本发明属于电子测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于压电体声波谐振式传感器的能量耗散因子测量方法，可以应用于化学、材料、生物以及物理等领域。
背景技术：
目前，基于压电体声波谐振式传感器(包含压电石英晶体、压电陶瓷、压电薄膜、碳酸锂等)的能量耗散因子测量相关报道很少，只有为数不多的文献介绍了基于石英晶体微天平的能量耗散因子测量方法。
石英晶体微天平(QCM,Quartz Crystal Microbalance)传感器是一种工作于厚度剪切模式的、由压电石英晶体材料制成的感知器件，属于压电体声波谐振式传感器，它对质量变化非常敏感，通常用来检测微小的质量变化，可以实现纳克量级的质量检测。
Sauerbrey G于1959年发现QCM传感器的频率变化与其表面吸附的质量变化成线性变化的关系(见论文G.Sanerbrey,Verwendung yon Schwingquartzcn zur Wiigung dilnncr Schichten und zur Mikrowiigung,Z.Phys.,155(1959)206-222.)：
其中，f0是基频谐振频率，ρq是石英晶体的密度，μq是石英的材料弹性系数，As是沉积膜的表面积，Δm是表面沉积质量，n是泛音次数，n＝1,3,5…。这一发现使得QCM传感器在微质量感知领域得到广泛应用。
但是Sauerbrey方程即公式(1)存有严格的应用条件，即吸附物质在气相条件下，薄膜是以刚性方式、均匀的吸附在传感器电极表面，同时要求刚性吸附的薄膜在传感器电极表面不发生侧滑运动。
而在液相牛顿液体应用时，由于液体粘度效应的存在，QCM传感器输出信号的频率会发生变化，同时其输出功率也会发生变化，Kanasawa模型证明了传感器的频率变化量与牛顿液体的密度和粘度乘积的平方根成正比，(见论文“Kanazawa,K.Keiji,and J.G.G.Ii."Frequency of a quartz microbalance in contact with liquid."Analytical Chemistry 57.8(1985):1770-1771.”)。
当QCM传感器表面吸附粘弹性物质时，由于粘弹性物质存在比较复杂的损耗模量和存储模量，使得QCM传感器的谐振频率可能升高，也可能降低，这就导致了单纯从频率响应的角度来分析粘弹性薄膜介质的特性不准确，所以需要建立新的模型。
总之，由于水与吸附物质之间的水合效应以及囚禁效应，或者聚合物以及生物分子之间的非刚性特性，以及沉积薄膜的摩擦效应等都会对QCM传感器的振荡有损耗。当这个损耗非常大的时候，QCM传感器频率偏移与表面质量变化之间的线性比例关系就不再有效。这时候，要想保证传感器数据分析的准确性有两种途径：一是建立合适的理论模型对上述情况引入的信息进行解读；二是采用合适的技术手段，比如同时采集QCM传感器的频率偏移信息及能量耗散因子，建立方程组求解，这就需要对能量耗散因子进行测量；
目前，基于压电体声波谐振式传感器的能量耗散因子测量方法主要有两种：
一是以瑞典的Kasemo教授团队为代表，通过同时测量频率偏移Δf和能量耗散因子ΔD来解决这一问题，被称为QCM-D响应模型(见论文“Rodahl,Michael,and B.Kasemo."Frequency and dissipation-factor responses to localized liquid deposits on a QCM electrode."Sensors&Actuators B Chemical 37.1(1996):111-116.”)。
如图1所示，首先用一个脉冲去激励QCM传感器，使其振荡，然后断开驱动信号，使其QCM传感器的振荡幅度呈指数形式衰减，测量其衰减的时间τm，从而得到能量耗散因子ΔD＝1/πfτm。
瑞典Kasemo教授团队测量能量耗散因子ΔD时，采用瞬时响应方法，一定程度上容易受到外界的影响。当外界的微小干扰都有可能导致测试数据不准确；同时，另外瞬时响应方法中，能量耗散因子ΔD的获得是采用了平均法，驱动电路在短时间内不断的通断(通过计算机控制信号发生器不断输出脉冲给QCM传感器)，然后通过示波器多次测量QCM传感器输出信号的衰亡时间并取平均，这样由于电荷累积效应使得测试结果不准确；另外，因振荡器的衰减时间一般在10-6秒(微秒)量级，故测试仪器的分辨率和精度要求很高。
