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QCM气体传感器的研究及其在安全检测中的应用

作　者: 李宗坤
导　师: 张嘉琪
学　校: 天津理工大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 石英晶体微天平(QCM) 敏感膜 气体传感器 BP神经网络 LabVIEW
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 91次
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内容摘要


石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance,QCM)气体传感器以压电石英晶片对质量的敏感性为基础,利用修饰在石英晶片表面的敏感膜捕捉待测气体,在薄膜吸附待测气体后通过测量石英晶体频率的变化来实现对待测气体的检测。由于具有灵敏度高、结构简单、可以在常温下使用等优点,QCM气体传感器很好的弥补了传统气体传感器的不足,作为一种新型的气体检测仪器,近几年得到了很快的发展。本文以作业场所空气质量问题为研究的出发点,以压电石英晶体作为为传感器件,在其表面修饰不同的材料作为敏感薄膜,对不同涂膜方法进行了比较,总结了敏感薄膜的制备工艺。以甲苯作为目标检测气体,乙醇、正己烷作为干扰气体,用不同浓度的甲苯、乙醇和正己烷待测气体分别对不同种类的敏感膜进行测试,利用课题组自主编制的基于LabVIEW平台的石英晶体微天平气体传感器频率测试程序对测试结果进行记录。通过对实验数据进行分析,发现二氧化钛敏感薄膜对甲苯的响应情况较好,从敏感膜对甲苯的响应-恢复特性、响应的重复性、响应的线性条件、选择性、稳定性、涂层厚度对薄膜敏感性的影响共六个方面对其进行进一步研究,并对二氧化钛敏感薄膜进行了表征,对其吸附机理进行了分析。最后,对BP神经网络与气体传感器阵列的结合进行了探讨,利用课题组开发的基于LabVIEW平台的BP神经网络数据处理软件对气体传感器阵列测得的实验数据进行处理,经过训练,BP神经网络能够准确辨识气体的种类。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-9
第一章 绪论  9-16
  1.1 石英晶体微天平传感器的概述  10
  1.2 QCM 气体传感器的发展状况  10-14
  1.3 开发QCM 气体传感器的意义和应用前景  14-15
  1.4 本论文的研究内容  15-16
第二章 QCM 气体传感器的工作原理及测试系统  16-23
  2.1 QCM 气体传感器的原理  16-20
    2.1.1 石英晶体的压电效应  17-18
    2.1.2 QCM 气体传感器的结构  18-19
    2.1.3 质量效应型QCM 传感理论  19-20
    2.1.4 研究QCM 气体传感器的关键点  20
  2.2 QCM 气体传感器测试系统  20-23
    2.2.1 系统工作原理  20-22
    2.2.2 起振电路  22-23
第三章 气敏膜的制作工艺及试验方法  23-30
  3.1 主要仪器与试剂  23
  3.2 石英晶片的清洗  23-24
  3.3 敏感薄膜的制备  24-26
  3.4 敏感薄膜的干燥处理  26
  3.5 工艺总结  26-27
  3.6 涂膜材料的选择  27-28
  3.7 配气方法  28
  3.8 试验操作方法  28-30
第四章 QCM 气体传感器的测试结果与分析  30-44
  4.1 QCM 气体传感器对甲苯的测试结果与分析  30-38
    4.1.1 甲苯的性质及危害  30
    4.1.2 各种敏感材料对甲苯的响应特性  30-35
    4.1.3 二氧化钛敏感膜对甲苯的响应-恢复特性  35
    4.1.4 二氧化钛敏感膜对甲苯的响应的重复性  35-36
    4.1.5 二氧化钛敏感膜对甲苯频率响应的线性条件  36-37
    4.1.6 二氧化钛敏感膜的选择性  37
    4.1.7 二氧化钛敏感膜的稳定性  37-38
    4.1.8 涂层量度对薄膜敏感性的影响  38
  4.2 二氧化钛敏感薄膜的表征  38-40
    4.2.1 紫外吸收光谱分析  38-39
    4.2.2 薄膜的X-射线衍射分析  39-40
    4.2.3 薄膜表面形貌观察分析  40
  4.3 吸附-解吸机理分析  40-44
    4.3.1 吸附类型  41-43
    4.3.2 吸附过程分析  43-44
第五章 神经网络技术对多传感器输入数据的处理  44-51
  5.1 BP 神经网络  44-46
    5.1.1 BP 神经网络概述  45
    5.1.2 原理  45-46
  5.2 传感器信号预处理算法  46-48
  5.3 数据分析  48-50
    5.3.1 气体辨识  49
    5.3.2 BP 神经网络结构参数对系统性能的影响  49-50
  5.4 小结  50-51
第六章 总结  51-52
参考文献  52-56
发表论文和科研情况说明  56-57
致谢  57-58

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器
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