Estructura de detección de cristal fonónico de alto rendimiento para detectar la concentración de solución de acetona

Propiedades físicas de la acetona

El sensor PnC diseñado se utiliza principalmente para detectar la concentración de solución de acetona. Sobre la base de los resultados experimentales de la referencia 13, se trazan los valores exactos de los parámetros acústicos de la acetona. La figura 6 muestra las curvas de variación de las propiedades físicas, como la velocidad del sonido y la densidad de la acetona. Las propiedades acústicas de la acetona cambian con la concentración. Con el aumento de la concentración de acetona (1 a 9,1 %), la velocidad del sonido aumenta gradualmente y alcanza un máximo en la concentración de 9,1 %. Cuando la concentración de acetona aumenta aún más, la velocidad del sonido disminuye al aumentar la concentración de acetona. Cuando la concentración es superior al 9,1 %, la solubilidad de la acetona en agua comienza a cambiar. Por lo tanto, la relación entre la velocidad del sonido y la concentración de acetona mostró un cambio opuesto. Con una concentración de 9,1% o más, la acetona se disuelve completamente en agua y el agua se satura con acetona. Los enlaces de hidrógeno ya no se forman entre las moléculas de agua/acetona y el cambio en la velocidad del sonido se vio afectado por el cambio en las fuerzas intermoleculares.^29.30. Por lo tanto, utilizando agua pura como referencia, la dividimos en dos partes (baja concentración (1–9,1 %) y alta concentración (10–100 %)) para calcular los parámetros de rendimiento del sensor.

Velocidad del sonido y densidad de 0–100% de concentración de acetona en agua (mezcla de vinagre).

Análisis de rendimiento de sensores

Hay muchos parámetros para evaluar el rendimiento de detección del sensor, el más importante de los cuales es la sensibilidad (S_no%). La fórmula de sensibilidad al cambio de concentración se calcula de la siguiente manera³¹,

O \(\Delta f\) es el valor absoluto de la diferencia entre la frecuencia del pico de resonancia generado por cada concentración de acetona y la frecuencia de resonancia de la solución a concentración cero (agua), \(\Delta f = \izquierda| {f_{n\% } – f_{0\% } } \derecha|\), \(\Delta n\) es la diferencia de concentración. La frecuencia de resonancia del agua pura se utiliza como valor de referencia.

Al analizar el rendimiento del sensor, el factor de calidad (q_F) es otro parámetro importante y se puede calcular mediante la siguiente relación,

F_r indica la frecuencia de resonancia producida por la solución de acetona en la cavidad, y \(\Delta f_{{\raise0.7ex\hbox{$1$} \!\mathord{\left/ {\vphantom {1 2}}\right.\kern-0pt} \!\lower0.7ex\hbox { $2$}}}}\) es el ancho completo a la mitad de la altura a la frecuencia resonante. Además de la sensibilidad y el factor de calidad, el factor de mérito (FOM) también es un parámetro importante y se puede obtener a partir de la siguiente relación:

Los tres parámetros mencionados anteriormente indican el rendimiento de detección del sensor PnC. Calculamos el espectro de transmisión de la solución de acetona de concentración 0 a 100% por el método de elementos finitos. Y el rendimiento del sensor se analiza frente a los picos de resonancia individuales del espectro de transmisión.

Del estudio de las soluciones de acetona en 2.2, se encuentra que las tendencias cambiantes de la velocidad y la densidad del sonido son diferentes en los rangos de concentración de 1 a 9.1 % y de 10 a 100 %. Por lo tanto, el análisis del desempeño del sensor en este trabajo se divide en dos partes: rango de concentración 1-9.1% y 10-100%. Para acercar el cálculo de la simulación a la experiencia real, consideramos la viscosidad del agua y el mercurio. Determinamos la viscosidad para los dos materiales con los valores de 0.0015 y 0.00089 (Pa × s), respectivamente. Primero, los espectros de transmisión se calculan para el rango de concentración de 1 a 9,1 %, como se muestra en la Fig. 7. Los picos de resonancia que se encuentran en el espectro de transmisión con diferentes soluciones de concentración se pueden distinguir claramente entre sí. Los picos de resonancia de las concentraciones al 3% y al 8% están muy cerca uno del otro. La frecuencia de resonancia no aumenta al aumentar la concentración. En el rango de concentración de 1 a 9,1%, la densidad disminuye y la velocidad del sonido aumenta al aumentar la concentración. Sin embargo, el cambio en la impedancia acústica no se puede ver directamente por el cambio en la velocidad o densidad del sonido. Por cálculo, la impedancia acústica cambia bruscamente cuando la concentración de la solución es del 6%. De acuerdo con la fig. 6, la densidad de una solución de acetona a una concentración del 3% es 987,9677 kg/m³ y la velocidad del sonido es 1,538.0323 m/s. La densidad de la solución de acetona al 8% de concentración es 970,5826 kg/m³ y la velocidad del sonido es 1579,3721 m/s. Las impedancias acústicas de las soluciones al 3% y al 8% son similares, por lo que los picos de resonancia de las soluciones al 3% y al 8% están muy cerca uno del otro. Los parámetros de rendimiento del sensor se calculan en función del espectro de transmisión y los resultados se muestran en la Tabla 2. El factor de calidad del pico de resonancia a una concentración de solución al 3% se alcanzó en un pico de 45.793,06 y la sensibilidad correspondiente es de 80.166,67 Hz. El los factores de calidad de los picos de resonancia en otras soluciones de concentración fueron superiores a 19.000 en las frecuencias operativas correspondientes. Esto demuestra que el sensor PnC es capaz de una excelente convergencia de energía acústica a frecuencias operativas más bajas mientras mantiene una alta sensibilidad.

