表面形变

[align=left][font='宋体'][size=16px]摘要：介绍[/size][/font][font='宋体'][size=16px][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]中[/size][/font][font='宋体'][size=16px]有关[/size][/font][font='宋体'][size=16px][color=#ff0000]声表面波[/color][/size][/font][font='宋体'][size=16px][color=#ff0000]传感器[/color][/size][/font][font='宋体'][size=16px]的原理和应用场景……[/size][/font][/align] [font='宋体'][size=16px][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]是常用的分析仪器，主要是利用物质的物理化学性质差异，对多组分混合物进行分离和测定，目前作为有机定量分析方法中最重要的分支，在石油化工、医药工业、食品安全和环境监测等方面具有广泛的应用。作为精密仪器而言，在[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]的仪器实现中，仪器需要接受光、声、热、电、磁等多种信号，因此需要安装多种多样的传感器，用以将各种信息转化为电信号，从而进行仪器各种功能的实现，并输出响应的结果。[/size][/font] [font='宋体'][size=16px][url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]中常用的传感器有十多种，主要有温度传感器、压力传感器、流量传感器等，其原理各不相同，本文主要介绍有关[/size][/font][font='宋体'][size=16px][color=#ff0000]声表面波[/color][/size][/font][font='宋体'][size=16px][color=#ff0000]传感器[/color][/size][/font][font='宋体'][size=16px]的原理和应用场景等内容。[/size][/font] [font='宋体'][size=16px]1 传感器概述[/size][/font] [font='宋体'][size=16px]根据国家标准《GB/T 7665-2005 传感器通用术语》的定义，传感器（transducer/sensor）指“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。其中，敏感元件（sensing element)，指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件（transducing element)，指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分 。[/size][/font] [font='宋体'][size=16px]2 [/size][/font][font='宋体'][size=16px]声表面波[/size][/font][font='宋体'][size=16px]传感器[/size][/font][font='宋体'][size=16px]工作原理[/size][/font] [font='宋体'][size=16px]声表面波传感器则[/size][/font][font='宋体'][size=16px]是[/size][/font][font='宋体'][size=16px]结合[/size][/font][font='宋体'][size=16px]逆[/size][/font][font='宋体'][size=16px]压电效应[/size][/font][font='宋体'][size=16px]、压电效应[/size][/font][font='宋体'][size=16px]，将[/size][/font][font='宋体'][size=16px]电信号变换为声信号并沿着衬底表面扩散，最后再[/size][/font][font='宋体'][size=16px]变换为电信号输出以达到电--声--[/size][/font][font='宋体'][size=16px]电之间[/size][/font][font='宋体'][size=16px]的变换[/size][/font][font='宋体'][size=16px]的器件。[/size][/font] [font='宋体'][size=16px]2[/size][/font][font='宋体'][size=16px].1 几个概念[/size][/font] [font='宋体'][size=16px]当石英等晶体受到某一[/size][/font][font='宋体'][size=16px]方向上的外力时，在其表面会有电荷出现。其原因是，受到压力的晶体会发生一定的形变，[/size][/font][font='宋体'][size=16px]形变导致其内部产生极化，从而在相应的表面[/size][/font][font='宋体'][size=16px]上出现电荷，且电荷的面密度与外力的大小有关。如果作用力的方向发生了改变，电荷的极性也将随之变化。当外力撤销后，该晶体又会恢复到不带电的状态。这种现象被称为[/size][/font][font='宋体'][size=16px]压电效应(Piezoelectric Effect)[/size][/font][font='宋体'][size=16px]。[/size][/font] [align=center][img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2024/08/202408161005356471_3404_1856270_3.png[/img][/align] [font='宋体'][size=16px]压电效应存在逆效应[/size][/font][font='宋体'][size=16px]，[/size][/font][font='宋体'][size=16px]称为[/size][/font][font='宋体'][size=16px]逆压电效应(Converse Piezoelectric Effect)[/size][/font][font='宋体'][size=16px]，[/size][/font][font='宋体'][size=16px]也就是电场能够使压电材料发生形变[/size][/font] [font='宋体'][size=16px]声表面波（[/size][/font][font='宋体'][size=16px]Surface acoustic wave[/size][/font][font='宋体'][size=16px]）[/size][/font][font='宋体'][size=16px]简称 SAW，[/size][/font][font='宋体'][size=16px]是[/size][/font][font='宋体'][size=16px]在固体半空间表面存在的一种沿表面传播，能量集中于表面附近的弹性波[/size][/font][font='宋体'][size=16px]，[/size][/font][font='宋体'][size=16px]又称为表面声波[/size][/font][font='宋体'][size=16px]，[/size][/font][font='宋体'][size=16px]由[/size][/font][font='宋体'][size=16px]英国物理学家瑞利（Rayleigh）在19世纪80 年代研究地震波的过程中偶尔发现[/size][/font][font='宋体'][size=16px]。