一种双谐振元石英晶体微天平的信号采集装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种双谐振元石英晶体微天平的信号采集装置及方法，包括驱动信号发生器、QCM传感单元、信号处理单元、A/D转换器、单片机系统、PC机；所述QCM传感单元包括参考QCM和检测QCM，信号处理单元采用相关性原理对参考QCM和检测QCM进行处理；单片机系统控制驱动信号发生器的频率、A/D转换器的读写以及单片机系统与PC机的通讯，通过单片机系统向驱动信号发生器写入控制字，驱动信号发生器产生频率可控的余弦信号驱动QCM传感单元的参考QCM和检测QCM，两路QCM输出信号经信号处理单元采用相关性原理处理后，再经A/D转换器生成数字信号发送给单片机系统，最终信号发送给PC机。本发明专利技术一次测量就可以获得所需的振幅与频率信息，并且测量大阻尼液体时不会停振，适用范围更加广泛。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及谐振式传感器
，特别是一种双谐振元石英晶体微天平的信号采集装置及方法。
技术介绍
石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance，简称QCM)是通过在AT切石英晶片的上下表面镀上圆形金电极而构成的一种具有高分辨率的压电传感器，测量质量时精度可以达到纳克级。QCM的测量原理是基于压电效应，当QCM的电极与待测物质相接触时，待测物质的性质(如：质量、粘度、密度等)就会改变QCM的谐振频率，QCM谐振频率的变化与待测物质的性质成线性关系，因而可通过谐振频率的变化测得待测物质的性质。测量固体时：Δf=-2fR2ΔmA(c‾66ρq)1/2]]>其中，是石英晶体的压电强化剪切模量(2.93×1011dyne·cm-2)，ρq是石英晶体的密度(2.650g·cm-3)。以直径14mm、厚度0.272mm的石英晶片，电极半径为3mm的QCM为例，它的理论谐振频率fR为6.12MHz。则上式为：测量固体时，Δf≈-3×108Δm，由此可知当频率变化分辨率达1Hz时，测量精度便能达到3.3ng。作为一种高精度的测量工具，根据研究物质的不同，QCM逐步被用于气相、液相中。研究人员发现QCM在化学、生物、医学等研究领域和对测量要求较高的工程领域都有着独特的优势和良好的应用前景。同时QCM可以与其它技术结合，获取双方的优势,例如与电化学技术结合起来发展出的电化学石英晶体微天平(EQCM)，多用于电沉积、金电极腐蚀、耗尽层内溶液粘度效应等方面的研究。结合能量耗散发展起来的耗散型石英晶体微天平(QCM-D)更是可以同时测量晶体表面物质的质量、粘度、剪切模量等参数，推动表面吸附与解吸、表面反应、本体表征等方面的研究的发展。目前已有的测量装置中，主要采用振荡电路的方法，而振荡电路的方法有其固有的缺陷：首先，振荡电路的方法所测得的信息量小，只能测量唯一参数串联谐振频率点，而不能得到并联谐振频率点；其次，振荡电路的方法应用领域小，在大阻尼溶液中会发生停振。在某些QCM测量领域，需要的是现场的真实温度和湿度环境下的待测物质的性质，虽然可以通过温度补偿等方式对结果进行修正，但在测量上存在时延。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种双谐振元石英晶体微天平的信号采集装置及方法，以实现对石英晶体微天(的信号驱动以及微弱有用信号在噪声背景中的提取。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种双谐振元石英晶体微天平的信号采集装置，包括驱动信号发生器、QCM传感单元、信号处理单元、A/D转换器、单片机系统、PC机，其中驱动信号发生器、QCM传感单元、信号处理单元、A/D转换器、单片机系统依次相连，单片机系统的控制端接入驱动信号发生器，单片机系统的数据输出端接入PC机；所述QCM传感单元包括参考QCM和检测QCM，信号处理单元采用相关性原理对参考QCM和检测QCM进行处理；所述单片机系统控制驱动信号发生器的频率、A/D转换器的读写以及单片机系统与PC机的通讯，通过单片机系统向驱动信号发生器写入控制字，驱动信号发生器产生频率可控的余弦信号，该余弦信号驱动QCM传感单元的参考QCM和检测QCM，两路QCM输出信号经信号处理单元采用相关性原理处理后，再经A/D转换器生成数字信号发送给单片机系统，单片机系统将最终信号发送给PC机。