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基于磁弹性传感器的重金属离子检测系统

【摘要】:磁弹性传感器是一种主要由磁弹性金属材料薄片,如铁基非晶合金,构成的新型传感器,它具有检测灵敏度高、成本低廉、无线测量等诸多优点,因此受到众多科研工作者的关注,在环境监测、食品安全以及生物分子测量等领域具有广泛的应用前景。首先,本文结合国内外磁弹性传感器的研究现状,阐述了磁弹性传感器的振动方程,得出共振频率的理论计算公式;讨论了质量负载对传感器共振频率的影响,并得出理论计算公式;通过建立磁弹性传感器在液体中的理论模型,讨论了液体粘度、密度对传感器共振频率的影响,并进行了理论公式推导;讨论了磁弹性传感器共振频率测量的三种原理以及目前实验室常用的共振频率测量方法。然后,基于阻抗测量法,本文设计研制了一款基于AD5933阻抗转换器芯片的磁弹性传感器共振频率测量系统,详细介绍了测量系统的硬件设计及软件程序流程,并对测量系统的测量精度及可靠性进行了实验测量;由于AD5933阻抗转换器芯片扫描频率的限制,研制了一款高频率磁弹性传感器共振频率测量系统,设计了测量系统的硬件电路和软件程序,并进行了实验测量,结果表明该系统可对共振频率在450kHz以下的磁弹性传感器进行测量。最后,本文提出了一种基于置换反应的重金属离子检测方法,利用Metglas 2826MB磁弹性振动裸片,无需对其进行表面功能化修饰,就可对完成对溶液中的重金属离子进行检测。通过监测磁弹性振动片共振频率偏移量,反映待测溶液中重金属离子浓度。采用硝酸铅溶液实验验证了该检测原理的可行性,结果表明磁弹性振动片的共振频率偏移量随溶液中Pb2+浓度的升高而增大,物理尺寸磁弹性振动片越小的检测灵敏度越强,共振频率偏移量与溶液中Pb2+浓度之间呈线性关系,检测灵敏度为24Hz/mg?ml-1。

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