專利名稱：感知裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及感知裝置，通過使用在其表面上形成用于吸附感知對象物的吸附層，由感知對象物的吸附改變固有振動頻率的傳感器用振子例如石英振子，檢測該傳感器用振子的固有振動頻率的變化量并感知感知對象物。
背景技術(shù)：
為了保護環(huán)境，迫切需要掌握河川和土壤中的種種環(huán)境污染物質(zhì)的濃度，污染物質(zhì)即便極其微量對人體的毒性也很強，因此希望確立微量的污染物質(zhì)的測量技術(shù)。最近作為一種引人注目的污染物質(zhì)是二惡英(Dioxin)，作為測定該二惡英的方法，使用氣相色譜質(zhì)量分析儀的方法和ELISA法(適用酵素免疫測定法)是眾所周知的。如果根據(jù)氣體色譜法質(zhì)量分析儀，則能夠進行10-12g/ml量級的高精度的微量分析，但是存在著裝置的價格極高，因此分析成本也很高，進一步分析需要長的期間那樣的缺點。而且ELISA法與氣相色譜質(zhì)量分析儀比較，裝置價格和分析價格低，分析需要的時間也短，但是存在著分析精度低到10-9g/ml量級那樣的課題。
因此，由當(dāng)感知對象物附著在石英振子上時其固有振動頻率與其附著量相應(yīng)地變化，所以作為二惡英等的污染物質(zhì)的測定裝置，本發(fā)明者著眼于石英振子。另一方面，作為使用石英振子的化學(xué)傳感裝置有專利文獻1中記載的技術(shù)。該裝置是具有輸出傳感器振子的振蕩頻率和由基準(zhǔn)振子產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率的差頻率的絕對值的取樣電路、以所要的分頻比對差頻率進行分頻的分頻電路、將基準(zhǔn)頻率的周期作為時鐘對該分頻輸出的周期進行計數(shù)的計數(shù)器、和根據(jù)已計數(shù)的周期求得傳感器振子的振蕩頻率的計算裝置的構(gòu)成，是用于識別吸附氣體的裝置。根據(jù)該化學(xué)傳感裝置，因為是求差頻率，所以具有能夠減小要測定的頻率的絕對值，可不擴大測定范圍而進行高分辨率的測定的優(yōu)點。
但是專利文獻1的技術(shù)存在有通過使用分頻電路降低計數(shù)器的時鐘頻率，因此上述差頻率高且分頻電路的段數(shù)多，因為當(dāng)該段數(shù)變多時相位噪聲增大，所以事實上上述差頻率不太高，從而難以確保高的測定精度。結(jié)果限定了適用范圍，難以應(yīng)用于要求高精度地檢測二惡英等那樣極其微量的物質(zhì)的情形。而且因為使用計數(shù)器，所以也存在著要求分辨率高和測定時間長的缺點。
專利文獻1日本專利特開平6-241972號公報發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明就是在這樣的情況而作出，本發(fā)明的目的是提供具有高精度并能夠檢測出微量存在的例如環(huán)境污染物質(zhì)等的感知對象物的感知裝置。本發(fā)明的另一個目的是提供具有高精度并能夠瞬時地檢測出感知對象物的感知裝置。進一步又一個目的是提供具有高精度地檢測出感知對象物，能夠擴大測定范圍的感知裝置。
本發(fā)明的感知裝置的特征是其表面上形成有用于吸附感知對象物的吸附層，使用由于感知對象物的吸附而使固有振動頻率改變的傳感器用振子，根據(jù)該傳感器用振子的固有振動頻率的變化感知感知對象物，其特征在于，具有傳感器用振蕩電路，使上述傳感器用振子振蕩；基準(zhǔn)時鐘發(fā)生部，產(chǎn)生用于對來自上述傳感器用振子的頻率信號進行取樣的時鐘信號；模擬/數(shù)字變換部，通過來自上述基準(zhǔn)時鐘發(fā)生部的時鐘信號對來自上述傳感器用振子的頻率信號進行取樣，將該取樣值作為數(shù)字信號進行輸出；旋轉(zhuǎn)矢量取出部件，對與來自該模擬/數(shù)字變換部的輸出信號對應(yīng)的頻率信號進行根據(jù)數(shù)字信號的正交檢波，并取出由復(fù)數(shù)表示旋轉(zhuǎn)矢量時的實數(shù)部分和虛數(shù)部分，其中該旋轉(zhuǎn)矢量以與該頻率信號中的頻率和由用于正交檢波的數(shù)字信號特定的頻率的頻率差相當(dāng)?shù)慕撬俣刃D(zhuǎn)；和旋轉(zhuǎn)矢量速度計算部件，根據(jù)由該旋轉(zhuǎn)矢量取出部件得到的上述實數(shù)部分和虛數(shù)部分的各時間系列數(shù)據(jù)，求得旋轉(zhuǎn)矢量的角速度。
此外，本發(fā)明也可以具有求得當(dāng)傳感器用振子在第一環(huán)境中時的旋轉(zhuǎn)矢量的角速度與當(dāng)傳感器用振子在第二環(huán)境中時的旋轉(zhuǎn)矢量的角速度之差的部件。作為第一環(huán)境，例如能夠舉出純水等的溶媒，作為第二環(huán)境，能夠舉出在該溶媒中包含感知對象物的情形。