一种双谐振元石英晶体微天平的信号采集方法，包括以下步骤：步骤1，初始化整个系统，其中包括各个检测模块与上位机接口的初始化；步骤2，设置单片机系统定时器的周期；步骤3，驱动信号发生器产生频率可控的余弦信号，该余弦信号驱动QCM传感单元的参考QCM和检测QCM产生两路QCM输出信号；步骤4，两路QCM输出信号经信号处理单元采用相关性原理进行处理得到参考QCM和检测QCM的频率和电压值；步骤5，所得频率和电压值再经A/D转换器生成数字信号经过单片机系统发送给PC机；步骤6，重复步骤3～5，使用扫频范围为f1～f2的余弦信号对QCM传感单元进行驱动，将所获取的所有频率和电压值绘制为频谱特性曲线，根据该曲线确定参考QCM和检测QCM的谐振频率。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)本装置采用频谱分析法，对QCM采集的信号进行分析，所能测量的信息全，只需一次测量就可以获得所需的振幅与频率信息；(2)测量大阻尼液体时不会停振，装置适用范围更加广泛，测得数据在计算和解释上更具简易性；(3)采用参考QCM的双谐振元设计，可以很好的消除测量环境，如湿度，温度等引起的误差。附图说明图1是本专利技术双谐振元石英晶体微天平的信号采集装置的结构框图。图2是本专利技术双谐振元石英晶体微天平的信号采集装置的具体结构图。图3是本专利技术双谐振元石英晶体微天平的信号采集方法的流程图。图4是本专利技术双谐振元石英晶体微天平的信号采集方法的中断流程图。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术目提供了一种石英微天平(QCM)的信号采集装置，可实现对石英微天平的信号驱动以及微弱有用信号在噪声背景中的提取。系统核心控制部分为单片机系统，单片机系统负责波形产生器的频率控制、A/D芯片的读写以及与PC机的通讯等。通过单片机向DDS写入控制字，产生频率可控的余弦信号，余弦信号经过驱动级电路驱动检测电路上的QCM谐振器与参考电路上的QCM谐振器，两路QCM输出信号经锁相放大电路和滤波电路处理后，转换成数字信号发送给单片机系统，单片机系统将接受的信号做必要的处理后传送给PC机，至此便完成了一次采集过程。如果按照预定的频率步长进行扫描，PC机将接收到的所有频率点上的信号值，并能实时绘制出QCM的幅频及相频特性曲线。这便是整个QCM检测装置工作的结构流程。结合图1，本专利技术双谐振元石英晶体微天平的信号采集装置，包括驱动信号发生器、QCM传感单元、信号处理单元、A/D转换器、单片机系统、PC机，其中驱动信号发生器、QCM传感单元、信号处理单元、A/D转换器、单片机系统依次相连，单片机系统的控制端接入驱动信号发生器，单片机系统的数据输出端接入PC机；所述QCM传感单元包括参考QCM和检测QCM，信号处理单元采用相关性原理对参考QCM和检测QCM进行处理；所述单片机系统控制驱动信号发生器的频率、A/D转换器的读写以及单片机系统与PC机的通讯，通过单片机系统向驱动信号发生器写入控制字，驱动信号发生器产生频率可控的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双谐振元石英晶体微天平的信号采集装置，其特征在于，包括驱动信号发生器、QCM传感单元、信号处理单元、A/D转换器、单片机系统、PC机，其中驱动信号发生器、QCM传感单元、信号处理单元、A/D转换器、单片机系统依次相连，单片机系统的控制端接入驱动信号发生器，单片机系统的数据输出端接入PC机；所述QCM传感单元包括参考QCM和检测QCM，信号处理单元采用相关性原理对参考QCM和检测QCM进行处理；所述单片机系统控制驱动信号发生器的频率、A/D转换器的读写以及单片机系统与PC机的通讯，通过单片机系统向驱动信号发生器写入控制字，驱动信号发生器产生频率可控的余弦信号，该余弦信号驱动QCM传感单元的参考QCM和检测QCM，两路QCM输出信号经信号处理单元采用相关性原理处理后，再经A/D转换器生成数字信号发送给单片机系统，单片机系统将最终信号发送给PC机。

