微悬臂梁传感系统在乙醇挥发检测中的应用.pdf
I |cM KJ\g s\2020-7-20\传感器与微系统\2020-08内文.PS 2020020 1628 Time 20200720 182254 158 传感器与微系统Tr a n sd u c e r a n d Mic r o syst e m Te c h n o l o g ie s2020年第39卷第8期 DOI 10.13873/J. 1000-9787202008-0158-03 微悬臂梁传感系统在乙醇挥发检测中的应用* * 收稿日期2019-09-03 *基金项目国家自然科学基金资助项目11872001;安徽省自然科学杰出青年科学基金资助项目1808085J30;安徽省留学回国人员创新项目 黄赛鹏薛长国J梅永松2,胡业林 1.安徽理工大学煤矿电气自动化研究所,安徽淮南232001 ; 2.安徽理工大学材料科学与工程学院,安徽淮南232001 摘要针对乙醇挥发性不易检测的问题,建立了一种基于微悬臂梁传感器的乙醇自挥发检测系统,采用 光杠杆检测方法研究了乙醇自挥发对微悬臂梁挠度的影响。光电位置敏感探测器接收响应信号,在Ub- VIEW实现了数据的处理和可视化功能,对乙醇体积与相应挥发时间的关系进行了曲线拟合,估算了短 挥发时间下乙醇的体积量。实验结果表明乙醇自挥发使微悬臂梁偏转位移逐渐减小,最终趋于恒定。乙 醇挥发时间与微梁响应的最大偏转位移、乙醇体积量正相关。 关键词乙醇检测;光杠杆;微悬臂梁 中图分类号TP212.9 文献标识码A 文章编号1000-9787202008-0158-03 Application of microcantilever sensor system in eth anol volatilization detection * HUANG Sa ipe n g1 , XUE Ch a n g g u o1,2, MEI Yo n g so n g2, HU Ye l in1 1. Institute of Coal Mine Electrical Automation, Anh ui University of Science and Tech nology, Huainan 232001, Ch ina ; ; 2・ ・ Sch ool of Materials Science and Engineering, Anh ui University of Science and Tech nology,Huainan 232001,Ch ina Abstract Aimin g a t t h e pr o bl e m t h a t t h e v o l a t il it y o f e t h a n o l is n o t e a sy t o d e t e c t, a n e t h a n o l se l f -e v a po r a t io n d e t e c t io n syst e m ba se d o n r n ic r o c a n t il e v e r se n so r is e st a bl ish e d・ Th e e f f e c t o f e t h a n o l se l f -e v a po r a t io n o n d e f l e c t io n o f mic r o c a n t il e v e r is st u d ie d by o pt ic a l l e v e r d e t e c t io n me t h o d . Th e ph o t o e l e c t r ic po sit io n se n sit iv e d e t e c t o r r e c e iv e s r e spo n se sig n a l, d a t a pr o c e ssin g a n d v isu a l iza t io n f u n c t io n in La bVIEW is r e a l ize d , t h e r e l a t io n sh ip be t we e n e t h a n o l v o l u me a n d t h e c o r r e spo n d in g e v a po r a t io n t ime is f it t e d, a n d t h e v o l u me o f e t h a n o l in sh o r t e v a po r a t io n t ime is e st ima t e d・ Th e e x pe r ime n t a l r e su l t s sh o w t h a t t h e se l f -e v a po r a t io n o f e t h a n o l ma k e s t h e d e f l e c t io n d ispl a c e me n t o f t h e mic r o c a n t il e v e r g r a d u a l l y d e c r e a se a n d e v e n t u a l l y t e n d s t o be c o n st a n t . Th e e v a po r a t io n t ime o f e t h a n o l is po sit iv e l y c o r r e l a t e d wit h t h e ma x imu m d e f l e c t io n d ispl a c e me n t o f t h e mic r o be a m r e spo n se a n d t h e v o l u me o f e t h a n o l・ Keywords e t h yl a l c o h o l d e t e c t io n ; o pt ic a l l e v e r ; mic r o c a n t il e v e r o引言 乙醇是一种易燃、易挥发的无色透明液体,在食品工业 和医疗卫生领域有着广泛的用途。