[发明专利]基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种有害气体测量装置，具体地说是涉及一种多通道石英晶体微天平（QCM）测量系统。

背景技术

近年来，随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，大量新型建筑和装饰材料、日用化学品进入住宅和公共建筑物，加之现代建筑物的密闭化，造成室内空气污染问题日益突出，引起眼及鼻腔粘膜刺激、过敏性皮炎、哮喘、癌症、白血病等疾病，危害人体健康，日益受到社会各界关注。因此，研究检测室内空气质量的测量系统，为人们提供一个健康、安全的生活环境，有重要意义。

然而，单个的气敏传感器功能十分有限，目前还没有发现只对某种气体单一敏感的传感器材料。单个传感器对不同气体敏感响应可能会有变化，但它不具备自动识别气体种类和数量的能力，所以可以通过采用多个传感器构成阵列来解决上述问题，同时输入更多的信号进行判断识别。

目前，气敏传感器按照工作原理可以将其分为：金属氧化物半导体传感器，导电性气敏传感器，压电类气敏传感器和光纤类气敏传感器。基于质量效应的石英晶体微天平（QCM）气体传感器，以其自身灵敏度高和选择性好等等优点在许多微量气体检测中得到了广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种体积小、方便携带的基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统，它包括至少一个QCM频率检测模块，每个QCM频率检测模块将检测到的频率信号通过RS485总线传给上位机。

所述的QCM频率检测模块包括至少一个QCM气敏传感器阵列，每个QCM气敏传感器阵列连接石英晶体起振电路，石英晶体起振电路连接测频模块；其中，QCM气敏传感器阵列中的气敏传感器为彼此之间对不同气体敏感的气敏传感器。

所述的QCM气敏传感器阵列为32阵列。

所述测量模块还连接有32位嵌入式处理器ARM Cortex M3。

所述测量模块是STM32F030F4P6芯片。

所述的石英晶体起振电路包括由两个反相器串联构成的放大电路；放大电路的输出端通过谐振电路连接放大电路的输入端，由此构成反馈振荡电路。

所述的谐振电路由晶体以及分别与晶体并联设置的两个电容构成，且两个电容接地。

采用上述技术方案的本发明，通过石英晶体微天平阵列测量室内有害气体的种类和浓度，解决了单一气敏传感器不具备自动识别气体种类和数量的问题。同时，通过RS485总线传输测量数据到上位机，并将数据在上位机处理、存储、显示、控制，解决了需要人现场长时间测量的问题，保证了人身安全。本发明只用到了一块ARM芯片和一个反相器芯片，和其他嵌入式系统相比，降低了成本，提高了传输速度，有助于实时处理。同时，采用RS485通信且采用更加集成化的芯片，体积小，便于携带。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2是本发明QCM气敏传感器阵列中的QCM振荡电路原理图。

图3是本发明的硬件系统图。

具体实施方式

如图1所示，一种多通道石英晶体微天平阵列，它包括QCM气敏传感器阵列，阵列中的每一个气敏传感器连接各自的QCM振荡电路。

QCM气敏传感器采用32阵列，阵列中的气敏传感器为彼此之间对不同气体敏感的气敏传感器，其中对不同气体敏感的气敏传感器为现有技术。32个石英晶体微天平QCM阵列，将采集到的气体浓度信息转化为频率信息，其中利用了德国科学家Sauerbrey推导出的石英晶体的谐振频率和晶体电极表面质量负载变化之间的关系式：

。

如图2所示，QCM振荡电路包括由两个反相器串联构成的放大电路；放大电路的输出端通过谐振电路连接放大电路的输入端，由此构成反馈振荡电路。具体地说，电阻R1接在反相器的两端，将反相器偏置在线性放大区，构成放大器，同时R1还具有负反馈作用，可以减少温度变化引起的工作点变化。电容C1、C2通过接地形成串联电容然后与晶体并联构成谐振电路，该谐振电路同时形成了π型选频网络反馈通道，放大电路输出端信号通过该谐振电路返回到放大电路的输入端，形成反馈振荡。利用32个相同的QCM振荡电路构成QCM阵列，并且在实际电路中增加了参比电路，从而进一步提高了测量频率的准确度。

如图1、图3所示，一种基于多通道石英晶体微天平阵列的测量系统，其特征在于：它包括至少一个QCM频率检测模块，每个QCM频率检测模块将检测到的频率信号通过RS485总线传给上位机。