石英晶体称重原理

一、石英晶体微天平的基本原理：石英晶体微天平最基本的原理是利用了石英晶体的压电效应：石英晶体内部每个晶格在不受外力作用时呈正六边形，若在晶片的两侧施加机械压力，会使晶格的电荷中心发生偏移而极化，则在晶片相应的方向上将产生电场；反之，若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形，这种物理现象称为压电效应。

如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。

在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，这种现象称为压电谐振。

它其实与LC回路的谐振现象十分相似：当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，一般约几个PF到几十PF；当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L 来等效，一般L 的值为几十mH到几百mH。

由此就构成了石英晶体微天平的振荡器，电路的振荡频率等于石英晶体振荡片的谐振频率，再通过主机将测的得谐振频率转化为电信号输出。

由于晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。

二、石英晶体微天平的主要构造：QCM主要由石英晶体传感器、信号检测和数据处理等部分组成。

石英晶体传感器的基本构成大致是：从一块石英晶体上沿着与石英晶体主光轴成35015'切割(AT—CUT)得到石英晶体振荡片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，石英晶体夹在两片电极中间形成三明治结构。

在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

石英晶体微天平的其他组成结构在不同型号和规格的仪器中也不尽相同，可根据测量需要选用或联用。

一般附属结构还包括振荡线路、频率计数器、计算机系统等；电化学石英晶体微天平在此基础上还包括恒电位仪、电化学池、辅助电极、参比电极等；三、石英晶体微天平的分析化学应用QCM最早应用于气相组分、有毒易爆气体的检测。

石英晶体微天平原理石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance，简称QCM）是一种利用石英晶体的振荡频率变化来测量微量物质质量的分析仪器。

