一種雙諧振元石英晶體微天平的信號采集裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙諧振元石英晶體微天平的信號采集裝置及方法，包括驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器、QCM傳感單元、信號處理單元、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)系統(tǒng)、PC機(jī)；所述QCM傳感單元包括參考QCM和檢測QCM，信號處理單元采用相關(guān)性原理對參考QCM和檢測QCM進(jìn)行處理；單片機(jī)系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器的頻率、A/D轉(zhuǎn)換器的讀寫以及單片機(jī)系統(tǒng)與PC機(jī)的通訊，通過單片機(jī)系統(tǒng)向驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器寫入控制字，驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率可控的余弦信號驅(qū)動(dòng)QCM傳感單元的參考QCM和檢測QCM，兩路QCM輸出信號經(jīng)信號處理單元采用相關(guān)性原理處理后，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器生成數(shù)字信號發(fā)送給單片機(jī)系統(tǒng)，最終信號發(fā)送給PC機(jī)。本發(fā)明一次測量就可以獲得所需的振幅與頻率信息，并且測量大阻尼液體時(shí)不會(huì)停振，適用范圍更加廣泛。
【專利說明】一種雙諧振元石英晶體微天平的信號采集裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及諧振式傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種雙諧振元石英晶體微天平的信號 采集裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 石英晶體微天平（Quartz Crystal Microbalance，簡稱QCM)是通過在AT切石英 晶片的上下表面鍍上圓形金電極而構(gòu)成的一種具有高分辨率的壓電傳感器，測量質(zhì)量時(shí)精 度可以達(dá)到納克級。
[0003] QCM的測量原理是基于壓電效應(yīng)，當(dāng)QCM的電極與待測物質(zhì)相接觸時(shí)，待測物質(zhì)的 性質(zhì)（如：質(zhì)量、粘度、密度等）就會(huì)改變QCM的諧振頻率，QCM諧振頻率的變化與待測物質(zhì) 的性質(zhì)成線性關(guān)系，因而可通過諧振頻率的變化測得待測物質(zhì)的性質(zhì)。
[0004] 測量固體時(shí)：

【權(quán)利要求】
1. 一種雙諧振元石英晶體微天平的信號采集裝置，其特征在于，包括驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器、 QCM傳感單元、信號處理單元、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)系統(tǒng)、PC機(jī)，其中驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器、QCM傳 感單元、信號處理單元、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)系統(tǒng)依次相連，單片機(jī)系統(tǒng)的控制端接入驅(qū)動(dòng) 信號發(fā)生器，單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出端接入PC機(jī)；所述QCM傳感單元包括參考QCM和檢測 QCM，信號處理單元采用相關(guān)性原理對參考QCM和檢測QCM進(jìn)行處理； 所述單片機(jī)系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器的頻率、A/D轉(zhuǎn)換器的讀寫以及單片機(jī)系統(tǒng)與PC機(jī)的通訊，通過單片機(jī)系統(tǒng)向驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器寫入控制字，驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率可控 的余弦信號，該余弦信號驅(qū)動(dòng)QCM傳感單元的參考QCM和檢測QCM，兩路QCM輸出信號經(jīng)信 號處理單元采用相關(guān)性原理處理后，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器生成數(shù)字信號發(fā)送給單片機(jī)系統(tǒng)，單 片機(jī)系統(tǒng)將最終信號發(fā)送給PC機(jī)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙諧振元石英晶體微天平的信號采集裝置，其特征在于，所 述驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器包括順次連接的直接數(shù)字式頻率合成器DDS、自動(dòng)增益控制AGC和運(yùn)算 放大電路AMP，直接數(shù)字式頻率合成器DDS產(chǎn)生頻率可控的余弦信號，該余弦信號經(jīng)過自動(dòng) 增益控制AGC穩(wěn)定幅值后發(fā)送至運(yùn)算放大電路AMP，運(yùn)算放大電路AMP將接收到的信號幅值 進(jìn)行放大并用于驅(qū)動(dòng)QCM傳感單元。