现有的乙醇检测方法有 拉曼光谱法⑴、催化剂法和气体传感器检测⑵。拉曼光谱 法仪器测量成本较高;催化剂法中催化剂合成复杂,不利于 多量乙醇检测;气体传感器检测方法稳定性不高,在检测乙 醇上存在一定误差。而微悬臂梁技术利用最简单的微机电 系统mic r o -e l e c l r o -me c h a n ic a l syst e m, MEMS器件,具有操 作简单、响应速度快、非标记和样本量小等优点,被广泛用 作高灵敏传感器来研究各种环境⑶,如氢气浓度⑷、温 度⑸、湿度⑹的变化,以及检测表面应力⑺的变化来研究 物质性能。本文利用微悬臂梁传感系统对乙醇自挥发进行 检测,研究了挥发吋间和体积的关系。 1实验原理 激光以一定的角度照射到微悬臂梁自由尖端,经梁尖 端反射,光束垂直射在位置敏感探测器感光面中心位置。 在微悬臂梁自由端上涂上乙醇使梁受力发生偏转,通过光 杠杆原理将微梁自由端偏转信号进行放大,并通过相位灵 敏探测器ph a se -se n sit iv e d e t e c t o r , PSD进行采集,采集到 的信号经过数据采集卡在PC端的La bVIEW程序上实时显 示微梁挠度随乙醇自挥发的变化。光杠杆法检测乙醇自挥 发致微梁挠度变化示意图如图1所示。 | |cM KJ\g s\2020-7-20\传感器与微系统\2020-08内文.PS 20200720 1628 Time 20200720 182258 第8期黄赛鹏,等微悬臂梁传感系统在乙醇挥发检测中的应用 159 乙醇 AZZ x AS/( 4厶) (1) 式(1)为光杠杆原理检测微悬臂梁挠度的公式,AZ为微梁 弯曲的程度丿(500 pm)为微梁梁长,AS为光斑在光电位置 敏感探测器上的位移,4(3. 7 c m)为微梁尖端至PSD的光线 距离。 2实验装置与LabVIEW采集程序设计 图2为微悬臂梁传感器检测装置示意图,主要包含微 悬臂梁(梁端500f im x 90| x m x l(im),微量进样器(10pJ,), 位置敏感探测器(9 mm x 9 mm)和数据采集卡(USB2085)o La bVIEW数据可视化界面如图3所示,主要包含参数 设置模块、摄像头模块和数据采集模块。参数设置模块可 以根据需求设置相应的通道和频率;摄像头模块可以实时 监测微悬臂梁自由端信息;数据采集模块可以实时观测微 悬臂梁挠度变化。从图中可以看出,在无任何外部激励下, 位置敏感探测器接收到微梁自由端反射的光信息恒定。 图3 LabVIEW数据可视化显示 三 x l E n E E h h h h I 4rl k 4rl k 3实验检测过程与结果 通过微量进样器在微悬臂梁表面涂上一定量的无水乙 醇,数据采集模块实时采集乙醇自挥发过程中微梁的偏转 位移。图4为自挥发实验过程中微悬臂梁偏转位移变化总 趋势。可以看出,微梁表面涂上无水乙醇致使微梁受力发 生弯曲,达到一个阈值,随着乙醇的挥发,微梁表面的力逐 渐减小,驱使微梁回归至平衡O 5 4 3 2 1 0 5 4 3 2 1 0 1 淞暹無超 9 10 11 12 13 14 15 时间/s -1 图4加入乙醇前后微梁偏转位移 取体积为0. 2,0. 4,0. 6,0. 8 I1L的无水乙醇,使用进样 益依次将其置于与微梁材料相同的硅表面,用摄像头观察 乙醇挥发过程,实时记录各乙醇挥发所需时间,重复实验, 取平均值,并对乙醇体积量与挥发时间进行多项式曲线拟 合。如图5所示,各休积量乙醇对应的平均挥发时间依次为 11.559,27.303,40.803,54.521 s,实验具有较高的重复性。 拟合曲线可以表示为 T T -12. 663/ 83. 856。-4. 583 (2) 式中T(s)为乙醇挥发时间,”(pL)为乙醇的体积量。从 图中可以看出,乙醇体积量与其挥发时间正相关。 6 4 2 6 4 2 S二旦言骐戦 s _ s _ 邑玄餵 S 测量次数 乙醇体积/L 图5乙醇体积与挥发时间关系拟合 在6根微梁上依次涂上不同量大小的乙醇并实时测量 其微梁挠度的变化,图6为六组微悬臂梁偏转位移达到最 大偏转后随乙醇自挥发的曲线图。可以看出,六组微梁偏 转响应趋势一致,随着乙醇挥发,微梁偏转位移逐渐变小, 最终趋于平衡。六组微悬臂梁对应的乙醇挥发时间依次约 为 1.125,1.011,0. 938,0. 812,0. 755,0. 625 s,由拟合式(2) 求得相应的乙醇体积量。可以看出,在传感系统可检测的范 围内,乙椁的体积与微梁最大偏转、乙醇自挥发时间正相关。 5 5 5 5 5 5 5 5 3. 2.L O. 3. 