響應可能會有變化，但不具備自動識別氣體種類和濃度的能力。采用多通道QCM氣敏傳感器陣列可解決以上問題。
　　頻率信號采集主要采用USB、PCI、以太網三種傳輸方式。相對于USB、PCI傳輸方式，以太網傳輸方式具有穩(wěn)定性高、價格低廉、傳輸速度快、傳

3、輸距離遠等特點。
　　本設計采用一種基于以太網傳輸協(xié)議的32通道石英晶體微天平(QCM)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由QCM氣敏傳感器陣列起振模塊和高精度頻率采集卡組成。起振模塊包括石英晶體振蕩電路和32路石英晶體，起振模塊產生32路石英晶體頻率信號;高精度頻率采集卡包括FPGA模塊、EPCS模塊、SDRAM模塊、FLASH模塊、百兆以太網模塊等，高精度頻率采集卡通過FPGA內部計數器直接采樣頻率信號，同時將頻率信號數據封裝成UDP數據包，通

4、過以太網高速傳輸給上位機進行數據存儲、處理及信號波形顯示。
　　本文使用Verilog語言完成FPGA內部計數器及定時器邏輯的編寫;在NIOS(Ⅱ)IDE中使用C語言完成以太網傳輸協(xié)議及百兆以太網的控制;使用VisualC＃實現PC機界面顯示程序，用于整個測量系統(tǒng)應用程序的開發(fā)。
　　測試結果表明，本系統(tǒng)可以實現實時、多通道、高速、高精度的采集和發(fā)送數據?；谝陨瞎δ?，本系統(tǒng)可應用于室內有毒氣體的測量、數據采集等科學研究領域