二是德国D.Johannsmann等提出基于稳态响应法测量能量耗散因子(见论文“Johannsmann D.Modeling of QCM Data[J].Unpublished Manuscript,2006.”)，如图2所示，上电以后，采用频谱(通过信号变换交互电路、频谱捕获电路)捕获QCM传感器输出信号的稳态幅度峰值，串联谐振频率以及半功率点处的带宽(半边半带宽)Γ，得到能量耗散因子ΔD＝2Γ/f。但是对于半边半带宽点的确定用了拟合的方式，做了线性化处理，测试结果不够准确。
显然，现有的能量耗散因子的测量，不管是瞬态法还是稳态法，测量过程比较复杂，测量数据准确度有待提高。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于压电体声波谐振式传感器的能量耗散因子测量方法，以简化测量过程，提高测量数据的准确度。
为实现上述发明目的，本发明基于压电体声波谐振式传感器的能量耗散因子测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、将压电体声波谐振式传感器接到驱动电路，驱动电路接到直流稳压电源(电压、电流可读)，然后再将驱动电路的输出连接到功率计；
(2)、上电以后，压电体声波谐振式传感器开始工作，记录直流稳压电源的输出功率即系统总功率P0(读取直流稳压电源的电压与电流，并相乘得到)，随后记录功率计的输出作为压电体声波谐振式传感器的有效功率P1；
(3)、保持直流稳压电源输出不变的情况下，加载一定体积的待测物质到压电体声波谐振式传感器上表面，记录功率计的输出，并作为加载待测物质后压电体声波谐振式传感器的有效功率P2；
(4)、计算能量耗散因子ΔD为：
本发明的目的是这样实现的：
本发明基于压电体声波谐振式传感器的能量耗散因子测量方法，通过加载待测物质前后两次对压电体声波谐振式传感器的有效功率进行测量，获得由于加载的一定体积的待测物质引起的能量耗散因子。与现有的基于QCM传感器的能量耗散因子测量方法相比，本发明通过测量吸附物质前后的功率计读数，应用品质因数与能量耗散因子的关系求解出能量耗散因子，测试过程简单，测量准确性高。
附图说明
图1是现有基于瞬态法响应的能量耗散因子测量原理框图；
图2是现有基于稳态法响应的能量耗散因子测量原理框图；
图3是本发明基于压电体声波谐振式传感器的能量耗散因子测量原理框图；
图4是本发明基于压电体声波谐振式传感器的能量耗散因子测量流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图3是本发明基于压电体声波谐振式传感器的能量耗散因子测量原理框图。
在本实施例中，如图3所示，压电体声波谐振式传感器同样采用QCM传感器。在硬件构成上，包括压电体声波谐振式传感器1、直流稳压电源2、驱动电路3、功率计4以及计算机5。将压电体声波谐振式传感器1接到驱动电路3，驱动电路3接到直流稳压电源2(电压、电流可读)，然后再将驱动电路3的输出连接到功率计4。在本实施例中，计算机5直接读取功率计4的输出，按照公式(2)计算加载的一定体积的待测物质的能量耗散因子ΔD。
在本实施例中，本发明基于压电体声波谐振式传感器的能量耗散因子测量方法具体实施方式可按照图4所示流程图进行，具体实施步骤如下：
步骤S1：将压电体声波谐振式传感器接到驱动电路，驱动电路接到直流稳压电源(电压、电流可读)，然后再将驱动电路的输出连接到功率计；
步骤S2：上电以后，压电体声波谐振式传感器开始工作，记录直流稳压电源的输出功率即系统总功率P0(读取直流稳压电源的电压与电流，并相乘得到)，随后记录功率计的输出作为压电体声波谐振式传感器的有效功率P1；
此时，系统的品质因数为：
相应的能量耗散为：
步骤S3：保持直流稳压电源输出不变的情况下，加载一定体积的待测物质到压电体声波谐振式传感器上表面，记录功率计的输出，并作为加载待测物质后压电体声波谐振式传感器的有效功率P2；
此时，系统的品质因数为：
相应的能量耗散为：
步骤S4：计算能量耗散因子ΔD为：
根据以上描述可知，本发明的实质是利用了被测物质吸附在压电体声波谐振式传感器表面上时，会使测试系统的能量耗散很大，从而影响系统的品质因数。因此利用吸附被测物质前后，系统的品质因数变化，从而得到能量耗散因子。
本发明具体以下优点：拥有广泛的应用、快速实时、可以定量给出分析结果等诸多优点。与传统的能量耗散因子测量方法相比较，本发明描述的方法将能量耗散因子与品质因数建立联系，只需要测出系统的有效功率和耗散功率，通过计算就可得到系统的能量耗散因子。与现有的基于QCM传感器的能量耗散因子测量方法相比，本发明不会受到外界的干扰，可重复性强；而且不用通过拟合的方式求取半边半带宽点，提高了测试的精度和准确度。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。