上述旋轉(zhuǎn)矢量取出部件具有上述旋轉(zhuǎn)矢量取出部件包括對與來自模擬/數(shù)字變換部的輸出信號對應(yīng)的頻率信號進行正交檢波的部件、和除去包含在由該部件得到的數(shù)據(jù)中的高頻成分的部件。此外，當(dāng)設(shè)定與在某個定時中的上述取樣值對應(yīng)的實數(shù)部分和虛數(shù)部分分別為I(n)和Q(n)，設(shè)定與在該定時前的定時中的上述取樣值對應(yīng)的實數(shù)部分和虛數(shù)部分分別為I(n-1)和Q(n-1)時，上述旋轉(zhuǎn)矢量速度計算部件根據(jù){Q(n)-Q(n-1)}·I(n)-{I(n)-I(n-1)}·Q(n)的計算，求得旋轉(zhuǎn)矢量的角速度。
上述旋轉(zhuǎn)矢量速度計算部件可以構(gòu)成為具有對由上述旋轉(zhuǎn)矢量速度計算部件求得的計算結(jié)果求出規(guī)定時間內(nèi)的平均值的部件。作為一個更具體的例子，構(gòu)成作為求得移動平均的部件。而且，優(yōu)選在上述旋轉(zhuǎn)矢量速度計算部件的前段中，設(shè)置有根據(jù)由實數(shù)部分和虛數(shù)部分決定的矢量的標(biāo)量除上述實數(shù)部分和虛數(shù)部分的修正處理部。
進一步優(yōu)選本發(fā)明如下地構(gòu)成。即，構(gòu)成為進一步具有逆旋轉(zhuǎn)矢量生成部，以與由上述旋轉(zhuǎn)矢量速度計算部件求得的角速度的變化量相當(dāng)?shù)慕撬俣茸鞒僧?dāng)復(fù)數(shù)表示與上述旋轉(zhuǎn)矢量逆向旋轉(zhuǎn)的逆旋轉(zhuǎn)矢量時的實數(shù)部分和虛數(shù)部分；和頻率范圍修正部，其設(shè)置在上述旋轉(zhuǎn)矢量速度計算部件的前段中，通過計算由上述旋轉(zhuǎn)矢量取出部件得到的上述旋轉(zhuǎn)矢量的實數(shù)部分和虛數(shù)部分、和由上述逆旋轉(zhuǎn)矢量生成部生成的逆旋轉(zhuǎn)矢量的實數(shù)部分和虛數(shù)部分，并延遲上述旋轉(zhuǎn)矢量的角速度，修正頻率變化量的范圍。
這時，逆旋轉(zhuǎn)矢量生成部具有沿旋轉(zhuǎn)方向順次配置的限定在復(fù)數(shù)表面上的逆旋轉(zhuǎn)矢量的位置的實數(shù)部分和虛數(shù)部分的組的數(shù)據(jù)表、和通過由與上述頻率的變化量相當(dāng)?shù)脑隽繑?shù)或減量數(shù)產(chǎn)生上述數(shù)據(jù)表的地址生成逆旋轉(zhuǎn)矢量的地址控制部。作為一個更具體的例子，能夠舉出逆旋轉(zhuǎn)矢量生成部具有輸出與當(dāng)用數(shù)字信號表示由上述旋轉(zhuǎn)矢量速度計算部件求得的頻率變化量時的下位位的值相應(yīng)的占空比的脈沖列的脈沖寬度控制部、和將當(dāng)用數(shù)字信號表示上述頻率變化量時的上位位的值和由上述脈沖寬度控制部作成的脈沖的電平相加，輸出到上述地址控制部的加法部，上述地址生成部，對來自該加法部的輸出值進行積分，將該積分值作為上述數(shù)據(jù)表的地址的構(gòu)成。
本發(fā)明，根據(jù)來自基準(zhǔn)時鐘發(fā)生部的時鐘信號對來自例如石英振子等的傳感器用振子的頻率信號進行取樣，將該取樣值作為數(shù)字信號進行輸出，對與該輸出信號對應(yīng)的頻率信號進行根據(jù)數(shù)字信號的正交檢波，取出以與由上述取樣值特定的頻率信號(模擬/數(shù)字變換部的輸出信號)的頻率和由用于正交檢波的數(shù)字信號特定的頻率之差相當(dāng)?shù)念l率進行旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矢量。因為該旋轉(zhuǎn)矢量的角速度與傳感器用振子的振蕩頻率(固有振動頻率)對應(yīng)，所以通過檢測當(dāng)將傳感器用振子浸漬在例如純水等的溶媒中時的旋轉(zhuǎn)矢量的角速度和當(dāng)將包含感知對象物的液體供給該溶媒時的旋轉(zhuǎn)矢量的角速度，能夠檢測出旋轉(zhuǎn)矢量的角速度的變化量，能夠知道吸附在傳感器用振子上的感知對象物的吸附量。此外在本發(fā)明中，也可以通過根據(jù)檢測量線等掌握例如預(yù)先在溶媒中的感知對象物的各種濃度和旋轉(zhuǎn)矢量的角速度的對應(yīng)，通過將旋轉(zhuǎn)矢量的角速度與上述檢測量線等進行核對推定感知對象物的濃度。
因此，與對脈沖進行計數(shù)求得頻率的方法比較，能夠以高精度而且在極短時間內(nèi)檢測出傳感器用振子的振蕩頻率。從而也能夠以高精度而且在極短時間內(nèi)檢測出傳感器用振子的振蕩頻率的變化量，作為檢測環(huán)境污染物質(zhì)的極微量物質(zhì)的裝置是有用的。
