声表面波化学毒剂传感器研究

论文摘要

随着化学武器问题日益受到各国的重视,欧美等国家对以SAW传感器检测化学战剂已进行了比较深入、系统的工作,美国、荷兰等国已基本形成了装备并用于战场和反恐斗争中,而以SAW化学传感器对化学毒剂进行检测的研究在国内还只是处于起步阶段,特别是在检测的灵敏度、稳定度、响应速度有很大的研究空间。本论文首先对聚合物敏感膜的特性以及涂膜区域选择等问题展开研究。建立声表面波化学毒剂传感器的Van Dyke模型,详细分析了敏感膜的厚度、粘弹性的对SAW化学毒剂传感器的幅频特性及相频特性的影响,研究表明:敏感膜厚度和粘度的增加会增大声波衰减,表现为传感器的损耗增大,同时厚度增大到一定程度使得相频曲线发生畸变,导致灵敏度的非线性现象,甚至使SAWR无法起振。本文另外一个研究重点是高频率稳定度的检测电路设计,电路设计包括:匹配网络、相位补偿电路、选频网络、衰减网络、温度补偿电路、混频电路以及低通滤波器设计。详细讲述了各个电网络的使用意义,并且列举它们的优缺点,对其进行合理的取舍。为了进一步提高频率稳定度,还对电路布局中应该注意的问题做了简明阐述。最后对设计的化学毒剂传感器进行了沙林毒剂检测实验,采用315MHz的双端SAW谐振器、超支化聚合膜,沙林气体浓度为1mg L。实验表明:这种传感器的灵敏度可初步达到3KHz mg L,响应时间为50秒,恢复时间约为60秒。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 声表面波化学毒剂传感技术研究现状
• 1.3 SAW 敏感结构
• 1.3.1 聚合物敏感膜
• 1.3.2 SAW 器件
• 1.4 传感响应机制研究
• 1.5 本文研究内容
• 第二章 聚合物对 SAW 谐振器的影响
• 2.1 VAN DYKE 模型
• 2.2 膜厚及粘度对 SAW 传感器的影响
• 2.3 敏感膜对输入输出阻抗的影响
• 2.4 涂膜区域选择
• 第三章 气体检测电路设计
• 3.1 检测电路工作原理
• 3.1.1 起振条件
• 3.1.2 振荡器的稳定条件
• 3.2 放大器
• 3.3 选频网络
• 3.4 移相滤波器
• 3.5 耦合输出网络
• 3.6 混频电路
• 3.7 低通滤波器
• 第四章 SAW 振荡电路频率稳定性分析
• 4.1 频率稳定度
• 4.1.1 频率稳定度的定义
• 4.1.2 短期频率稳定性
• 4.1.3 中期频率稳定度
• 4.1.4 长期频率稳定度
• 4.2 提高稳定度的措施
• 4.2.1 高 Q 值的声表面波元件
• 4.2.2 优化振荡电路
• 4.2.3 传感器气体预处理装置
• 4.3 稳定度测试
• 第五章 沙林毒剂检测实验
• 5.1 配气系统
• 5.2 电路时间响应线性度分析
• 5.3 沙林气体实验
• 5.4 频率漂移数字修正
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文
• 致谢