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声表面波传感器在液相检测中的应用

樊海涛  
【摘要】: 为实现水体中的重金属元素的在线实时监测,本课题设计了一种以36°-YX LiTaO_3单晶为基底的三通道水平剪切声表面波(SH-SAW)液相传感检测系统,系统采用检测溶液物理特性(电导率)方法实现了溶液中离子浓度的检测。 传感器设计为三通道延迟线结构,每通道延迟线的工作频率为52.75 MHz。三个通道中的一个进行短路处理,另一个处于开路状态,第三个采用硫系玻璃敏感薄膜提高对溶液中Fe~(3+)离子的灵敏度。用树脂和硅橡胶材料设计液流腔和密封圈,以使传感器的敏感部分暴露在待测的液相环境中,并且起到保护IDT电极的作用。 检测系统结合流动注射分析方法(FIA)不仅实现了检测的全自动控制,同时提高了检测的可重复性,并且为传感器信号增加了一维的时间信息;结合偏相关分析(PLS)算法可以有效识别待测溶液中离子成份的比例。 实验表明,传感器稳态的输出频率反应了待测溶液的电导率,数据经拟合处理后误差<0.24%;传感器的检测下限1.8×10~(-4) S/m的电解质溶液,相对于金属离子溶液的浓度范围为10~(-4)~10~(-6)mol/L;传感器的瞬态响应反映了待测溶液中所含的离子成份的比例,PLS算法可以对两种金属离子的混合溶液进行有效识别,其识别误差<3%;采用硫系玻璃敏感薄膜可以提高系统对Fe~(3+)离子的检测下限到1个数量级以上;作为推广应用,系统目前可以做到对白酒酒精度的检测,测量误差小于±0.2°;以及对有机溶液中的水质量分数的识别,识别误差小于±1%;传感检测系统表现出很好的稳定性和可重复性(<10 Hz)。 传感检测系统采用现代仪器设计方法进行设计,结合高频检测电路、DSP系统以及应用软件设计等技术。使得本传感检测系统具有灵敏、稳定、重复性好、抗干扰强、检测速度快、体积小(30×20×20 cm~3)、使用方便等优点,非常适合溶液电特性在线实时检测的需要。


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