而且，通過用與由上述旋轉(zhuǎn)矢量速度計算部件求得的頻率變化量相當(dāng)?shù)慕撬俣?，即與上述旋轉(zhuǎn)矢量對應(yīng)的角速度，生成與該旋轉(zhuǎn)矢量逆向旋轉(zhuǎn)的逆旋轉(zhuǎn)矢量，使逆旋轉(zhuǎn)矢量與上述旋轉(zhuǎn)矢量相乘，能夠延遲上述旋轉(zhuǎn)矢量的角速度。結(jié)果，因為即便傳感器用振子的振蕩頻率高，通過延遲旋轉(zhuǎn)矢量的角速度也能夠檢測出該角速度，所以結(jié)果能夠擴大頻率的測定范圍。


圖1是表示本發(fā)明的感知裝置的實施方式的整體構(gòu)成的框圖。
圖2是表示用于上述實施方式的載波去除器和低通濾波器的構(gòu)成圖。
圖3是表示與石英振子的頻率信號中的頻率變化量對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矢量的說明圖。
圖4是表示用于上述實施方式的修正處理部的構(gòu)成圖。
圖5是表示當(dāng)旋轉(zhuǎn)矢量延緩時產(chǎn)生檢測誤差的情況的說明圖。
圖6是表示在相前后的定時取樣的旋轉(zhuǎn)矢量的相位差的說明圖。
圖7是表示用于上述實施方式的速度計算部的構(gòu)成圖。
圖8是表示本發(fā)明的其它實施方式的整體構(gòu)成的框圖。
圖9是表示上述其它實施方式中的旋轉(zhuǎn)矢量和逆旋轉(zhuǎn)矢量相乘的情況的說明圖。
圖10是表示在上述其它實施方式中用于產(chǎn)生的逆旋轉(zhuǎn)矢量的數(shù)據(jù)表的說明圖。
圖11是詳細(xì)地表示上述其它實施方式中的主要部分的構(gòu)成的框圖。
圖12是表示上述其它實施方式中的一部分作用的時序圖。
圖13是表示上述其它實施方式中的一部分作用的時序圖。
圖14是表示在上述其它實施方式中使用的脈沖寬度電路部的輸入值的一個例子的特性圖。
圖15是表示上述脈沖寬度電路部的輸出值的一個例子的特性圖。
圖16是表示在上述其它實施方式中使用的加法器的輸出值的一個例子的特性圖。
圖17是表示在本發(fā)明的具體實施例中，對來自石英振子的振蕩電路的頻率信號進行取樣并變換成數(shù)字值的情況的說明圖。
圖18是表示對由圖8得到的輸出信號驗證頻譜的結(jié)果的特性圖。
圖19是表示在上述實施例中用載波去除器得到的I值和Q值的特性圖。
圖20是表示在上述實施例中用低通濾波器得到的I值和Q值的特性圖。
圖21是表示在上述實施例中偏移頻率和檢測輸出的關(guān)系的特性圖。
圖22是表示在上述實施例中頻率變化量的檢測值的上升的情況的特性圖。
具體實施例方式
圖1是表示本發(fā)明的感知裝置的實施方式的整體構(gòu)成的示意圖。1是傳感器部，該傳感器部1具有由石英等密封作為傳感器用振子的壓電振子例如石英振子11的一個面而露出另一個面，作為例如浸漬在存在有感知對象物質(zhì)的溶液12中的蘭杰文(Langevin)型振子的構(gòu)成。在上述石英振子11中與溶液接觸的面上形成用于吸附(捕獲)感知對象物質(zhì)的吸附層，例如包含用于吸附二惡英的抗體的吸附層。13是使石英振子11振蕩的振蕩電路，例如輸出作為頻率信號的正弦波的高頻信號。
2是基準(zhǔn)時鐘發(fā)生部，為了對來自振蕩電路13的高頻信號進行取樣，輸出作為頻率穩(wěn)定性極高的頻率信號的時鐘信號。21是A/D(模擬/數(shù)字)變換器，根據(jù)來自基準(zhǔn)時鐘發(fā)生部2的時鐘信號對來自振蕩電路13的高頻信號進行取樣，將該取樣值作為數(shù)字信號進行輸出。由該數(shù)字信號特定的高頻信號除了基波之外也包含有高頻波。即當(dāng)對具有高頻波失真的正弦波進行取樣時，設(shè)想該高頻波成分受到折疊的影響，根據(jù)情況在頻譜中的頻率軸上基波頻率和高頻波的頻率重疊的情形。因此為了能夠得到正確的感知工作必須避免這種重疊。
一般當(dāng)以頻率fs的時鐘信號對頻率f1的正弦波信號進行取樣時，以公式(1)表示該取入結(jié)果的頻率f2。其中mod(，)表示modulo(模)函數(shù)。
f2＝|mod(f1+fs/2，fs)-fs/2|……(1)在該取入結(jié)果中，因為對基波頻率，n次高頻波的頻率表現(xiàn)為n×(基波頻率)，所以如果將其置于f2上代入到上述公式(1)，則能夠計算作為什么樣的頻率取入高頻波。能夠以通過使用該計算使基波的頻率和高頻波的頻率不重疊的方式，設(shè)定來自振蕩電路13的高頻信號的頻率fc和取樣頻率(時鐘信號的頻率)fs，例如設(shè)定fc為11MHz，fs為12MHz。這時，由作為來自A/D變換器21的數(shù)字信號的輸出信號特定的頻率信號的基波成為1MHz的正弦波。此外，如果設(shè)定fc/fs為11/12，則基波的頻率和高頻波的頻率不重疊，但是fc/fs不限于該值。
在A/D變換器21的后段，以載波去除器31和低通濾波器32的順序設(shè)置它們。載波去除器31和低通濾波器32用于，取出以通過來自A/D變換器21的數(shù)字信號特定的例如1MHz的正弦波信號的頻率與用于正交檢波的正弦波信號的頻率之差的頻率進行旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矢量。
