多通道石英晶體微天平陣列以及基于該陣列的測量系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種多通道石英晶體微天平陣列以及基于該陣列的測量系統。其中，微天平陣列包括QCM氣敏傳感器陣列，陣列中的每一個氣敏傳感器連接各自的QCM振蕩電路；所述陣列中的氣敏傳感器為彼此之間對不同氣體敏感的氣敏傳感器。測量系統包括陣列以及與陣列相連接的FPGA模塊和上位機。通過石英晶體微天平陣列測量室內有害氣體的種類和濃度，解決了單一氣敏傳感器不具備自動識別氣體種類和數量的問題。同時，通過以太網遠程傳輸測量數據到上位機，并將數據在上位機處理、存儲、顯示、控制，解決了需要人現場長時間測量的問題，保證了人身安全。
【專利說明】多通道石英晶體微天平陣列w及基于該陣列的測量系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種有害氣體測量裝置，具體地說是涉及一種多通道石英晶體微天平 (QCM)測量系統。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著科學技術的發展和人民生活水平的提高，大量新型建筑和裝飾材料、 日用化學品進入住宅和公共建筑物，加之現代建筑物的密閉化，造成室內空氣污染問題日 益突出，引起眼及鼻腔粘膜刺激、過敏性皮炎、哮喘、癌癥、白血病等疾病，危害人體健康，日 益受到社會各界關注。因此，研究檢測室內空氣質量的測量系統，為人們提供一個健康、安 全的生活環境，有重要意義。
[0003] 然而，單個的氣敏傳感器功能十分有限，目前還沒有發現只對某種氣體單一敏感 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，但它不具備自動識別氣體 種類和數量的能力，所W可W通過采用多個傳感器構成陣列來解決上述問題，同時輸入更 多的信號進行判斷識別。
[0004] 目前，氣敏傳感器按照工作原理可W將其分為：金屬氧化物半導體傳感器，導電 性氣敏傳感器，壓電類氣敏傳感器和光纖類氣敏傳感器。基于質量效應的石英晶體微天平 (QCM)氣體傳感器，W其自身靈敏度高和選擇性好等等優點在許多微量氣體檢測中得到了 廣泛應用。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種多通道石英晶體微天平陣列，W及基于該陣列的有害氣 體測量系統，解決了單一氣敏傳感器不具備自動識別氣體種類和數量的問題。
[0006] 為實現上述目的，本發明采用W下技術方案： 一種多通道石英晶體微天平陣列，它包括QCM氣敏傳感器陣列，陣列中的每一個氣敏 傳感器連接各自的QCM振蕩電路；所述陣列中的氣敏傳感器為彼此之間對不同氣體敏感的 氣敏傳感器。
[0007] 所述的QCM氣敏傳感器為32陣列。
[000引所述的QCM振蕩電路包括由兩個反相器串聯構成的放大電路；放大電路的輸出端 通過諧振電路連接放大電路的輸入端，由此構成反饋振蕩電路。
[0009] 所述的諧振電路由晶體W及分別與晶體并聯設置的兩個電容構成，且兩個電容接 地。
[0010] 一種基于多通道石英晶體微天平陣列的測量系統，它包括： 多通道石英晶體微天平陣列，它將氣體濃度變化轉化為頻率變化，輸出若干通道的頻 率信號； FPGA模塊，FPGA模塊采集多通道石英晶體微天平陣列的頻率信號，并將采集到的頻率 數據封裝成UDP包，通過控制W太網模塊將UDP數據包發送至上位機； 上位機，接收下位機發送的UDP數據包，提取頻率信號，對該些數據進行實時存儲、顯 示、處理和控制。
[0011] 所述的W太網模塊集成單芯片快速W太網MAC控制器與處理接口、一個10/100M 自適應的PHY和4K DW0畑值的SRAM,用于收發W太網數據包。
[0012] 所述W太網模塊是DM9000A芯片。
[0013] 所述FPGA模塊還連接有3 2位嵌入式處理器Nios II，用于接收上位機發送的指 令，控制整個系統工作。
[0014] 所述 FPGA 模塊是切clone IV EP4CE15F17C9N 芯片。
[0015] 所述的多通道石英晶體微天平陣列包括QCM氣敏傳感器陣列，陣列中的每一個氣 敏傳感器連接各自的QCM振蕩電路；所述陣列中的氣敏傳感器為彼此之間對不同氣體敏感 的氣敏傳感器。
