基于BVD模型的QCM传感器模拟检测研究(含程序)

基于BVD模型的QCM传感器模拟检测研究(含程序)(课题申报表,任务书,开题报告,中期检查表,外文翻译,论文17100字,程序,答辩PPT)
摘 要
利用石英晶体微天平可以将检测对象的质量或者相关性质转换为电信号并最终以频率信号的方式来实现检测的功能，根据现有的QCM数据分析模型为检测对象分类，通过其电参数（信号）的变化与检测对象特性建立一一对应关系，反推出检测对象的相关性质。研究QCM从空气进入到液体时，它的谐振频率的变化是与液体的密度与粘度乘积的平方根的关系，介绍QCM的响应模型推导过程，根据石英晶体的基频振动频率变化与其表面的质量改变之间的关系，推导了 QCM 谐振频率附近的 BVD 等效电路形式，修正BVD模型。利用推导出的各参数之间的关系式模拟QCM传感器检测物质在空气或者液体中的相关参数，此外基于VC设计了QCM传感器输出相关参数界面，模拟检测过程，输出检测结果。该方法能不受外界环境干扰方便快捷的实现QCM传感器的检测。

关键词：石英晶体微天平（QCM）； 响应模型；液体介质；软件仿真；振荡

Abstract
Quartz crystal micro scale can help convert quality or related properties of a detected object to electrical signals and in the end achieve the detection in the form of frequency signal. According to existing QCM data analysis model, the detection objects can be classified. Based on the correspondence between the change of electrical parameters (signals) and the detected object, the related properties of the object can be derived. This paper will study the relationship between the change of QCM’s resonant frequency and the square root of the product of the density and viscosity of the liquid if QCM enters from air into liquid. Then, this paper will introduce the derivation process of QCM response model. On the basis of the relation between the quartz crystal’s change of the fundamental vibration frequency and its change of surface quality, it deduces the BVD equivalent circuit from nearby resonant frequency of QCM. Then the BVD model is corrected. Simulation of QCM sensor to detect substances related parameters in the air or liquid in the relation between the parameters is derived, and based on the design of the VC QCM sensor output related parameter interface, analog detection process, the output results. The method can not detect QCM sensor convenient outside interference.
Keywords: Quartz Crystal Microbalance (QCM), Response Model, Liquid Media, Software Simulation, Oscillation

本课题研究的是基于BVD模型的QCM传感器模拟检测研究，在本论文中主要研究的有以下内容：
第1章 概述，概述中分析了本课题研究的背景及意义，并总结了QCM传感器分析模型的发展和研究。
第2章 基于物理本构方程的QCM气象响应模型研究，主要介绍QCM基本原理及气相响应模型，推导出AT切型的压电晶体QCM传感器模型结果，阐述了石英晶体的基频振动频率变化与其表面的质量改变之间的关系——Sauerbrey方程。
第3章 经典粘性液体接触的QCM响应模型，本章主要介绍了经典粘性液体接触的QCM响应理论的两种经典模型Kanasawa响应模型和Martin修正BVD电路模型。
第4章 基于BVD模型的QCM模拟检测，本章借用一种简易的数学软件迅速得出在不同条件下的QCM传感器的等效电路的各元件的参数值以及品质各种其他参数，从而对QCM传感器进行模拟检测。

基于物理本构方程的QCM气相响应模型研究
2.1 QCM 传感器的基本原理
石英晶体微天平，实质上是由石英晶片及其上下表面两个电极组装在一起的一个三明治形式的谐振器，如图 1-1 所示。它是一种超灵敏的质量型传感器，可以检测到纳克量级（ g）的微质量变化；它将检测对象的质量或者相关特性转换为电信号并最终以频率信号的方式来实现检测的目的，是实现农产品农药残留、食品安全、重金属污染、大气污染、水质分析、医学诊疗检测等高精密检测分析的新技术、新方向，应用前景非常广阔。

石英晶片的厚度一旦确定，其固有振动频率也确定；电极主要是为了方便给
石英晶片提供交变激励电场。由于石英材料的固有特性——压电效应和逆压电效应的存在，在 QCM 电极上施加一交变电场，晶片将沿电轴或者机械轴延伸或压缩形成机械波，当交变电场的频率等于石英晶片固有频率的奇数倍时，石英晶片将发生剪切谐振而输出一个稳定的频率信号，延伸或压缩量与电场强度成正比。
 

目 录
第1章 概 述    1
1.1 选题背景及研究意义    1
1.2 QCM传感器的生化应用    3
1.3 QCM传感器分析模型的发展及研究现状    3
第2章 基于物理本构方程的QCM气相响应模型研究    6
2.1 QCM 传感器的基本原理    6
2.2（气相）经典QCM空载模型    8
2.3（气相）经典QCM有载模型——Sauerbrey方程    14
2.4 本章小结    17
第3章 经典粘性液体接触的 QCM 响应模型    18
3.1 Kanasawa液相响应模型    18
3.2 Martin修正BVD模型    22
3.3 本章小结    35
第4章 基于BVD模型的QCM传感器模拟检测    36
4.1 QCM传感器模拟检测    36
4.2 模拟检测结果对比    38
4.3 本章小结    39
结 论    40
参考文献    42
附录1    43
附录2    45