為了容易理解地說明取出旋轉(zhuǎn)矢量的作用，設(shè)定通過來自A/D變換器21的數(shù)字信號特定的正弦波信號為Acos(ω0t+θ)。另一方面，載波去除器31具有如圖2所示對上述正弦波信號乘上cos(ω0t)的乘法部31a和對上述正弦波信號乘上-sin(ω0t)的乘法部31b。即通過這種計算進行正交檢波。乘法部31a的輸出和乘法部31b的輸出分別由公式(2)和公式(3)表示。
Acos(ω0t+θ)·cos(ω0t)＝1/2·Acosθ+1/2{cos(2ω0t)·cosθ+sin(2ω0t)·sinθ}……(2)Acos(ω0t+θ)-sin(ω0t)＝1/2·Asinθ-1/2{sin(2ω0t)·cosθ+cos(2ω0t)·sinθ}……(3)從而，因為使乘法部31a的輸出和乘法部31b的輸出分別通過低通濾波器32a和32b，除去2ω0的頻率信號，所以結(jié)果從低通濾波器32取出1/2·Acosθ和1/2·Asinθ。此外記載有低通濾波器32由低通濾波器32a和32b構(gòu)成。低通濾波器32中的實際的數(shù)字處理，對于從載波去除器31輸出的時間系列數(shù)據(jù)計算連續(xù)的多個數(shù)據(jù)例如6個數(shù)據(jù)的移動平均。
而且當(dāng)由Acos(ω0t+θ)表示的正弦波信號的頻率變化時，Acos(ω0t+θ)成為Acos(ω0t+θ+ω1t)。其中ω1與ω0相比足夠小。從而1/2·Acosθ成為1/2·Acos(θ+ω1t)，1/2·Asinθ成為1/2·Asin(θ+ω1t)。即，從低通濾波器32得到的輸出是與正弦波信號[Acos(ω0t+θ)]的頻率變化量ω1/2π對應(yīng)的信號。即這些值是旋轉(zhuǎn)矢量時的實數(shù)部分(I)和虛數(shù)部分(Q)，其中旋轉(zhuǎn)矢量以通過來自A/D變換器21的數(shù)字信號特定的正弦波信號的頻率與用于正交檢波的正弦波信號的頻率ω0/2π之差的頻率進行旋轉(zhuǎn)。
圖3是表示該旋轉(zhuǎn)矢量的示意圖，該旋轉(zhuǎn)矢量的長度為A，角速度為ω1。在圖2和圖3中將ω1t表示為φ。從而如果例如當(dāng)來自在石英振子11上沒有吸附感知對象物質(zhì)時的A/D變換部21的頻率信號的頻率為ω0/2π，則因為ω1為零，所以其旋轉(zhuǎn)矢量的角速度為零，但是當(dāng)在石英振子11上吸附有感知對象物質(zhì)且石英振子11的頻率變化，因此上述正弦波信號的頻率變化時，旋轉(zhuǎn)矢量以與該變化量相應(yīng)的角速度旋轉(zhuǎn)。此外，如果來自當(dāng)在石英振子11上沒有吸附感知對象物質(zhì)時的A/D變換部21的頻率信號的頻率從ω0/2π偏離，則旋轉(zhuǎn)矢量以與該偏離的頻率相應(yīng)的角速度旋轉(zhuǎn)。因為在無論那種情形中旋轉(zhuǎn)矢量的角速度都為與石英振子11的振蕩頻率對應(yīng)的值，所以如果通過求得例如當(dāng)將石英振子11浸漬在溶媒中時和在該溶媒中加入感知對象物使感知對象物吸附在石英振子11上時的各個旋轉(zhuǎn)矢量的角速度，求得它們的角速度差，則能夠知道由于使感知對象物吸附在石英振子11上引起的振蕩頻率的變化量。
這樣，載波去除器31對上述正弦波信號進行正交檢波，低通濾波器32對該檢波結(jié)果除去高頻成分，從而它們是取出旋轉(zhuǎn)矢量時的實數(shù)部分和虛數(shù)部分的裝置，其中旋轉(zhuǎn)矢量以復(fù)數(shù)表示對來自A/D變換器21的頻率信號進行根據(jù)數(shù)字信號的正交檢波，在該頻率信號中的頻率和用于正交檢波的正弦波信號的頻率ω0/2π的頻率差相當(dāng)?shù)慕撬俣刃D(zhuǎn)。
回到圖1，在低通濾波器32的后段設(shè)置有減量處理部4。該減量處理部4是對于通過從低通濾波器32得到的時間系列的數(shù)字信號即12MHz的時鐘信號得到的數(shù)字值組，進行例如每隔120個取出數(shù)據(jù)的減量處理(間拔處理)的裝置。這樣通過減量處理，減輕了計算機的運算負(fù)擔(dān)。而且在本實施方式中如后述那樣，因為通過掌握在取樣間隔中旋轉(zhuǎn)矢量旋轉(zhuǎn)了多少次，求得該旋轉(zhuǎn)矢量的角速度，所以無論對數(shù)字值組進行多少間拔，都對上述角速度的檢測精度(頻率的變化量的檢測精度)沒有影響。
在減量處理部4的后段設(shè)置有修正處理部5，該修正處理部5進行通過分別以旋轉(zhuǎn)矢量的標(biāo)量除通過低通濾波器32并且經(jīng)過減量處理的上述旋轉(zhuǎn)矢量的作為實數(shù)部分的I值和上述旋轉(zhuǎn)矢量的作為虛數(shù)部分的Q值，求得旋轉(zhuǎn)矢量的每個單位長度的I值和Q值的處理。即，如圖4所示，修正處理部5以當(dāng)將符號V分配給旋轉(zhuǎn)矢量時，分別將I值和Q值平方并加起來，算出該加法值的平方根而求得旋轉(zhuǎn)矢量V的標(biāo)量|V|，以|V|除I值和Q值的方式進行構(gòu)成。