【技术特征摘要】
1.一种双谐振元石英晶体微天平的信号采集装置，其特征在于，包括驱动信号发
生器、QCM传感单元、信号处理单元、A/D转换器、单片机系统、PC机，其中驱动信
号发生器、QCM传感单元、信号处理单元、A/D转换器、单片机系统依次相连，单片
机系统的控制端接入驱动信号发生器，单片机系统的数据输出端接入PC机；所述QCM
传感单元包括参考QCM和检测QCM，信号处理单元采用相关性原理对参考QCM和检
测QCM进行处理；
所述单片机系统控制驱动信号发生器的频率、A/D转换器的读写以及单片机系统与
PC机的通讯，通过单片机系统向驱动信号发生器写入控制字，驱动信号发生器产生频
率可控的余弦信号，该余弦信号驱动QCM传感单元的参考QCM和检测QCM，两路
QCM输出信号经信号处理单元采用相关性原理处理后，再经A/D转换器生成数字信号
发送给单片机系统，单片机系统将最终信号发送给PC机。
2.根据权利要求1所述的双谐振元石英晶体微天平的信号采集装置，其特征在于，
所述驱动信号发生器包括顺次连接的直接数字式频率合成器DDS、自动增益控制AGC
和运算放大电路AMP，直接数字式频率合成器DDS产生频率可控的余弦信号，该余弦
信号经过自动增益控制AGC稳定幅值后发送至运算放大电路AMP，运算放大电路AMP
将接收到的信号幅值进行放大并用于驱动QCM传感单元。
3.根据权利要求1所述的双谐振元石英晶体微天平的信号采集装置，其特征在于，
所述信号处理单元包括第一运算放大器Amp1、第二运算放大器Amp2、第一电阻R1、
第二电阻R2、第一模拟乘法器multiply1、第二模拟乘法器multiply2、第三模拟乘法器
multiply3、第一低通滤波器LPF1、第二低通滤波器LPF2、第三低通滤波器LPF3，其
中第一运算放大器Amp1的反向输入端接入参考QCM的输出端、同向输入端接地，第
一电阻R1连接于第一运算放大器Amp1的输出端和反向输入端之间；第二运算放大器
Amp2的反向输入端接入测量QCM的输出端、同向输入端接地，第二电阻R2连接于第
二运算放大器Amp2的输出端和反向输入端之间；第一模拟乘法器multiply1的两个输
入端均与第一运算放大器Amp1的输出端连接，第一模拟乘法器multiply1的输出端接
入第一低通滤波器LPF1；第二模拟乘法器multiply2的一个输入端与第一运算放大器
Amp1的输出端连接、另一个输入端与第二运算放大器Amp2的输出端连接，第二模拟
乘法器multiply2的输出端接入第二低通滤波器LPF2；第三模拟乘法器multiply3的两个
输入端均与第二运算放大器Amp2的输出端连接，第三模拟乘法器multiply3的输出端

\t接入第三低通滤波器LPF3。
4.一种基于权利要求1所述装置的双谐振元石英晶体微天平的信号采集方法，其
特征在于，包括以下步骤：
步骤1，初始化整个系统，其中包括各个检测模块与上位机接口的初始化；
步骤2，设置单片机系统定时器的周期；
步骤3，驱动信号发生器产生频率可控的余弦信号，该余弦信号驱动QCM传感单
元的参考QCM和检测QCM产生两路QCM输出信号；
步骤4，两路QCM输出信号经信号处...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋海峰，路成杰，丁甜，陈超杰，赵斌炎，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32