摘要 设计了一种基于双通道水平剪切声表面波(SH-SAW)传感器的新型液相分析仪器,该分析仪器以数字信号处理芯片(DSP)TMS320VC5402为微处理器,在复杂可编程逻辑器件(CPLD)EPM7128S的基础上开发了相应的专用接口电路。系统采用流动注射分析(FIA)技术,实现各种溶液的物理特性参数的全自动分析检测。此外,通过基于PDIUSBD12器件的USB 总线(UNIversal Serial Bus)的接口,分析仪器可方便地与计算机进行通讯。实验表明该分析仪器能有效地检测溶液的总盐度、白酒酒精度以及有机溶液中的水质量分数等参数指标。仪器具有灵敏度高、重复性好、检测速度快、体积小以及便携等特点,在工业生产和环境现场实时监测中有良好的应用前景。
1 引 言
目前,借助仪器分析的手段对液体某些参数进行分析的仪器主要有光学分析仪器、高效液相色谱仪器、质谱仪等。这些仪器的分析时间一般较长,分析过程烦琐复杂,此外,由于体积较大、使用条件苛刻,使得它们适合在实验室内而不适合于测试现场使用。目前能够在现场直接进行液相成分分析的传感器主要有离子选择性电极(ISE)化学传感器,然而其测量电极电位和电流的方法在使用中存在如下问题:(1)普通电极形式的传感器体积较大;(2)测量直流弱电压(或电流)信号增加了测量系统的难度,测量结果易受电气干扰;(3)普通电极形式的传感器不易稳定(或达到稳定需较长时间)且重复性存在较多的问题[1]。因此,一种能实时在线检测溶液中某种特性参数的分析仪器在环境监测和工业生产等众多场合有着广泛的应用前景。
基于压电材料制作而成的声表面波(surfaceacoustic wave SAW)传感器自20世纪70年代以来被广泛地应用于气体检测。声表面波传感器“电子鼻系统”开始广泛应用于工业过程控制和环境监测中,国外的一些研究者把SAW传感器作为气相色谱的检测机构,实现了空气中神经毒气的在线检测[2]。随着微加工技术的不断成熟和发展,SAW传感器已经向阵列化、智能化、集成化方向发展,并且以产品化的形式应用在实际的检测系统中。目前国际市场上已经出现了集成4个SAW传感器的手持式SAW阵列气体检测仪器[3],一些国家的环境保护组织已经把SAW传感器作为环境监测的手段之一[4]。考虑到在液相传播中,水平剪切模式的声表面波不易衰减,文中设计了一种双通道水平剪切声表面声波SH-SAW的传感器作为分析仪器的检测机构,并将流动注射分析技术应用于该系统。从本质上分析,液体中质量、电导率等参数的变化将引起基于压电效应的SH-SAW传感器的输出频率的变化,从而间接测量溶液中的物质成份和浓度。水体中金属离子的含量与生态环境直接相关,为了检测水体中金属离子的含量,对基于SH-SAW传感器的金属离子传感器作了相应的基础研究并取得了较好的结果[5]。为了拓宽SH-SAW传感器在工业和质量管理领域的应用,相继用这种传感器对溶液中的酒精度,食用油、汽油中水的含量等参数进行了定量检测并获得了良好的效果[6]。
在基于LABVIEW虚拟仪器测试平台的研究基础上,根据在此平台下构架形成的测试方法和原理,从仪器化的角度出发,以DSP、CPLD以及USB接口设计为核心将以往的测试系统微机化,形成一种新型的分析仪器。
2 传感器检则原理和设计制作
2.1 传感器检测原理
如图1所示,这是一种基于延迟线结构的声表面波传感器的结构示意图。通过半导体微电子工艺可在压电材料的基底上制作出两个叉指电极(IDT),两个叉指电极的中间区域称为延迟线。在输入与输出叉指电极间引入足够增益的电压放大器,由于压电材料的压电效应,在相位和振幅满足振荡的条件下,将会引起叉指电极对间的自激振荡。声传播路径中的延迟线形 成声表面波传感器的敏感部分。声表面波器件的延迟线暴露在某种环境下,声波的传播受到环境因素(湿度、温度、压力、质量、粘度、密度等)的影响将导致声波频率的变化;或者是环境对声波的能量产生了吸收或散射作用,使得声波能量发生衰减(振幅)。这些变化最终体现在输出信号频率或幅度的差异上,这就是表面波传感器的基本传感原理。由于延迟线结构具有较长的声波传播途径,因此这种结构的声表面波传感器可以获得较大的敏感面积进而被经常应用于生物化学传感器中。