2.L O. 8 9 10 11 12 13 14 时间/s -0.5 图6不同体积下乙醇自挥发的微梁挠度变化 4结论 本文运用微悬臂梁传感技术研究了乙醇自挥发过程, 拓展了微悬臂梁传感器物质检测的应用。该系统可用于消 毒液挥发性能和人体酒精检测,为微液滴挥发机理的研究 提供了一种新的方法。 I |cM KJ\g s\2020-7-20\传感器与微系统\2020-08内文.PS 20200720 1628 Time 202Q0720 182308 160 传感器与微系统第39卷 参考文献 [1] BEZERRA A C D,SILVA D D,DE MATOS G H M,e t a l . Qu a n - t if ic a t io n o f a n h yd r o u s e t h a n o l a n d d e t e c t io n o f a d u l t e r a n t s in c o mme r c ia l Br a zil ia n g a so l in e by Ra ma n spe c t r o sc o py[ J]・ In sl r u - me n t a t io n Sc ie n c e Te c h n o l o g y ,2019 ,47 1 90 106. [2] 向翠丽,蒋大地,邹勇进,等.甲/乙醇气体传感器的研究进 展[J] .传感器与微系统,2015 ,348 5 -8. [3] 滕艳华,薛长国微悬臂梁传感器在环境检测中的应用[J] . 传感器与微系统,2011,304 5 -7. [4] GURUSAMY J T.PUTRINO G, JEFFERY R D,e t a l . MEMS- ba se d h yd r o g e n se n sin g wit h pa r t s-pe r -bil l io n r e so l u t io n [ J J. Se n so r s a n d Ac t u a t o r s B Ch e mic a l ,2019,281 335 342. [5] ZHOU X R,LIU H,WU S Q,e t a l . Pe r f o i-ma n c e a n a l ysis o f mic r o - 上接第154页 以不同浓度的硫化氢与二硫化碳的混合气体作为样本气体 进行实验分析,采用偏最小二乘法建立了传感器阵列特征 值与样本气体浓度的回归分析算法。对组合线性模型及异 味活度值加和模型进行对比分析,两种模型恶臭强度预测 结果与人工感官评价结果的相关性系数分别为0. 975和 0. 986。可以得出,采用偏最小二乘法与异味活度值加和模 型结合的方式在恶臭强度的检测中具有较高的准确度,整 个检测系统能够满足恶臭的仪器测定需求。 参考文献 [1] 吴希文,李秀荣,黄国强,等恶臭污染影响评价概述[J] .环 境科学动态,2002221 -23. 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Se n so r s a n d Ac t u a t o r s A Ph ysic a l ,2018,269 505 514. 作者简介 黄赛鹏1994-,男,硕士研究生,研究方向为传感器测量和 嵌入式开发。 薛长国1978-,男,通讯作者,副教授,研究领域为微悬臂梁 阵列传感器开发和应用等,E-ma ilc h g x u e f o x ma il , c o m。 测[J] .仪表技术与传感器,2017266 -69,92. [6]王洋洋,秦浩,杨永超,等电化学多组分气体传感器设计与 性能分析[J] 传感器与微系统,2018,3711 87 -89. [7 ]王同健,田秀华,王琳.恶臭监测嗅觉测试方法的比较分析[J] . 中国环境监测,2013,295169-172. [8] 吴传东异味活度值系数法及其在垃圾场异味评价中应用研 究[D] .北京北京科技大学,2017. [9] 颜鲁春,刘杰民,付慧婷,等异味混合物中组分浓度与其强 度贡献关系研究[J] .环境科学,2013,3412 4743 -4746. [10] 尹勤,刘明,孙文杰,等臭气强度在恶臭污染物环境空气影 响中的应用研究[J] .环境科学与管理,2016,41 10 161 -165. [11] 王国华,张虎,魏岳嵩偏最小二乘回归在SPSS软件中的实 现[J] .统计与决策,20177 67 -71. 作者简介 张思祥1959 -,男,博士,教授,博士生导师,研究领域为光 学仪器和分析仪器的研究,E-ma il wa n g h e bu t 126. c o m0 周围1980-,男,通讯作者,博士,副教授,硕士生导师,从 事光学仪器和分析仪器的研究以及微流控芯片方面研究,E-ma il 694088500 q q . c o mo 上接第157页 参考文献 [1] 郭新民,王旭,魏国华岸基警戒雷达抗干扰性能评估方法[J] . 系统工程与电子技术,2018,404 768 -775. [2] 钱小瑞,吴飞.BP神经网络在室内甲醛定量分析中的应用[J] . 传感器与微系统,2018,374 151 -154. [3] 黄伟军,华猛,吴晨辉基于改进BP神经网络的汽车尾气检 测系统设计[J]传感器与微系统,2018,3710 95 -97,101. 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