其工作原理是基于石英晶体微振器在质量变化时引起谐振频率的变化。

石英晶体是一种具有垂直电极和涂有一层金属电极的薄膜石英技术器件。

在标准条件下，石英晶体具有特定的谐振频率，当质量发生变化时，石英晶体的谐振频率也会发生相应的变化。

这个质量的变化可以是溶质吸附、膜生长、能量转换等引起的。

石英晶体微天平的主要部分包括石英晶体和振荡电路。

石英晶体被放置在真空或气体环境中，通过电极与振荡电路相连。

当外加交流电场施加到石英晶体上时，晶体将发生机械振荡，并产生电荷分布，从而使晶体表面产生一定的驱动力。

这种驱动力可以通过检测电路检测出来，并转换成电信号。

石英晶体微天平利用石英晶体的材料特性和电极结构，通过测量振荡频率的变化来定量分析溶液中微量物质的吸附、反应和生长过程。

当溶液中存在微量物质时，这些物质会在石英晶体的表面上吸附或反应，并改变晶体的质量。

质量的变化将引起石英晶体的共振频率的改变，这个频率的变化与溶液中微量物质的质量变化成正比。

QCM主要分为自由振动和受控振动两种模式。

在自由振动模式下，石英晶体将自由振动，而在受控振动模式下，通过将交流电场施加到电极上，通过调节频率和振幅来控制石英晶体的振荡。

这样可以通过控制石英晶体的振荡来监测微量物质的吸附和反应过程。

石英晶体微天平在生物医学、环境监测、材料科学等领域具有广泛的应用。

例如，它可以用于研究蛋白质的吸附、细胞的生长、药物的吸附和释放等过程。

由于其高灵敏度、快速响应和无需标记的特点，石英晶体微天平已经成为一种非常重要的表征和分析技术。

总之，石英晶体微天平利用石英晶体的振荡频率变化来测量微量物质质量的分析技术。

它的工作原理是基于石英晶体在质量发生变化时引起谐振频率的变化。

通过测定谐振频率的变化，可以定量分析溶液中微量物质的吸附、反应和生长过程。

石英晶体微天平原理石英晶体微天平是一种高精度的质量测量仪器，它的原理是利用石英晶体的压电效应来测量物体的质量。

石英晶体是一种具有压电效应的晶体，当施加外力时，会产生电荷，这种电荷的大小与施加的力成正比。

因此，通过测量石英晶体的电荷变化，就可以得到物体的质量。

石英晶体微天平的结构非常简单，它由一个石英晶体片和一个电极组成。

石英晶体片通常是一个长方形的薄片，厚度只有几毫米，宽度和长度分别为几毫米到几厘米不等。

电极则是两个金属片，分别固定在石英晶体片的两端。

当物体放在石英晶体片上时，物体的重力会使石英晶体片产生微小的弯曲，从而改变石英晶体片的压电效应，产生电荷。

这些电荷被电极收集起来，通过放大器放大后，就可以得到物体的质量。

石英晶体微天平的精度非常高，可以达到微克级别。

这是因为石英晶体具有非常好的稳定性和重复性，可以在长时间内保持稳定的压电效应。

此外，石英晶体的压电效应与温度、湿度等环境因素的影响非常小，因此可以在各种环境下进行精确的质量测量。

石英晶体微天平广泛应用于化学、生物、医学等领域的研究中。

例如，在化学实验中，可以用石英晶体微天平来测量化学反应中物质的质量变化，从而研究反应的动力学和热力学性质。

在生物学和医学中，石英晶体微天平可以用来测量细胞、蛋白质等生物分子的质量，从而研究它们的结构和功能。

除了石英晶体微天平，还有其他类型的微天平，如电容微天平、磁悬浮微天平等。

这些微天平的原理和应用都有所不同，但它们都具有高精度、高灵敏度的特点，可以用于各种精密测量和研究。

石英晶体微天平是一种非常重要的质量测量仪器，它的原理简单、精度高，应用广泛。

随着科技的不断发展，微天平的精度和应用范围还将不断扩大，为科学研究和工业生产带来更多的便利和发展机遇。

石英晶体动态汽车衡的特点及应用内容提要：国内公路货车计重收费动态称重设备，目前大多采用电阻应变传感器的秤台式或弯板式结构，受电阻应变传感器特性和实际使用的条件限制，这种设备在使用寿命、称量精度、后期维护等方面都存在不同程度的问题。

本文通过介绍石英晶体传感器及其动态汽车衡的应用，旨在探讨公路动态称重设备应用技术的新途径。

石英晶体的压电特性及应用石英（SiO2）是一种天然的压电材料，当受外力作用时，石英表面便会产生电荷，即压电效应。

用于制造传感器的石英需要置于高温、高压（1000bar，400℃）热压容器内，经过长时间的培养（每公斤石英约需一周）。

使用光学晶体测角仪可以测出晶体的方向，晶体有纵向、横向和剪切向三种不同的切割方式，某一种切割方式的石英晶体只对相应方向的力敏感，分别称为纵向效应、横向效应和剪切效应：●纵向效应，电荷产生在受载石英的表面（如图1）●横向效应，电荷产生在与受载表面垂直的另两个未加载的表面（如图2）●剪切效应，电荷产生在受剪切载荷的石英表面（如图3）图1纵向效应图2横向效应图3剪切效应石英晶体用于各种力的测量时，根据应用场合的需要，选择不同切割方向的石英晶体作为检测元件，可以避免其它方向力的干扰。

承载垫(可被研磨)合金铝质型材石英敏感元件弹性材料图5石英晶体压电检测器件a)内部结构b)外形封装石英晶体损耗小，品质因素可达数百万，耐老化性能好，可长时间稳定可靠工作，99％以上的电子设备都采用石英晶体振荡器作为时间或频率的基准，在民用、工业、军事和航天领域获得了非常广泛的应用。

本文介绍石英晶体作为动态称重（WIM）传感器在公路动态称重设备中的应用。

石英晶体传感器的结构及特点1.采用石英晶体传感器的动态汽车衡构成原理图4为石英晶体动态汽车衡检测部分的构成原理，其中的核心部件Lineas ®石英晶体动态称重传感器与电荷放大器（Charge Amplifier），由瑞士Kistler （奇石乐）公司配套生产。

石英晶体微天平最基本的原理石英晶体微天平最基本的原理是利用了石英晶体的压电效应:石英晶体内部每个晶格在不受外力作用时呈正六边形，若在晶片的两侧施加机械压力，会使晶格的电荷中心发生偏移而极化，则在晶片相应的方向上将产生电场;反之，若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形，这种物理现象称为压电效应。

如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。

在一般情况下，防腐热电偶晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，这种现象称为压电谐振。

它其实与LC回路的谐振现象十分相似:当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，一般约几个PF到几十PF;当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效，一般L的值为几十mH到几百mH。

由此就构成了石英晶体微天平的振荡器，电路的振荡频率等于石英晶体振荡片的谐振频率，再通过主机将测的得谐振频率转化为电信号输出。

防爆热电偶由于晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。

二、石英晶体微天平的主要构造:QCM主要由石英晶体传感器、信号检测和数据处理等部分组成。

石英晶体传感器的基本构成大致是:从一块石英晶体上沿着与石英晶体主光轴成35015'切割(AT-CUT)得到石英晶体振荡片，铠装热电偶在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，石英晶体夹在两片电极中间形成三明治结构。

在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

石英晶体微天平的其他组成结构在不同型号和规格的仪器中也不尽相同，可根据测量需要选用或联用。

一般附属结构还包括振荡线路、频率计数器、计算机系统等;电化学石英晶体微天平在此基础上还包括恒电位仪、电化学池、辅助电极、参比电极等;三、石英晶体微天平的分析化学应用QCM最早应用于气相组分、有毒易爆气体的检测。