這樣地修正I值和Q值的理由如下所述。在本實施方式中，每當(dāng)算出旋轉(zhuǎn)矢量V在取樣間隔中旋轉(zhuǎn)了多少次時，如圖5所示，根據(jù)包含連結(jié)由第n個取樣求得的旋轉(zhuǎn)矢量V(n)和由第(n-1)個取樣求得的旋轉(zhuǎn)矢量V(n-1)的矢量ΔV的因子進行評價。因此存在當(dāng)由于來自振蕩電路13的高頻信號的波形波動等可以說旋轉(zhuǎn)矢量被延緩，ΔV變成ΔV’時，ΔV和旋轉(zhuǎn)矢量的旋轉(zhuǎn)量Δφ的對應(yīng)關(guān)系崩潰，損害旋轉(zhuǎn)矢量的角速度的檢測值的可靠性。因此，因為通過如上所述地進行修正處理，使在各定時的I值和Q值作為與旋轉(zhuǎn)矢量的單位長度對應(yīng)的值一致，所以能夠排除旋轉(zhuǎn)矢量延緩的影響。
進一步如圖1所示，在上述修正處理部5的后段設(shè)置有用于求得旋轉(zhuǎn)矢量的角速度的速度計算部6。參照圖6和圖7說明該速度計算部6，如圖6所示，當(dāng)設(shè)定常數(shù)為K時，如果旋轉(zhuǎn)矢量的角速度(頻率)與取樣頻率相比足夠小，則能夠以公式(4)近似通過第(n-1)個取樣求得的旋轉(zhuǎn)矢量V(n-1)和由第n個取樣求得的旋轉(zhuǎn)矢量V(n)＝V(n-1)+ΔV所成的角度Δφ。其中Δφ是V(n)的相位φ(n)和V(n-1)的相位φ(n-1)之差，而且imag是虛數(shù)部分，conj{V(n)}是V(n)的共軛矢量。
Δφ＝K·imag[ΔV·conj{V(n)}] ……(4)這里如果對于I值和Q值設(shè)定與第n個取樣對應(yīng)的值分別為I(n)和Q(n)，則當(dāng)復(fù)數(shù)表示ΔV和conj{V(n)}時分別由公式(5)和公式(6)表示。
ΔV＝ΔI+jΔQ……(5)Conj{V(n)}＝I(n)-jQ(n)……(6)其中ΔI是I(n)-I(n-1)，ΔQ是Q(n)-Q(n-1)。將公式(5)和公式(6)代入到公式(4)中經(jīng)過整理后，Δφ由公式(7)表示。
Δφ＝ΔQ·I(n)-ΔI·Q(n)……(7)上述速度計算部6是通過進行該公式(7)的計算求得Δφ的近似值的裝置，其構(gòu)成如圖7所示。當(dāng)輸入到速度計算部6的I值是作為與第n個取樣對應(yīng)的值的I(n)時，將作為一個前的定時的與第(n-1)個取樣對應(yīng)的I(n-1)保持在寄存器61中，在核對電路部62中核對它們，取出I(n)和I(n-1)的差分ΔI，將I(n)和ΔI輸入到計算部65。此外，關(guān)于Q值也由寄存器63和核對電路部64同樣地進行處理，將Q(n)和ΔQ輸入到計算部65。而且在計算部65中，進行公式(7)的計算，求得Δφ。將計算部65的計算結(jié)果作為Δφ詳細(xì)地進行評價。
這里如果求得旋轉(zhuǎn)矢量V(n-1)和V(n)，則求它們之間的角度Δφ的方法或者對其進行評價的方法能夠使用各種數(shù)學(xué)方法，作為一個例子只舉出公式(4)的近似式。作為該公式也可以用作為將連結(jié)V(n)和V(n-1)的各終點的線的中點和原點連結(jié)起來的矢量V0的{V(n)+V(n-1)}/2，在公式(4)中代替V(n)代入該矢量V0。能夠這樣近似公式(4)的理由是因為能夠?qū)0和ΔV看作正交的，因此可以將ΔV的長度處理為與當(dāng)將V0看作實軸時的ΔV的虛數(shù)值相當(dāng)。而且作為求Δφ的方法直觀地容易理解的方法可以是求得argV(n)和argV(n-1)使它們相減的方法，但是這時因為需要將各矢量的虛數(shù)值和實數(shù)值的組與該矢量的相位φ對應(yīng)起來的數(shù)據(jù)表，所以根據(jù)上述的公式(4)進行計算從減輕計算機負(fù)擔(dān)方面來看是好方法。此外argV(n)是tan-1(虛數(shù)值/實數(shù)值)。
如圖1所示，在該速度計算部6的后段設(shè)置有時間平均化處理部7，時間平均化處理部7取出并輸出對于作為由速度計算部6得到的計算結(jié)果的Δφ的時間系列數(shù)據(jù)進行的時間平均化處理，例如規(guī)定量的數(shù)據(jù)的移動平均。將這里得到的輸出值輸入到頻率差檢測部71。該頻率差檢測部71是用于檢測當(dāng)將石英振子11置于作為第一環(huán)境的例如純水等的溶媒中時的旋轉(zhuǎn)矢量的角速度、和當(dāng)將石英振子11置于作為第二環(huán)境的供給感知對象物的溶媒中時的旋轉(zhuǎn)矢量的角速度之差的裝置。因為旋轉(zhuǎn)矢量的角速度是與石英振子11的振蕩頻率對應(yīng)的值，所以由頻率差檢測部71檢測出的角速度檢測差是與由石英振子11吸附有感知物質(zhì)引起的振蕩頻率的變化量對應(yīng)的值，可以稱為是評價感知物質(zhì)的吸附量的值。更具體地說，頻率差檢測部71具有存儲各旋轉(zhuǎn)矢量的角速度的存儲器、讀出該存儲器內(nèi)的各旋轉(zhuǎn)矢量的角速度并計算該角速度差的部件等。