[/size][/font] [font='宋体'][size=16px]2[/size][/font][font='宋体'][size=16px].2 声表面波传感器的原理[/size][/font] [font='宋体'][size=16px]声表面波（SAW）传感器[/size][/font][font='宋体'][size=16px]是[/size][/font][font='宋体'][size=16px]运用声表面波技术，[/size][/font][font='宋体'][size=16px]以[/size][/font][font='宋体'][size=16px]声表面波器件作为传感元件，[/size][/font][font='宋体'][size=16px]通过压电效应和[/size][/font][font='宋体'][size=16px]逆[/size][/font][font='宋体'][size=16px]压电效应[/size][/font][font='宋体'][size=16px]，[/size][/font][font='宋体'][size=16px]将[/size][/font][font='宋体'][size=16px]声表面波器件中声表面波的速度或频率的变化反映出来，并转换成电信号输出的传感器。[/size][/font] [font='宋体'][size=16px]以[/size][/font][font='宋体'][size=16px]声表面波[/size][/font][font='宋体'][size=16px]气体传感器[/size][/font][font='宋体'][size=16px]为例，其结构示意如下[/size][/font][font='宋体'][size=16px]，[/size][/font][font='宋体'][size=16px]主要包含[/size][/font][font='宋体'][size=16px][color=#ff0000]压电基底[/color][/size][/font][font='宋体'][size=16px]、激励和检测 SAW 的[/size][/font][font='宋体'][size=16px][color=#ff0000]叉指换能器（IDTs）[/color][/size][/font][font='宋体'][size=16px]以及具有选择吸附性的[/size][/font][font='宋体'][size=16px][color=#ff0000]敏感膜[/color][/size][/font][font='宋体'][size=16px]三部分[/size][/font][font='宋体'][size=16px]：[/size][/font] [img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2024/08/202408161005365558_3661_1856270_3.png[/img] [font='宋体'][size=16px][color=#ff0000]叉指换能器（IDTs）[/color][/size][/font][font='宋体'][size=16px]是[/size][/font][font='宋体'][size=16px][color=#ff0000]压电基底[/color][/size][/font][font='宋体'][size=16px]上具有周期性的[/size][/font][font='宋体'][size=16px][color=#ff0000]金属电极[/color][/size][/font][font='宋体'][size=16px]，[/size][/font][font='宋体'][size=16px]其主要的工作原理是利用压电效应以及逆压电效应原理产生或者接收声表面波，从而[/size][/font][font='宋体'][size=16px]实现声[/size][/font][font='宋体'][size=16px]和电信号之间的相互转换[/size][/font][font='宋体'][size=16px]。[/size][/font][font='宋体'][size=16px]当其中一组 IDT受到交变信号的作用，会产生周期与一对叉指间隔距离相同的电场。在逆压电效应刺激作用下，由于弹性形变导致压电材料发生振动，将电信号转为弹性波信号传输到衬底的另一端。另外一组叉指换能器接收到传输过来的声波，在压电效应的刺激下下，把声波信号输出为电信号。[/size][/font] [font='宋体'][size=16px][color=#ff0000]敏感膜[/color][/size][/font][font='宋体'][size=16px]对待测气体具有选择吸附性、可逆性和高稳定性[/size][/font][font='宋体'][size=16px]，[/size][/font][font='宋体'][size=16px]在吸收待测气体后会[/size][/font][font='宋体'][size=16px]引起[/size][/font][font='宋体'][size=16px]声[/size][/font][font='宋体'][size=16px]表面波[/size][/font][font='宋体'][size=16px]（传播速度[/size][/font][font='宋体'][size=16px]、[/size][/font][font='宋体'][size=16px]频率或相位等）物理参数的变化，从而实现对待测气体的检测。[/size][/font] [font='宋体'][size=16px]3[/size][/font][font='宋体'][size=16px] [/size][/font][font='宋体'][size=16px]声表面波[/size][/font][font='宋体'][size=16px]传感器[/size][/font][font='宋体'][size=16px]在[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]中的[/size][/font][font='宋体'][size=16px]应用场景[/size][/font] [font='宋体'][size=16px]声表面波传感器[/size][/font][font='宋体'][size=16px]在化学分析中，最常见的用途是作为气体传感器测定含量，如[/size][/font][font='宋体'][size=16px]二氧化氮[/size][/font][font='宋体'][size=16px]、[/size][/font][font='宋体'][size=16px]二氧化碳[/size][/font][font='宋体'][size=16px]、氢气[/size][/font][font='宋体'][size=16px]、甲醛[/size][/font][font='宋体'][size=16px]等。