[0016] 采用上述技術方案的本發明，通過石英晶體微天平陣列測量室內有害氣體的種類 和濃度，解決了單一氣敏傳感器不具備自動識別氣體種類和數量的問題。同時，通過W太網 遠程傳輸測量數據到上位機，并將數據在上位機處理、存儲、顯示、控制，解決了需要人現場 長時間測量的問題，保證了人身安全。本發明只用到了一塊FPGA芯片和一個百兆W太網芯 片，和其他嵌入式系統相比，降低了成本，提高了傳輸速度，有助于實時處理。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發明的原理框圖。
[001引圖2是本發明QCM氣敏傳感器陣列中的QCM振蕩電路原理圖。
[0019] 圖3是本發明的硬件系統圖。
[0020] 圖4是本發明中N ios II的軟件流程圖。
【具體實施方式】
[0021] 如圖1所示，一種多通道石英晶體微天平陣列，它包括QCM氣敏傳感器陣列，陣列 中的每一個氣敏傳感器連接各自的QCM振蕩電路。
[002引 QCM氣敏傳感器采用32陣列，陣列中的氣敏傳感器為彼此之間對不同氣體敏感的 氣敏傳感器，其中對不同氣體敏感的氣敏傳感器為現有技術。32個石英晶體微天平QCM陣 列，將采集到的氣體濃度信息轉化為頻率信息，其中利用了德國科學家Sauerbrey推導出 的石英晶體的諧振頻率和晶體電極表面質量負載變化之間的關系式：
【權利要求】
1. 一種多通道石英晶體微天平陣列，其特征在于：它包括QCM氣敏傳感器陣列，陣列中 的每一個氣敏傳感器連接各自的QCM振蕩電路；所述陣列中的氣敏傳感器為彼此之間對不 同氣體敏感的氣敏傳感器。
2. 根據權利要求1所述的多通道石英晶體微天平陣列，其特征在于：所述的QCM氣敏 傳感器為32陣列。
3. 根據權利要求1所述的多通道石英晶體微天平陣列，其特征在于：所述的QCM振蕩 電路包括由兩個反相器串聯構成的放大電路；放大電路的輸出端通過諧振電路連接放大電 路的輸入端，由此構成反饋振蕩電路。
4. 根據權利要求3所述的多通道石英晶體微天平陣列，其特征在于：所述的諧振電路 由晶體以及分別與晶體并聯設置的兩個電容構成，且兩個電容接地。
5. -種基于權利要求1-4任一實現的多通道石英晶體微天平陣列的測量系統，其特征 在于，它包括： 多通道石英晶體微天平陣列，它將氣體濃度變化轉化為頻率變化，輸出若干通道的頻 率信號； FPGA模塊，FPGA模塊采集多通道石英晶體微天平陣列的頻率信號，并將采集到的頻率 數據封裝成UDP包，通過控制以太網模塊將UDP數據包發送至上位機； 上位機，接收下位機發送的UDP數據包，提取頻率信號，對這些數據進行實時存儲、顯 示、處理和控制。
6. 根據權利要求5所述基于多通道石英晶體微天平陣列的測量系統，其特征在于：所 述的以太網模塊集成單芯片快速以太網MAC控制器與處理接口、一個10/100M自適應的PHY 和4K DWORD值的SRAM，用于收發以太網數據包。
7. 根據權利要求6所述基于多通道石英晶體微天平陣列的測量系統，其特征在于：所 述以太網模塊是DM9000A芯片。
8. 根據權利要求5所述基于多通道石英晶體微天平陣列的測量系統，其特征在于：所 述FPGA模塊還連接有3 2位嵌入式處理器Nios II，用于接收上位機發送的指令，控制整個 系統工作。
9. 根據權利要求8所述基于多通道石英晶體微天平陣列的測量系統，其特征在于：所 述 FPGA 模塊是 Cyclone IV EP4CE15F17C9N 芯片。
10. 根據權利要求5所述基于多通道石英晶體微天平陣列的測量系統，其特征在于：所 述的多通道石英晶體微天平陣列包括QCM氣敏傳感器陣列，陣列中的每一個氣敏傳感器連 接各自的QCM振蕩電路；所述陣列中的氣敏傳感器為彼此之間對不同氣體敏感的氣敏傳感 器。
【文檔編號】G01N5/00GK104422630SQ201310408641
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年9月10日 優先權日:2013年9月10日
【發明者】李磊, 徐甲強, 柴小衛, 孫鵬, 王曉華, 蔡玉寶, 陳云鵬, 張飛飛, 解瑩瑩, 孫蘭軒, 郭彩萍 申請人:河南圣瑪斯光電科技有限公司