如上所述通過使本實施方式的構(gòu)成方框化進行了說明，通過軟件實施實際的計算或數(shù)據(jù)處理。
下面說明上述實施方式的作用。例如通過12MHz的頻率信號以A/D變換部21變換包含由傳感器部1的石英振子(振蕩電路13)振蕩產(chǎn)生的作為基波的正弦波的例如11MHz的頻率信號，從A/D變換部21輸出包含約1MHz的作為基波的正弦波信號的信號。這里為了說明方便，當(dāng)設(shè)定該正弦波信號為Acos(ω0t+ωlt+θ)時(ω1與ω0相比足夠小)，通過對該正弦波信號進行正交檢波，除去更低頻率成分，取出以與該正弦波信號的頻率變化量對應(yīng)的角速度旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矢量。即，取出該旋轉(zhuǎn)矢量的實數(shù)部分和虛數(shù)部分分別作為I值和Q值。由減量處理部4對這些I值和Q值進行減量處理，進一步在修正處理部5中除以旋轉(zhuǎn)矢量V的標(biāo)量|V|，除去旋轉(zhuǎn)矢量的延緩的影響，輸入到頻率差計算部6。此外，為了避免說明的繁雜性，在修正處理前后的旋轉(zhuǎn)矢量上附加相同的標(biāo)號“V”進行說明。
該旋轉(zhuǎn)矢量V以正弦波信號為Acos(ω0t+ω1t+θ)的頻率和用于正交檢波的正弦波信號的頻率ω0/2π之差，即ω1的角速度進行旋轉(zhuǎn)(參照圖3)。這里為了易于說明，例如將傳感器部1浸漬在用于檢測感知對象物質(zhì)存在的溶液內(nèi)，并且當(dāng)設(shè)定與當(dāng)感知對象物質(zhì)不存在時(當(dāng)在石英振子11的檢測界限以下時)的石英振子11的固有振動頻率對應(yīng)的角速度為ω0時，因為ω1為零，所以旋轉(zhuǎn)矢量V靜止。從而作為時間平均化處理部7的輸出的Δφ為零。
另一方面，當(dāng)在上述溶液中存在有感知對象物質(zhì)例如二惡英時，與吸附在石英振子11上的二惡英的量相應(yīng)，其振蕩頻率(固有振動頻率)變化。這時上述旋轉(zhuǎn)矢量V開始以與頻率變化量對應(yīng)的角速度旋轉(zhuǎn)。為了使說明簡略化假定當(dāng)設(shè)定頻率的變化量為1Hz時，旋轉(zhuǎn)矢量V在1秒內(nèi)旋轉(zhuǎn)1次。這里在本實施方式中，取樣是通過掌握相前后的V(n)的相位φ(n)和V(n-1)的相位φ(n-1)之差Δφ，檢測出旋轉(zhuǎn)矢量的角速度的取樣，當(dāng)假定該取樣間隔為1/100秒時，Δφ成為3.6度。換句話說，只在旋轉(zhuǎn)矢量間隔的時間內(nèi)求旋轉(zhuǎn)矢量V的角速度，就能夠知道石英振子11的振蕩頻率的變化量。
但是，因為與當(dāng)不存在感知對象物質(zhì)時的石英振子11的振蕩頻率對應(yīng)的角速度與用于正交檢波的正弦波信號的角速度一致是相當(dāng)稀少的，所以實際上分別求與當(dāng)不存在感知對象物質(zhì)時的石英振子11的振蕩頻率對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矢量的角速度和與當(dāng)存在感知對象物質(zhì)時的石英振子11的振蕩頻率對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矢量的角速度，然后求出這兩個角速度之差。因為該旋轉(zhuǎn)矢量的角速度之差是與在石英振子11上吸附有感知物質(zhì)引起的石英振子11的頻率的變化量對應(yīng)的值，所以通過預(yù)先掌握感知對象物質(zhì)的吸附量和頻率的變化量的關(guān)系，能夠求得這時的感知對象物質(zhì)的吸附量。而且如果預(yù)先求得溶液中的感知對象物質(zhì)的濃度和感知對象物質(zhì)的吸附量的關(guān)系，則根據(jù)感知對象物質(zhì)的吸附量即石英振子11的頻率的變化量，可以知道溶液中的感知對象物質(zhì)的濃度。因此可以知道供給浸漬有石英振子11的溶液(圖1中的標(biāo)號12)的試料液中的感知物質(zhì)的濃度。
這樣，根據(jù)上述實施方式，對石英振子11的振蕩頻率(來自振蕩電路13的頻率信號的頻率)進行數(shù)字處理，根據(jù)與取樣間隔相應(yīng)的相位差檢測旋轉(zhuǎn)矢量的角速度。結(jié)果與現(xiàn)有技術(shù)那樣對脈沖進行計數(shù)的方法相比，如在后述的實施例中證明的那樣，能夠以高精度而且在極短時間內(nèi)檢測出石英振子11的振蕩頻率的變化量。在現(xiàn)有的脈沖計數(shù)方法中，因為將正弦波作為脈沖進行計數(shù)，所以例如為了以1Hz的分辨率識別10MHz的脈沖需要1秒鐘的時間。如從以上說明看到的那樣，本發(fā)明作為檢測以環(huán)境污染物質(zhì)為首的微量物質(zhì)的裝置是極有用的。