2.2 传感器设计制作
通常传感器灵敏度取决于中心频率,但是提高器件工作的中心频率会增加IDT光刻工艺难度。同时,由于SAW传播的阻尼损耗与中心频率的平方成正比,这样从插入损耗的角度来看,太高的中心频率也会增加测试电路的制作的难度[7]。叉指换能器的设计决定传感器频率响应的好坏。根据叉指电极的δ函数模型可知输入输出电极对数和传感器响应的带宽成反比,因此在设计时需考虑传感器工作信号的带宽应在器件的主瓣带宽内。从等效电路模型考虑,叉指对的数目与声反射和体波干扰的程度有关。此外,输入输出IDT的中心距越大,器件等效品质因数越高,但中心距越大插入损耗越大,声波衍射也越严重,并且主瓣内满足振荡条件的频率点数也越多。IDT孔径d越大,激发的声波越强,但随之增大的等效电容不利于产生高频振荡;d太小SAW的衍射会变得更严重[8]。
首先以δ函数模型和等效电路模型为基础,在综合考虑了以上的因素之后,用MATLAB语言对声表面波传感器进行了计算机仿真和优化设计。最后,选择36°Y切割X方向传播的LiTaO3单晶为SH-SAW传感器的基底,双声路差动结构的设计方法可有效地消除温度引起的共模干扰。传感器和流腔的实物如图2所示,将其中一个通道设计成短路作为信号的参考通 路,两个通道的差频信号反映了被测量的大小。传感器设计参数和频率响应见参考文献[5]。
3 仪器系统设计
仪器系统的结构如图3所示。整个仪器系统包括液路系统和电路系统两个部分。DSP微处理器TMS320VC5402控制进样过程、采集传感器输出信号、负责测试数据的处理和结果的LCD显示。检测过程如下:首先通过键盘设置流速、采样间隔,选择需测试分析的特性(总盐度、酒精度或水质量分数);接着电路系统打开清洗液通路的阀门并控制蠕动泵以设定的速度进样,连续进样直到传感器对清洗液的响应达到稳定;然后关闭洗液阀打开样液阀,连续进样直到传感
器对样液的响应稳定;最后计算传感器两次测量的频率差,并通过相关计算将测量结果显示在LCD上。此外,根据测量的实际需要,也可由计算机通过USB总线将测量方案传送到DSP处理器,或将测试数据发送到计算机。蠕动泵产生的气泡滞留在传感器流动腔内是实际测量过程中存在的最大问题,系统设计了一个简易的除气装置很好地解决了这个问题。
3.1 传感器接口设计
获得性能优良的、稳定的高频振荡信号是声表面波传感器接口设计中的关键问题。由声表面波器件的相位频率特性可知,在中心频率点附近存在着多个相位零点,因此,需在反馈回路中设计一个中心频率与声表面波器件中心频率一致的带通滤波器,使得在通带内只存在一个相位零点,这样可以避免器件在工作过程中的频率跳变(frequency hopping),并起到抑制谐波的作用。再者,为了达到在中心频率点处相位为零的振荡条件,需在反馈回路中设计一个相位补偿电路。通过相位-频率特性曲线可得到中心频率处的相位偏移量,相应地可采用基于LC参数设计的移相网络进行相位补偿。此外,在具体的电路设计时,考虑到频率、传输线长度以及传输线阻抗等方面的因素,在反馈回路中设计相应的阻抗匹配电路。为减少前后级电路之间 的影响并增加输出接口的驱动能力,设计中将另一个运放用作缓冲输出。仪器的接口电路采用了MAXIM公司的高频集成双运算放大器,单个通道的声表面波传感器接口电路如图4所示。
(如图3所示仪器系统总体结构图中的模拟电路的结构示意图)振荡电路产生的两个通道的频率信号经过混频器后,和频信号经低通滤波器(<2MHz)滤除,差频信号经整形后输入到光电耦合器,最终输入到数字电路中基于8254C频率-计数器的测频电路。
3.2 微机系统接口设计