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙諧振元石英晶體微天平的信號采集裝置，其特征在于，所 述信號處理單元包括第一運(yùn)算放大器AmpU第二運(yùn)算放大器Amp2、第一電阻R1、第二電阻 R2、第一模擬乘法器multiplyl、第二模擬乘法器multiply〗、第三模擬乘法器multiply3、 第一低通濾波器LPF1、第二低通濾波器LPF2、第三低通濾波器LPF3,其中第一運(yùn)算放大器 Ampl的反向輸入端接入?yún)⒖糛CM的輸出端、同向輸入端接地，第一電阻Rl連接于第一運(yùn) 算放大器Ampl的輸出端和反向輸入端之間；第二運(yùn)算放大器Amp2的反向輸入端接入測量 QCM的輸出端、同向輸入端接地，第二電阻R2連接于第二運(yùn)算放大器Amp2的輸出端和反向 輸入端之間；第一模擬乘法器multiplyl的兩個(gè)輸入端均與第一運(yùn)算放大器Ampl的輸出 端連接，第一模擬乘法器multiplyl的輸出端接入第一低通濾波器LPFl;第二模擬乘法器 multiply2的一個(gè)輸入端與第一運(yùn)算放大器Ampl的輸出端連接、另一個(gè)輸入端與第二運(yùn) 算放大器Amp2的輸出端連接，第二模擬乘法器multiply〗的輸出端接入第二低通濾波器 LPF2 ;第三模擬乘法器multiply3的兩個(gè)輸入端均與第二運(yùn)算放大器Amp2的輸出端連接， 第三模擬乘法器multiply3的輸出端接入第三低通濾波器LPF3。
4. 一種基于權(quán)利要求1所述裝置的雙諧振元石英晶體微天平的信號采集方法，其特征 在于，包括以下步驟： 步驟1，初始化整個(gè)系統(tǒng)，其中包括各個(gè)檢測模塊與上位機(jī)接口的初始化； 步驟2,設(shè)置單片機(jī)系統(tǒng)定時(shí)器的周期； 步驟3,驅(qū)動(dòng)信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率可控的余弦信號，該余弦信號驅(qū)動(dòng)QCM傳感單元的參 考QCM和檢測QCM產(chǎn)生兩路QCM輸出信號； 步驟4,兩路QCM輸出信號經(jīng)信號處理單元采用相關(guān)性原理進(jìn)行處理得到參考QCM和檢 測QCM的頻率和電壓值； 步驟5,所得頻率和電壓值再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器生成數(shù)字信號經(jīng)過單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)送給PC機(jī)； 步驟6,重復(fù)步驟3?5,使用掃頻范圍為?\?f2的余弦信號對QCM傳感單元進(jìn)行驅(qū)動(dòng)， 將所獲取的所有頻率和電壓值繪制為頻譜特性曲線，根據(jù)該曲線確定參考QCM和檢測QCM的諧振頻率。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙諧振元石英晶體微天平的信號采集方法，其特征在于，步 驟2所述設(shè)置單片機(jī)系統(tǒng)定時(shí)器的周期，具體如下： 在檢測定時(shí)器中，定時(shí)器的周期設(shè)定為lms，將一次檢測分為粗測和細(xì)測兩個(gè)步驟：粗 測時(shí)，在理論諧振頻率&上下浮動(dòng)IMHz的范圍內(nèi)，即[fCl-IMHz,L+lMHz]，使用IKHz?4KHz 的掃頻頻率進(jìn)行掃描，繪制出粗測的頻譜曲線并獲得粗測諧振頻率& '，然后在粗測諧振頻 率'上下浮動(dòng)IOKHz范圍內(nèi)，g卩[fQ '-lOKHz，fQ '+ΙΟΚΗζ]，選擇IOHz?40Hz的掃頻頻 率進(jìn)行掃描。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙諧振元石英晶體微天平的信號采集方法，其特征在于，步 驟4所述兩路QCM輸出信號經(jīng)信號處理單元采用相關(guān)性原理進(jìn)行處理得到參考QCM和檢測 QCM的頻率和電壓幅值，具體如下： 第二模擬乘法器multiply〗通過第二低通濾波器LPF2后的輸出為參考QCM和檢測QCM輸出信號的互相關(guān)ufl2:
其中，T= 2πf為輸入信號的周期，f為輸入信號的頻率，< 妁為 R 第一運(yùn)算放大器Ampl的輸出，^ =K(lgjCGS(2;r々-為第二運(yùn)算放大器Amp2的輸出， Z=IZIZΦ為測量QCM的等效阻抗，IZI為測量QCM的等效阻抗模值，Φ為測量QCM的 等效阻抗角，Z'=IZ'IZΦ'為參考QCM的等效阻抗，^I為參考QCM的等效阻抗模 值，為參考QCM的等效阻抗角，R1為第一運(yùn)算放大器Ampl的輸出端和反向輸入端之間 的電阻值，R2為第二運(yùn)算放大器Amp2的輸出端和反向輸入端之間的電阻值，u^為輸入信號 的幅值； 第一模擬乘法器multiplyl的輸出為參考QCM信號的自相關(guān)，通過第一低通濾波器LPFl后為：
Ufl的幅值即為參考QCM的輸出幅值； 第三模擬乘法器multiply3的輸出為測量QCM信號的自相關(guān)，通過第三低通濾波器 LPF3后為：
uf2的幅值即為測量QCM的輸出幅值； 根據(jù)Ufl和uf2的測量得到檢測QCM與參考QCM的幅頻特性曲線，通過對ufl、uf2和ufl2 的聯(lián)合解算，得到與掃頻之間的相頻特性曲線。
【文檔編號】G01R23/02GK104459313SQ201410775262
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月15日
【發(fā)明者】蔣海峰, 路成杰, 丁甜, 陳超杰, 趙斌炎 申請人:南京理工大學(xué)