一种大气环境中微粒物质定性检测的方法技术

本发明专利技术提供一种大气环境中微粒物质定性检测的方法，属于传感器检测技术领域。根据吸附在SAW器件表面的待测物质升温过程由于熔化时SAW质量敏感效应和温度敏感效应相互叠加会产生特征信号，提供观察声表面波器件的频率随温度的变化曲线识别微粒的物质种类。本发明专利技术开拓性实现了单独使用一个传感器就能够从混合组份中获取待测物质的种类，无需构建传感器阵列，也无需与色谱等分离手段联用，极大地简化了检测装置。本发明专利技术系统成本低、长期稳定性高、操作简易，有利于实用化。

A Method for Qualitative Detection of Particulate Matter in Atmospheric Environment

The invention provides a method for qualitative detection of particulate matter in atmospheric environment, which belongs to the field of sensor detection technology. According to the characteristic signal produced by the superposition of SAW mass sensitive effect and temperature sensitive effect during the heating process of the substance adsorbed on the SAW device surface, the material type of the particle can be identified by observing the frequency curve of SAW device changing with temperature. The invention is pioneering in realizing that the type of substance to be measured can be obtained from the mixed component by using a single sensor, without constructing a sensor array or combining with separation means such as chromatography, and greatly simplifies the detection device. The system of the invention has low cost, high long-term stability, simple operation and is beneficial to practicality.