[/size][/font] [font='宋体'][size=16px]另外，也有将声表面波传感器作为[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url]器的检测器[/size][/font][font='宋体'][size=16px]，[/size][/font][font='宋体'][size=16px]在公共安全、环境监测、食品和药品检测[/size][/font][font='宋体'][size=16px]等方面得到了应用。[/size][/font] [img]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2024/08/202408161005365774_2099_1856270_3.png[/img] [font='宋体'][size=16px]声表面波[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱仪[/color][/url][/size][/font][font='宋体'][size=16px]具有灵敏度高、色谱柱升温速度快[/size][/font][font='宋体'][size=16px]([/size][/font][font='宋体'][size=16px]~[/size][/font][font='宋体'][size=16px]20[/size][/font][font='宋体'][size=16px]℃[/size][/font][font='宋体'][size=16px]/s)[/size][/font][font='宋体'][size=16px]、体积小，可实现痕量气体的广谱(挥发和半挥发性有机物)、快速( 5 min)、高灵敏度([/size][/font][font='宋体'][size=16px]ppb[/size][/font][font='宋体'][size=16px]~[/size][/font][font='宋体'][size=16px]ppt[/size][/font][font='宋体'][size=16px] 级) 现场分析的特点[/size][/font][font='宋体'][size=16px]。[/size][/font] [font='宋体'][size=16px]4[/size][/font][font='宋体'][size=16px] 小结[/size][/font] [font='宋体'][size=16px]声表面波传感器能够精确测量物理、化学等信息 (如温度、应力[/size][/font][font='宋体'][size=16px]、[/size][/font][font='宋体'][size=16px]气体密度)[/size][/font][font='宋体'][size=16px]，[/size][/font][font='宋体'][size=16px]目前已经形成了包括声表面波压力传感器、声表面波温度传感器、声表面波[/size][/font][font='宋体'][size=16px]生物基因传感器、声表面波化学[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相[/color][/url]传感器以及智能传感器等多种类型，未来将会有更广阔的的应用范围。[/size][/font] [font='宋体'][size=16px]说明：本文2024年首发于公众号“[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/Mp][color=#3333ff]气相色谱[/color][/url]分析”[font='宋体']。[/font][/size][/font]

比表面是比表面积的简称。根据实际需要，比表面积分为内比表面积、外比表面积、和总比表面积；通常未注明情况下粉体的比表面积是指单位质量粉体颗粒外部表面积和内部孔结构的表面积之和，单位m2/g。粉体材料越细，表面不光滑程度越高，其比表面积越大。由于纳米材料细度很高，一般具有比较大的比表面积；吸附剂催化剂炭黑等材料的效能与比表面积关系密切，一定效能需要一定范围的比表面要求；但并不是比表面积越大，就粉体质量越好。例如在要求粉体球形度的情况下，粒度相当的粉体材料，比表面越大，球形程度就越差。比表面积和粒径（粒径一般用中位径或目数来表示）是两个概念，没有必然联系，同样目数的两个产品不等于他们拥有相同的比表面积，也依赖与其表面光滑程度和孔结构。比表面积研究和相关数据报告中，只有采用BET方法检测出来的结果才是真实可靠的，因为国内外制定出来的比表面积标准都是以BET测试方法为基础的。(GB.T 19587-2004)-气体吸附BET原理测定固态物质比表面积的方法，而通过粒度仪估算出的比表面积通常差距都很大，无法反映实际情况。比表面积测试有专用的比表面积测试仪。 比表面分析仪是用来检测颗粒物质比表面积的专用设备，目前在高校、科研单位及生产企业中被广泛实用，比表面积是衡量物质特性的重要参量，其大小与颗粒的粒径、形状、表面缺陷及孔结构密切相关；同时，比表面积大小对物质其它的许多物理及化学性能会产生很大影响，特别是随着颗粒粒径的变小，比表面积成为了衡量物质性能的一项非常重要参量，如目前广泛应用的纳米材料。比表面积大小性能检测在许多的行业应用中是必须的，如电池材料，催化剂，橡胶中碳黑补强剂，纳米材料等。 目前国内外比表面积测试统一采用多点BET法，国内外制定出来的比表面积测定标准都是以BET测试方法为基础的，请参看我国国家标准（GB/T 19587-2004）-气体吸附BET原理测定固态物质比表面积的方法。比表面积检测其实是比较耗费时间的工作，由于样品吸附能力的不同，有些样品的测试可能需要耗费一整天的时间，如果测试过程没有实现完全自动化，那测试人员就时刻都不能离开，并且要高度集中，观察仪表盘，操控旋钮，稍不留神就会导致测试过程的失败，这会浪费测试人员很多的宝贵时间。真正完全自动化智能化比表面积测试仪产品，才符合测试仪器行业的国际标准，同类国际产品全部是完全自动化的，人工操作的仪器国外早已经淘汰。真正完全自动化智能化比表面积分析仪产品，将测试人员从重复的机械式操作中解放出来，大大降低了他们的工作强度，培训简单，提高了工作效率。真正完全自动化智能化比表面积测定仪产品，大大降低了人为操作导致的误差，提高测试精度。 精微高博(JWGB)是当代中国著名的粉体表面特性测试技术的开创者。十年来，精微高博(JWGB)的科学家革新了测试技术并设计发明了相应的物性测试仪器，使粉体及多孔材料的测试更精确、更精密、更可靠。这包括： • 比表面测试• 吸附/脱附等温线• 孔隙度、介孔与微孔孔径分布•粉体真密度•精微高博(JWGB)具有代表性的仪器： -连续流动色谱法智能型比表面分析仪 ---- JW-DA -多站静态容量法比表面及孔隙度分析仪 ---- JW-BK -静态容量法超微孔孔径分布测试仪—— JW-BK-F