作為本發(fā)明的使用方法，不限于將傳感器部1浸漬在溶液中，也可以使溶液在石英振子11的表面上滴下，而且可以感知二惡英以外的環(huán)境污染物質(zhì)例如PCB等，或者也可以感知病毒。
而且在本發(fā)明中，也可以例如通過使與石英振子11接觸的溶液中的感知對象物質(zhì)的濃度進行各種改變，預(yù)先求得各濃度和旋轉(zhuǎn)矢量的角速度的關(guān)系，根據(jù)使溶液與石英振子11接觸時的旋轉(zhuǎn)矢量的角速度和該關(guān)系，推定感知對象物質(zhì)的吸附量。
而且也可以將使石英振子1與純水等的溶媒接觸的狀態(tài)作為所謂的空白值，但是也可以不使石英振子1與溶媒接觸而將曝露在大氣中的狀態(tài)作為空白值，捕捉到當(dāng)使溶液與石英振子1接觸而吸附感知對象物質(zhì)時的旋轉(zhuǎn)矢量的旋轉(zhuǎn)數(shù)的變化量。
進一步，本發(fā)明不限于感知存在于液體中的物質(zhì)，能夠應(yīng)用于檢測石油的味道、檢測火災(zāi)時的煙，或者檢測沙林氣體等的毒氣、檢測部品內(nèi)的氣體、檢測半導(dǎo)體制造工廠等的凈化室內(nèi)的氣體等的各種領(lǐng)域。
此外，本發(fā)明能夠用于通過表示頻率的變化量本身檢測感知對象物質(zhì)的濃度，但是也能夠形成作為不檢測該濃度，例如具有對頻率的變化量的閾值，只知道有無存在感知對象物質(zhì)的裝置的構(gòu)成。這種情形也因為能夠捕捉到頻率的變化量，所以當(dāng)然包含在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。
接著說明本發(fā)明的其它實施方式。本實施方式的目的是在上述實施方式中，進一步擴大頻率差的測定范圍。在前面的實施方式中，因為如圖6所示將旋轉(zhuǎn)矢量的角速度作為連結(jié)V(n)和V(n-1)的各終點的直線的長度進行評價，所以當(dāng)這些旋轉(zhuǎn)矢量的相位差大時測定誤差變大。因此，在本實施方式中，通過作成以與旋轉(zhuǎn)矢量的角速度相應(yīng)的角速度逆向旋轉(zhuǎn)的逆旋轉(zhuǎn)矢量，使上述旋轉(zhuǎn)矢量和該逆旋轉(zhuǎn)矢量相乘，能夠降低旋轉(zhuǎn)矢量的角速度，即便旋轉(zhuǎn)矢量或快或慢，也可以高精度地檢測出V(n)和V(n-1)的相位差即旋轉(zhuǎn)矢量的角速度，這樣擴大了當(dāng)將試料溶液供給傳感器時的頻率的變化量(頻率差)的測定范圍。
圖8表示本實施方式的整體構(gòu)成，在頻率差計算部6的輸出端與時間平均化處理部7之間設(shè)置有積分器70。另一方面，在低通濾波器32與減量處理部4之間設(shè)置有頻率范圍修正部8并且設(shè)置有與積分器70的輸出相應(yīng)地，生成與上述旋轉(zhuǎn)矢量V逆向旋轉(zhuǎn)的逆旋轉(zhuǎn)矢量的逆旋轉(zhuǎn)矢量生成部9，這里用頻率范圍修正部8將生成的逆旋轉(zhuǎn)矢量和根據(jù)從低通濾波器32輸出的時間系列數(shù)據(jù)特定的旋轉(zhuǎn)矢量相乘。
現(xiàn)在，假定頻率差(頻率變化量)例如為500Hz，在與該500Hz對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矢量中，如圖9所示設(shè)定某個定時的取樣例如第n次取樣值為I(n)+jQ(n)。當(dāng)使該矢量回到沿實軸的位置時，可以作成以與頻率差500Hz對應(yīng)的角速度對上述旋轉(zhuǎn)矢量V逆向旋轉(zhuǎn)的逆旋轉(zhuǎn)矢量V’，乘上該逆旋轉(zhuǎn)矢量V’。旋轉(zhuǎn)矢量V根據(jù)逆旋轉(zhuǎn)矢量V’旋轉(zhuǎn)的矢量I+jQ成為{I(n)+jQ(n)}×{I’(n)+jQ’(n)}。當(dāng)對該式進行整理時，成為公式(8)，頻率范圍修正部8進行該公式的計算。
I+jQ(n)＝{I(n)·I’(n)-Q(n)·Q’(n)}+j{I(n)·Q’(n)+I’(n)·Q(n)}……(8)當(dāng)發(fā)生逆旋轉(zhuǎn)矢量V’時，以實際上在復(fù)數(shù)平面上的矢量逆旋轉(zhuǎn)的方式設(shè)定該矢量的實數(shù)部分和虛數(shù)部分的值、即逆旋轉(zhuǎn)矢量V’的相位為φ時，發(fā)生cosφ和sinφ的值。圖10表示沿矢量的旋轉(zhuǎn)方向順次排列矢量的cosφ和sinφ的組的I/Q表90，逆旋轉(zhuǎn)矢量生成部9在本例中具有上述I/Q表90，用與積分器70的輸出相應(yīng)的增量數(shù)或減量數(shù)讀出I/Q表90的地址，輸出到頻率范圍修正部8。例如根據(jù)時鐘的讀出定時逐個地讀出地址從“0”到“11”，當(dāng)再次回到“0”時在12時鐘矢量在復(fù)數(shù)平面上順時鐘轉(zhuǎn)動地旋轉(zhuǎn)1次，增量數(shù)成為2，每隔1個讀出地址，矢量的角速度成為倍速。從而與積分器70的大小相應(yīng)地決定增量數(shù)，能夠生成以由與上述頻率差計算部6(參照圖8)計算的頻率差Δφ相應(yīng)的角速度(與旋轉(zhuǎn)矢量V的角速度相應(yīng)的角速度)逆旋轉(zhuǎn)的逆旋轉(zhuǎn)矢量。