【技术实现步骤摘要】
一种大气环境中微粒物质定性检测的方法
本专利技术属于传感器检测
，特别涉及一种大气环境中微粒物质定性检测的方法。
技术介绍
声表面波(SAW，SurfaceAcousticWave)是沿压电衬底表面传播的一种波。SAW有一个十分显著的特点就是能量集中在衬底的表面区域，这一特点使得SAW对影响其表面上声波传播的任何微扰都很敏感，包括沉积的质量、施加的外力、电导的改变、温度的变化、粘弹性的变化等。通过对这一性质的应用，各种声表面波传感器应运而生，主要有声表面波温度传感器、化学传感器、压力传感器、粘度传感器等。SAW化学传感器主要用于检测气体或液体等化学物质的浓度。该类传感器通常是在SAW叉指电极上涂覆敏感膜，由于敏感膜吸附化学物质后会在SAW传播路径表面产生质量沉积或者使得敏感膜的电导产生变化，导致SAW的传播速度发生变化，进而导致SAW频率、相位或振幅的变化。因此通过采集SAW输出信号就可定性识别待测物质。但是，研究人员发现无论敏感膜的选择性多好，它在对某一物质敏感的同时也会对其他一些物质产生一定的敏感响应，传感器会存在干扰信号，即存在交叉干扰。简而言之，敏感膜对待测物质不具备单一选择。正因为这种交叉敏感特性以及响应的非线性，采用单一的气体传感器对混合气体进行定性的检测是十分困难的。为了应对交叉干扰这一难题，研究人员通常构建传感器阵列并结合模式识别算法进行定性的识别，然而，这就需要在多个SAW传感器上制作不同的敏感膜才得以形成阵列，其制作工序繁杂，涉及诸如薄膜材料制备及薄膜沉积等问题，而且敏感膜制备得到的传感器或多或少会存在吸附响应慢、解吸不彻底，长期稳定性差等缺陷。与此相对的是，专利号为US5289715的美国专利：《Vapordetectionapparatusandmethodusinganacousticinterferometer》(《基于声学干涉仪的气体检测装置和方法》)中提出了一种不存在敏感膜的SAW气体传感器，其主要是利用低温冷凝作用将气相分子吸附在器件表面，虽然主要利用的仍然是SAW的质量敏感效应，但是相较于传统的敏感膜吸附，冷凝吸附的响应速度要快很多。但众所周知冷凝吸附是个纯物理过程，基本上可以说完全没有选择性，这就使得该种冷凝式SAW传感器仍然无法单独使用。为了能够从混合组分中识别出目标分子，必须将SAW传感器与色谱技术联用，即将冷凝式SAW传感器置于色谱分离柱的后端作为色谱仪的检测器使用，组装构成GC-SAW检测系统。但是这样会导致整机结构复杂，重量陡增，价格飙升，不利于大规模、实用化发展。综上所述，SAW传感器的发展囿于单独依靠质量效应的质量敏感型SAW传感器或者单独依靠电导敏感效应的电导敏感型SAW传感器，而环境温度波动对SAW传播特性的影响(即温度敏感效应)则被视作待检测量检测时最主要考虑的干扰因素之一，并且在实际中通过双通道差分结构滤除百分九十左右的外界温度波动，甚至主动恒温等措施尽可能降低温度的影响。
技术实现思路
鉴于上文所述，本专利技术针对现有技术无法通过单一的SAW传感器对混合组分中定性识别出待测物质这一技术难题，提供一种大气环境中微粒物质定性检测的方法。为了解决上述技术问题，本专利技术提出如下技术方案：本专利技术提供一种大气环境中微粒物质定性检测的方法，其特征在于：包括如下步骤：将SAW器件和温度传感器均设置在加热单元上，所述SAW器件与SAW传感器电路相连；对待测环境采样，开启加热单元使得SAW器件的温度平稳上升，温度传感器实时监测并记录加热单元的温度，并且读取温度变化过程中SAW传感器电路输出的信号，以温度为横坐标，输出的信号为纵坐标建立SAW器件的输出信号随温度变化的曲线；输出信号随温度变化是单调平滑变化的曲线表明未检测到微粒，输出信号随温度变化是在单调平滑变化的大背景下存在反向小尖峰状突变信号的曲线表明检测到微粒；所述反向小尖峰状突变信号所对应的温度区间即为待测物质的熔点范围，根据所述熔点范围定性识别待测物质。进一步地，所述SAW器件包括具有压电特性的衬底，以及设置在所述衬底上的叉指状换能器(IDT)，所述叉指状换能器是由梳状金属电极条形成。进一步地，所述SAW器件为延迟线型SAW器件或者谐振型SAW器件，其中谐振型SAW器件可以为单端谐振型SAW器件，也可以为双端谐振型SAW器件。作为优选方式，所述SAW器件可以为兰姆波器件或者中心减薄的瑞利波器件。进一步地，所述待测物质的熔点范围不大于5℃。本专利技术的原理如下：本专利技术提出的微粒检测方法是利用吸附在SAW器件表面(敏感区域)的固态微粒熔化时产生的输出信号对待测物质进行信息提取，而非利用固态微粒附着在SAW器件表面时产生的输出信号进行信息提取。因为待测物质通常具有固定的熔点，吸附在SAW器件表面的微粒在升温加热过程中，输出信号仅仅会在其熔点处产生特征信号，该特征信号的产生来自SAW的质量敏感效应和温度敏感效应的叠加，一方面由于微粒在熔化温度点前后存在挥发速度(或者蒸发速度)的突变，这将导致SAW量致频率突变(表现为明显增加)，另一方面，微粒在熔化时会吸热，这也将导致SAW的温致频率突变，由于本专利技术采用负温度系数的SAW器件，使得温致频率突变也是向频率增大的方向改变，与质量敏感效应一样，从而两种效应相互叠加输出更强的特征信号。由于微粒很小，加热时由固态熔化为液态，进而再由液态蒸发为气态的过程都在熔点温度附近完成。而SAW器件表面虽然也不可避免地吸附周围环境中的气体分子，这些被吸附的气体分子随着加热温度的提高均会发生解吸附，但是并没有固定的脱吸附温度，这样就避免引入突变信号从而对微粒识别造成影响。因此，本专利技术可根据特征信号对应温度来定性识别待测物质种类从而实现了单独使用一个传感器就能从混合组份中定性甄别出待测物质的目的。本专利技术的有益效果是在于：根据吸附在SAW器件表面的待测物质升温过程由于熔化时SAW质量敏感效应和温度敏感效应相互叠加会产生特征信号，基于此原理能够定性识别待测物质种类。相比现有技术，本专利技术开拓性实现了单独使用一个传感器就能够从混合组份中获取待测物质的种类。本专利技术系统成本低、长期稳定性高、操作简易，有利于实用化。附图说明图1为本专利技术实施例1提供的声表面波微粒传感器的结构示意图。图2为本专利技术实施例1提供的中心减薄的瑞利波器件的结构示意图。图3为本专利技术实施例1于宽温扫描模式下得到的传感器响应随温度变化的曲线。图4为本专利技术实施例2提供的声表面波微粒传感器的结构示意图。图5为本专利技术实施例2于窄温扫描模式下得到的传感器响应随温度变化的曲线。图中，1为匀温铜块，2为加热棒，3为瑞利波器件，4为喷嘴，5为负温度系数热敏电阻，6为反射栅，7为叉指状换能器，8为石英晶片，9为空腔，10为半导体制冷片，11为兰姆波器件，12为控温电路板。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术的具体实施方案进行详细阐述，同时对本专利技术的原理和特性做进一步的说明。以下所述的实施方案只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。本专利技术的要旨在于提供一种微粒传感器及其检测微粒的方法，微粒传感器首先需要对微粒进行采样，将微粒吸附在SAW器件表面，吸附过程虽然会由于质量敏感效应使得传感器产生相应信号(吸附信号)，但是本专利技术工作原理的核心并非通过吸附本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大气环境中微粒物质定性检测的方法，其特征在于：包括如下步骤：将SAW器件和温度传感器均设置在加热单元上，所述SAW器件与SAW传感器电路相连；对待测环境采样，开启加热单元使得SAW器件的温度平稳上升，温度传感器实时监测并记录加热单元的温度，并且读取温度变化过程中SAW传感器电路输出的信号，以温度为横坐标，输出的信号为纵坐标建立SAW器件的输出信号随温度变化的曲线；输出信号随温度变化是单调平滑变化的曲线表明未检测到微粒，输出信号随温度变化是在单调平滑变化的大背景下存在反向小尖峰状突变信号的曲线表明检测到微粒；所述反向小尖峰状突变信号所对应的温度区间即为待测物质的熔点范围，根据所述熔点范围定性识别待测物质。

【技术特征摘要】
1.一种大气环境中微粒物质定性检测的方法，其特征在于：包括如下步骤：将SAW器件和温度传感器均设置在加热单元上，所述SAW器件与SAW传感器电路相连；对待测环境采样，开启加热单元使得SAW器件的温度平稳上升，温度传感器实时监测并记录加热单元的温度，并且读取温度变化过程中SAW传感器电路输出的信号，以温度为横坐标，输出的信号为纵坐标建立SAW器件的输出信号随温度变化的曲线；输出信号随温度变化是单调平滑变化的曲线表明未检测到微粒，输出信号随温度变化是在单调平滑变化的大背景下存在反向小尖峰状突变信号的曲线表明检测到微粒；所述反向小尖峰状突变信号所对应的温度区间即为待测物质的熔点范围，根据所述熔点范围定性识别待测物...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜晓松，杨潇，许成成，王维，程杨瑞，太惠玲，谢光忠，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51