Espectro de transmisión acústica de una solución de acetona de 0 a 9,1 % detectada por el sensor PnC.

El espectro de transmisión del sensor se calcula para el rango de concentración de soluciones al 10-100 % como se muestra en la Fig. 8. Los parámetros de rendimiento del sensor correspondientes a los picos de resonancia para cada concentración se calculan, como se muestra en la Tabla 3. Los picos de resonancia del 25 % y 30 % se encuentran muy cerca de los del agua por espectroscopia de transmisión, lo que resulta en una baja sensibilidad para detectando la concentración de soluciones al 25% y 30%. Sin embargo, las frecuencias de pico de resonancia características del espectro de transmisión permiten distinguir las diferentes concentraciones de las soluciones. La distribución del campo de sonido de la guía de ondas se calcula como una concentración de solución al 10%, como se muestra en la Fig. 9. La distribución del campo de sonido de la frecuencia de resonancia del estado defectuoso F₁ y frecuencia resonante en el estado no defectuoso F₂ se puede ver en la fig. 9. La energía acústica converge en la solución medida y se emite como una onda plana en F₁ frecuencia. Mientras que la onda acústica converge a la solución medida pero no puede ser emitida debido a la limitación de la pared PnC para F₂ frecuencia. Solo cuando la frecuencia de la onda de sonido de entrada es consistente con la frecuencia de resonancia correspondiente a la solución de esta concentración, se puede emitir la onda de sonido de esta frecuencia.

Espectro de transmisión acústica de una solución de acetona al 10-100 % detectada por el sensor PnC.

Distribución del campo sonoro en el sensor al detectar una concentración de solución del 10% (Estas cifras son realizadas por COMSOL Multiphysics 6.1²⁵).

Para comprobar la aplicabilidad del sensor PnC a otras soluciones, también se calcula la sensibilidad del sensor a la velocidad y densidad del sonido. Usando el agua como base, las frecuencias de resonancia se calculan aumentando la velocidad y la densidad del sonido en un 1-5% respectivamente, y los resultados se muestran en la Fig. 10. La frecuencia de resonancia aumenta al aumentar la velocidad del sonido. y densidad. La compensación de frecuencia es de 364 Hz para un aumento del 1 % en la velocidad del sonido y de 7,49 Hz para un aumento del 1 % en la densidad. Como se muestra en la figura. 10, el sensor tiene una sensibilidad de 24,58 m^-1 para la velocidad del sonido y 0,7764 m³/(kg × s) para la densidad. La onda de sonido de una frecuencia específica solo se puede emitir cuando la impedancia de la solución bajo prueba coincide con la del límite del sustrato. La impedancia del límite es proporcional al producto de la velocidad del sonido y la densidad de la solución a medir y es proporcional al producto de la densidad superficial y la frecuencia del sustrato en el límite. Así, cuando aumenta la velocidad del sonido o la densidad, también aumenta la frecuencia de la onda de sonido transmitida. Los resultados muestran que el sensor PnC puede discriminar con un cambio del 1 % en la velocidad y densidad del sonido, lo que demuestra completamente la capacidad del sensor para detectar otras soluciones y discriminar entre concentraciones de solución.

La relación de cada frecuencia resonante generada al aumentar la velocidad y la densidad del sonido en un 1-5% dependiendo del agua.

Finalmente, comparamos la sensibilidad de nuestro sensor con sensores PnC 1D y 2D anteriores en la Tabla 4. Como se muestra en la tabla, el enfoque es comparar el PnC 1D de la literatura 11 que también detecta la solución de acetona. Podemos ver que la sensibilidad más alta del sensor de concentración de acetona diseñado en la literatura 11 es 2.04 × 10⁷ Hz, y el rango de frecuencia de funcionamiento es de 1,63 a 1,70 × 10^diez Hz. En comparación con el sensor diseñado en este artículo, el sensor 1D PnC tiene una mayor sensibilidad, pero esto se basa en su frecuencia de excitación ultra alta. Para aproximar el efecto de la frecuencia de entrenamiento sobre la sensibilidad, podemos comparar la relación entre la sensibilidad y la frecuencia de entrenamiento para determinar qué sensor es más sensible. A través de la comparación de esta relación, se puede ver que el sensor diseñado en este artículo es más sensible. Mientras se asegura que el sensor sea más sensible, la frecuencia de excitación se reduce a un rango más bajo de 33 322 a 43 595 Hz. En este artículo, la optimización del rendimiento del sensor PnC para la concentración de la solución de acetona se realiza mediante la combinación de la cavidad de gradiente y la estructura cuasi-cristalina.