石英晶体微天平原理石英晶体微天平是一种精密质量测量仪器，主要用于测量非常小的物质质量。

这种仪器的原理基于石英晶体的固有振动频率与晶体上物质加质量后振动频率的变化成正比例关系。

下面，我们将详细介绍石英晶体微天平的原理。

在石英晶体微天平中，石英晶体被用作传感器。

石英晶体在电场作用下可以产生共振，这种共振由石英片的弹性和质量参数决定。

石英晶体通常用于高频振动上，其谐振频率在10kHz到150MHz之间。

当石英晶体被电压激发，它的边界会在一定频率范围内振动，这种振动称为表面声波(resonant acoustic wave)。

这些声波的频率和振幅随着石英晶体的尺寸、形状和材料特性而变化。

当粘附到晶体表面的材料的质量改变时，声波的频率产生偏移。

这个频率偏差与物质的质量成正比例。

石英晶体微天平中，晶体表面覆盖着一层被测材料(样品)，它与晶体表面成为共振耦合，被共振耦合的样品使晶体表面发生微小变形，这导致共振频率发生变化。

这种变化被测量，并与标准测试电路中的参考频率偏差匹配，从而确定被测量材料的质量。

实际上，在石英晶体微天平中，共振频率的测量是很复杂的，需要高精度的电子学设备来实现。

测量的系统频率在微波范围内，并以高速稳定的方式测量，从而实现对非常小的质量变化的高分辨率测量。

石英晶体微天平原理是一项先进的技术，可用于测量非常小的质量变化。

它广泛应用于化学、物理、生物学和医学等领域，以及微机电系统(MEMS)、纳米材料和生物分子的表征等方面。

在实际应用中，石英晶体微天平是一种可靠的仪器，其原理具有很高的精度和准确性，因此在实验室中被广泛使用。

石英晶体微天平在化学科学中的应用石英晶体微天平在化学领域的主要应用是测量质量变化，从而研究化学反应、表征催化剂和其他化学材料的特性。

在化学反应中，可以通过测量反应物质量的变化，来推断反应的速率、平衡常数和反应机理等信息。

石英晶体微天平还可以用于表征催化剂，测量催化剂的质量变化可以推断其活性、选择性和稳定性等性质。

石英晶体（Quartz Crystal）是二氧化硅无水化合物，分子式是SiO2。

当石英晶体片沿X轴方向受力作用时，内部产生极化，在垂直于X轴的两个平面上产生等量的正负电荷，这种现象称为纵向压电效应。

而在垂直于Y轴的平面上，沿着Y轴的方向施加外力时，在与X轴垂直的平面上产生电荷，这种现象称为剪切效应。

石英晶体的压电效应是由于在外力作用下石英晶体内的硅原子和氧原子的位置产生相对变形，正电荷和负电荷的重心互相移位所致。

产生的电荷由覆盖在石英晶体表面的电极板进行收集、传输。

力值的计量就是直接利用这三个压电效应，制成单分量或多分量测力与称重传感器。

利用石英晶体制造称重传感器时，石英晶体篇有并联和串联连接两种方式。

并联连接：两个压电石英晶体片按极化方向相反粘接，负电荷集中在中间的负电极板上，正电荷在两端的正电极板上。

这时相当于两个电容器并联，输出电极板上的电荷和电容量将增加一倍，如图4所示。

如果有n个石英晶体片按并联方式连接，此时的总输出电荷将增加n倍，电荷灵敏度也增加n倍，而电压灵敏度则与单个石英晶体片工作时相同，n个石英晶体片并联所产生的电荷为：Q X=nd11F x式中：Q X——石英晶体圆片垂直于Fx平面产生的电荷d11——石英晶体的纵向压电模数，d11=2.31PC/N两个表面之间的电压U X为：U X=Q X/C X=d11F x/C X式中：C X——石英晶体圆片的电容量.C X=επd2/4t.ε——石英晶体的介电系数。

.串联连接：两个石英晶体片按极化方向相同粘接，于是在两个石英晶体片粘接处的中间电极板上正负电荷相互抵消，这时总电容量为单个石英晶体片工作时的一半，电压都增大一倍，而总电荷则不变，如图5所示。

..若n个石英晶体片串联连接，由于输出电压增加n倍，因此电压灵明度也增加n倍，而电荷灵明度则与单个石英晶体片工作时相同。

.由此得出，多个石英晶体片并联连接时，输出电荷量大，电荷灵敏度高；串联连接时，输出电压大，电压灵敏度高。