考虑到测量系统需要进行一些运算,如实时计算温度系数动态修正测量数据、采用数字滤波去除液体蠕动对信号引入的噪声、测试数据的拟合运算等。为提高整机的工作性能,在仪器设计时采用DSP作为仪器系统的微处理机。同时,为减少微机系统接口电路的器件、简化印刷电路板制作并提高系统的稳定性,采用CPLD为数字电路的接口器件。为达到在较宽的频率 信号的测量过程中,仪器都能有较高的测量精度同时又能保持足够的采样速度,仪器设计了专门的逻辑电路配合软件实时的计算实现测周法和测频法的自动转换。TMS320VC5402是德州仪器公司推出的C5000系列定点数字信号处理器,具有高速、低功耗、高性价比等优点,可用于各种需要计算的嵌入式系统[9]。TMS320VC5402片内所提供的大量外设资源使其在嵌入式应用系统中只需要使用较少的外国芯片即可完成用户所需的功能,它广泛地应用于便携式电子设备的设计。该分析仪器采用EPM7128可编程大规模逻辑器件作为TMS320VC5402数字系统的接口器件,它是ALTERA公司的MAX7000系列产品。系统借助Verilog HDL硬件描述语言设计了相应的硬件电路。基于TMS320VC5402的下位机的系统软件主要分成控制和分析算法两个部分。程序在编写上采用汇编语言和C语言混合编程,在实时性要求较高的场合用汇编语言编写。
3.3 DSP与USB总线的接口设计
USB总线已经成为计算机接口设备的主流,它真正实现了“即插即用”并具有便于扩展和连接灵活的特点。该仪器采用的PDIUSBD12 USB控制器是一款高性能、低成本USB器件,它具有如下特点:集成了SIE、收发器以及电压调整器;集成320Byte多结构FIFO存储器;在批量模式和同步模式下可实现1Mb/s的数据传输速率;高集成度、高可靠性和宽范围工作条件等方面的优点使得它可以兼容大部分DSP的工作环境。
在USB设备的开发过程中,可以在逻辑上把它抽象成USB物理结构、USB系统软件以及客户软件三个层次结构。在硬件物理层以DSP为核心进行数据采集,利用DSP的快速运算能力和大容量地址寻址能力,通过各种接口方式与USB协议层实现高速、快捷的传输。Phillips公司为PDIUSBD12器件提供的积木式结构的USB系统软件大大地方便了用户层软件的设计和开发。下位机通讯程序的软件用C程序语言设计,上位机的通讯程序用Visual C++程序语言设计。
这样,在设计上实现了接口间的高效、低耦合连接。在以往的研究中这种结构设计取得了良好的效果。
4 实验结果
4.1 仪器性能指标测试
为了检验分析仪器软硬件系统检测的精度,也即测频的精度,图3所示的电路设计专门为监测仪器留有模拟输出信号的端口。在以往的研究中,这个输出信号被输入到基于LABVIEW虚拟仪器的测试平台。通过与专用的仪器设备(HP5316B)比较,在10～2MHz频率范围内,分析仪器测频的测量误差小于0.1%。
4.2 溶液特性参数测试
到目前为止,分析仪器主要就溶液总盐度、白酒酒精度以及有机溶液水质量分数等参数进行了测试。在测试过程中,用基于LABVIEW虚拟仪器的测试平台进行了同步监测。仪器进行的实验结果如图5所示。
(1)电导率测试:配制7种电导率在0.002～0.8S/m之间的溶液,在流速为1.5ml/min的进样速度下,对7种不同电导率溶液进行测量,每种测量重复3次取平均值。实验结果如图5(a)所示,测量数据经二次曲线拟合计算后,溶液电导率测量的最大误差为1.78%。系统对电导率的检测下限为1.2×10-4S/m。完成一次检测的时间大约为1min。
(2)白酒酒精度测量:对不同批次、不同种类的39°稻花香酒、口子酒以及五粮液等白酒分别进行2%, 5%,10%的稀释,在相同条件下进行测试。实验结果如图5(b)所示,表明在测试点4°范围内(39°～35°)传感器对酒精度的响应成线性关系。系统对白酒酒精度测量的分辨率达到1.5kHz/°,检测精度为±0.2°。测试的实验条件同上。
(3)为了检验同一酒精度不同品牌的白酒之间的差异,将五粮液、口子酒分别进行测试。为得到不同的瞬态响应曲线,放慢流动注射的进样速度至0.2ml/min。实验结果表明传感器对于不同种类的酒,在出峰的时间上,其瞬态响应表现出比较明显的不同(如图5(c))。其原因可能是由于不同白酒之间的配料成分不同所导致,结合现代信号处理技术,有望在下一步的工 作中实现对不同白酒的识别[6]。
