本文關鍵詞：基于正交解調的陣列式石英晶體微天平系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

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【摘要】：石英晶體微天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)是一種靈敏度極高的微小質量變化測量儀器,測量精度可達納克級。QCM具有結構簡單、穩(wěn)定性好、響應速度快等優(yōu)點,在微量化學、分子生物學、環(huán)境科學等領域得到了廣泛應用。QCM儀器發(fā)展非常迅速,已從早期常規(guī)的QCM,發(fā)展到流動型QCM、耗散型QCM(QCM_D)、陣列式QCM等。其中,陣列式QCM與其他類型的QCM相比,由于具有可同時檢測多個樣品的優(yōu)勢,因此,能大大提高檢測效率。陣列式QCM符合傳感器陣列化的發(fā)展趨勢,是QCM儀器發(fā)展的新方向。本文基于正交解調原理的QCM,設計并實現(xiàn)了一種陣列式QCM,該QCM最多可連接6個通道,可同時測量石英晶體的諧振頻率和耗散因子;采用多通道分時測量方式,每個通道最高測量速度可達每秒15個數(shù)據(jù)點。為提高D因子的測量速度和精度,本文提出了利用石英晶體的相位信息獲得D因子,實現(xiàn)了對D因子的快速測量。為了獲得相位信息,需要補償靜態(tài)電容,為此,系統(tǒng)結合正交解調原理,設計靜態(tài)電容補償電路,實現(xiàn)了靜態(tài)電容的自動補償。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、存儲和處理的過程由上位機控制。上位機通過USB與陣列式QCM下位機進行通信。上位機軟件設計中,采用LabVIEW開發(fā)了系統(tǒng)的控制界面和數(shù)據(jù)保存程序。上位機可同時讀取6個通道的測試數(shù)據(jù),并實時顯示諧振頻率和D因子。為對陣列式QCM系統(tǒng)的性能進行測試,本文進行了以下實驗:(1)對系統(tǒng)在空氣中和純水中的穩(wěn)定性進行了測試,在兩種環(huán)境中系統(tǒng)5分鐘內的頻率漂移均在±2Hz以內。(2)通過乙醇揮發(fā)和松香質量檢測實驗對系統(tǒng)的有效性進行了驗證,得到的實驗結果與理論值的誤差在2%以內,并對誤差產生的原因進行了分析。(3)通過對多種濃度丙三醇水溶液測試實驗驗證了陣列式QCM的高效性,實驗過程中,僅用兩組實驗就完成了對12種濃度的丙三醇水溶液的測量工作。該實驗的結果與著名的Kanazawa-Gordon方程結論一致。
【學位授予單位】：東北師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH715.11

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