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研究生： 鍾沛文
Pei-Wen Chung
論文名稱： 高分子弦振動式氣相層析感測器之原理開發
A Novel Acoustic Gas Sensor for Gas Chromatograph Employing Polymer String Vibration
指導教授： 呂家榮
Lu, Chia-Jung
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 化學系
Department of Chemistry
論文出版年： 2010
畢業學年度： 99
語文別： 中文
論文頁數： 90
中文關鍵詞： 氣相層析 、聲波 、感測器
英文關鍵詞： GC, gas ensor, acoustic
論文種類： 學術論文
相關次數： 點閱：204  下載：6 
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    • 本研究嘗試開發以機械波振幅變化為原理的新型態感測器，其原理是藉由一揚聲器發出特定振幅以及頻率的正弦波，並透過一高分子弦傳遞至另一端收音器上被電腦記錄，經傅立葉轉換後可得到該頻率之強度，藉由氣體分子接觸高分子弦的吸附行為，造成高分子弦之質量與機械性質改變，進而引起振幅衰減而被觀察出。而此感測器藉由不同的設計，可以將其串聯於大流量的動態氣體生成系統，其偵測下限最低可感測到59.6 ppm的Butyl acetate以及101 ppm的Toluene之有機揮發性氣體。此裝置串聯於氣相層析儀上作為感測器使用時，實驗中將七種不同官能基之有機氣體混和後注入，經管柱分離後可得到相對於各樣品的訊號峰，其LOD最低可測得0.5 μg的m-Xylene，並比較高分子弦在不同條件下其長度、粗細等對偵測特性的影響，同時對於操作頻率、讀取訊號等方法，加以探討。此感測器未來應用在氣相層析具有獨特的優點。目前已證實原理的可行性，靈敏度等提升方法則仍在研究中。

    This research reports the development of a novel acoustic sensor made by speaker, microphone, and polymer string, called polymer string vibration (PSV) gas sensor. The sound produced by speaker was propagated to microphone through a polymer string. A function generator was used to produce an electronic sine wave with fix frequency and amplitude. The signal was then converted to vibrational wave by speaker. This acoustic signal was be transmitted to microphone by the polymer string. The acoustic wave can easily be detected by the microphone. The data acquisition were processed by Fast Fourier Transform (FFT) and programmed built-in LabVIEW 8.5, we can obtain the magnitude of given frequency. When the organic vapor was in contact with the polymer string, the vapor sorption by polymer string will result in polymer’s mass and mechanical properties change, causing attenuation of vibration. When PSV sensor was connected to vapor gas generator system, the limits of detection were found to be 59.6(Butyl acetate) and 101 (Toluene) ppm. When the PSV sensor was a detector connected to GC. Testing samples include: ethyl acetate, benzene, toluene, butyl acetate, chlorobenzene, m-xylene. The limits of detection were found to be ~10μg for most gas sample. We has demonstrated a proof-of-concept work for PSV sensor. Future work will also focus on improve the sensitivities, selectivities, and make this device suitable for environmental monitoring application.

    中文摘要………………………………………………………………i 英文摘要………………………………………………………………ii 目錄……………………………………………………………………iii 圖目錄…………………………………………………………………vii 表目錄…………………………………………………………………xi 第一章 緒論………………………………………………………………1 1.1前言……………………………………………………………1 1.2聲波感測器之發展………………………………………………2 1.2.1主動式聲波感測器………………………………………3 1.2.2被動式聲波感測器………………………………………6 1.3高分子材料特性介紹………………………………………9 1.3.1高分子的物理及機械性質………………………………10 1.4離散傅立葉及快速傅立葉轉換簡介………………………13 1.4.1發展歷史………………………………………………13 1.4.2基本原理………………………………………………14 1.5聲波發射器及接收器簡介……………………………………15 1.5.1聲波發射器……………………………………………16 1.5.2聲波接收器……………………………………………18 1.6研究動機………………………………………………………22 第二章 實驗方法與步驟………………………………………………23 2.1藥品及儀器設備………………………………………………23 2.1.1實驗藥品………………………………………………23 2.1.2實驗儀器………………………………………………24 2.2高分子弦振動式感測器製作步驟……………………………26 2.2.1高分子弦振動式感測器(氣相層析用)裝置製作………26 2.2.2高分子弦振動式感測器(氣體生成系統用)製作………30 2.3程式撰寫………………………………………………………31 2.4感測器設計電路組裝…………………………………………36 2.5樣品配製………………………………………………………37 2.6量測系統的架設與測量………………………………………38 2.6.1氣相層析-高分子弦感測器系統架設………………38 2.6.2氣體生成系統-高分子弦感測器系統架設……………40 第三章 結果與討論……………………………………………………42 3.1頂層空間(headspace)採樣法-濃度校正………………………42 3.2 弦振式聲波感測器之訊號觀測………………………………45 3.2.1 高分子弦張力調整……………………………………45 3.2.2 載流氣體通入測試……………………………………46 3.3訊號處理測試…………………………………………………47 3.4感測器串聯於動態有機氣體生成系統測試……………50 3.5實驗最佳參數探討……………………………………………53 3.5.1高分子弦長度探討………………………………………53 3.5.2高分子弦直徑對反應特性的影響………………………56 3.5.3頻率對實驗影響…………………………………………58 3.5.4流速對實驗影響…………………………………………60 3.5.5振幅對實驗之影響……………………………………62 3.6降伏點對實驗之影響……………………………………………63 3.7低振幅下偵測下限計算…………………………………………66 3.8感測器串聯於氣相層析儀之混和樣品測試……………………68 3.9相同官能基氣體測試……………………………………………74 3.10再現性測試………………………………………………………76 3.11感測器反應機制探討……………………………………………77 第四章 結論……………………………………………………………82 參考文獻………………………………………………………………83

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