(4)水质量分数检测:用乳化的方法对食用橄榄油按2%、5%、10%、15%、20%的比例进行掺水,对每个样本重复进行7次测量取平均值,实验表明系统能有效检测乳化掺水20%比例内食用橄榄油的水质量分数,测量的相对误差<±5%。实验结果如图5(d)所示。
5 讨 论
虽然传感器在结构上设计成了差动方式,但毕竟敏感通道与参考通道在结构上不能保持严格的一致,由于LiTaO3的温度系数不为零,同时电路固有的阻抗会随温度变化,因此振荡电路的频率受温度影响。除在软件上采取温度系数补偿外,为了进一步提高系统对温度变化的抗干扰能力,一方面在电路设计上可在反馈回路上进行温度补偿。反馈回路中分别选取具有 相反温度系数的电感、电容以及电阻,使用时测量每个元件的温度曲线,然后用软件进行仿真,选择理论上温度系数为零的一组元件接入电路;另一方面通过引入温控装置保持测试环境温度的相对稳定。从传感器流腔的安全性、密闭性、易安装更换的角度出发考虑,传感器流腔的设计存在着较多的有待进一步改进的不足之处。在下面的工作中,将进一步深入研究声表面波传感器的声学模型和叉指电极模型,在计算机仿真设计的基础上,优化参数使器件获得品质优良的频响曲线。目前仪器分析的部分样本溶液来源于实际的工作环境,仪器的样机尚处于实验室的研发阶段。由于SH-SAW传感器具有灵敏度高、体积小、所需样品量小、操作简单、分析快速和连续在线检测等众多优点,因此通过进一步改进和完善,该分析仪器将在工业生产和环境的现场实时监测中得到良好的应用。
参考文献
[ 1 ] MACKEY D J, ZIRION A. Comments on trace metal speciation in seawater or do“onions”grow in the sea. Analytical Chimical Acta[J],1994,284:635- 647.
[ 2 ] Edward J S.Nerve gas detection using a SAW/GC electronic sensor technology. https://www. estcal. com/TechPapers/NERVE.pdf,2002.
[ 3 ] BILL DRAFTS.Acoustic wave technology sensors. IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques, 2001,49(4).
[ 4 ] KIM R R, MACRO M. Biosensors for analytical monitoring. https://www. epa. gov/heasd/edrb/ biochem/intro.htm,July 22nd,2003.
[ 5 ] 叶学松,樊海涛,杨明艳,等.声表面波液相金属离子传感器.传感技术学报[J]. 2004,17(2):280-284.
[ 6 ] 叶学松,徐成华,樊海涛,等.一种新型的声表面波液相检测系统的研究[J].浙江大学学报:工学版,2004,38(8):1051-1055.
[ 7 ] AULD B A. Acoustic fields and waves in solids, 2nd edition [M]. Malabar:Krieger,1990(2).
[ 8 ] CAMPBELL C. Surface acoustic wave devices for mobile and wireless communications [M ]. New York: Academic Press,1998.
[ 9 ] Texas Instruments Inc. TMS320C54X DSP Reference Set:Application Guide,1996,4.
作者简介
叶学松 男 1970年出生 博士 副教授 主要研究方向为传感技术及信号处理 E-mail:yexs@mail.bme.zju.edu.cn