旋轉(zhuǎn)矢量V如上述所述，當(dāng)正弦波信號Acos(ω0t+θ)變化到Acos(ω0t+θ+ω1t)時，因為以ω1的角速度旋轉(zhuǎn)(參照圖3)，所以根據(jù)ω1的值，決定順時鐘轉(zhuǎn)動還是逆時鐘轉(zhuǎn)動。從而也與旋轉(zhuǎn)矢量V的方向相應(yīng)地決定逆旋轉(zhuǎn)矢量V’的方向，積分器70的輸出與該方向相應(yīng)地成為正值或負(fù)值，關(guān)于I/Q表90的地址讀出，當(dāng)積分器70的輸出為正值時，用與該值相應(yīng)的增量數(shù)進行讀出，當(dāng)積分器70的輸出為負(fù)值時，用與該值相應(yīng)的減量數(shù)進行讀出。即，I/Q表90形成cos、sin的關(guān)系，由地址控制部103，通過使I/Q表90的地址增量或減量，對旋轉(zhuǎn)矢量V的修正方向進行控制。此外為了易于理解本發(fā)明，模式地作成圖10的I/Q表，而沒有舉出實際的表的優(yōu)選的作成例。
在圖11中表示了逆旋轉(zhuǎn)矢量生成部9的優(yōu)選例。在該例子中，逆旋轉(zhuǎn)矢量生成部9具有將積分器70的輸出值分成上位位值和下位位值的位分割部100。例如當(dāng)積分器的輸出值為16位時，分割成上位8位值和下位8位值進行輸出。在本例中，通過在以16位表示的積分器70的輸出值中，在上位8位的BCD碼(二進制化的十進制數(shù))的值上乘以1/M(M為10的負(fù)8次方)，作成上位8位的值(十進制變換值)，從作為上述輸出值的16位的BCD碼減去通過在該值上乘以M回到原來的8位的BCD碼值的值，作成下位8位的值(十進制變換值)。此外將積分器70的輸出值分成上位位的值和下位位的值的方法，不限于這種方法，也可以只取出上位位的值和下位位的值。
而且在位分割部100的下位位的輸出側(cè)(在本例中輸出下位8位的值的輸出端側(cè))設(shè)置有脈沖寬度控制部101，進一步在該脈沖寬度控制部101的后段設(shè)置有加法器102，由加法器102將通過與下位位的值相應(yīng)地進行脈沖寬度控制而輸出的脈沖列和上位位的值相加。而且以在該加法器102的后段側(cè)設(shè)置有地址控制部103，該地址控制部103對加法器102的值進行積分，與該積分值相應(yīng)地對I/Q表90中的地址的讀出進行控制，即控制地址的增量數(shù)或減量數(shù)的方式進行構(gòu)成。
下面說明本實施方式的作用。首先由于在石英振子11上吸附感知對象物，當(dāng)石英振子11的頻率從沒有吸附感知對象物的狀態(tài)變化時，旋轉(zhuǎn)矢量以與作為該頻率的變化量的頻率差對應(yīng)的角速度旋轉(zhuǎn)。而且將作為與旋轉(zhuǎn)矢量V的角速度對應(yīng)的積分器70的輸出值的上位位例如上位8位的值的電平的信號輸入到加法器102。另一方面將積分器70的輸出值的下位位例如下位8位的值輸入到脈沖寬度控制部101。在脈沖寬度控制部101中，根據(jù)關(guān)于計算機的時鐘脈沖對每個預(yù)先設(shè)定的脈沖數(shù)發(fā)生的取樣信號，進行脈沖寬度計算，輸出與輸入值相應(yīng)的占空比的脈沖列。
該脈沖列是將在1時鐘中發(fā)生的+1電平的脈沖和在1時鐘中發(fā)生的-1電平的脈沖組合起來形成的，假定每20時鐘進行脈沖寬度計算，當(dāng)與脈沖寬度控制部101的輸入值對應(yīng)的占空比為50％時，如圖12所示交互地分別每10個地輸出+1電平的脈沖和-1電平的脈沖。而且，例如當(dāng)與上位8位的值相當(dāng)?shù)碾娖綖椤?”時，在發(fā)生取樣信號后到發(fā)生下一個取樣信號之間，從加法器102交互地輸出“6”和“4”，地址控制部103對該輸出值進行積分，其積分值成為I/Q表90的地址。即此時，因為積分值的增加量交互地重復(fù)“6”和“4”，所以地址的增量數(shù)交互地重復(fù)“6”和“4”，結(jié)果用作為與上位8位的值相當(dāng)?shù)碾娖降钠骄?”的增量數(shù)訪問地址，讀出記載在該地址中的逆旋轉(zhuǎn)矢量V’的實數(shù)部分和虛數(shù)部分。即產(chǎn)生與該“5”對應(yīng)的角速度的逆旋轉(zhuǎn)矢量V’。此外圖10的I/Q表90是易于理解的，不與這時的動作對應(yīng)。這樣從I/Q表90讀出的實數(shù)部分和虛數(shù)部分的各值，在頻率范圍修正部8中，進行上述公式(8)的計算，使逆旋轉(zhuǎn)矢量V’與旋轉(zhuǎn)矢量V相乘。此外81是位處理部，為了削減頻率差計算部6以后的計算位數(shù)，進行下位位的舍入成整數(shù)的處理。
而且，因為圖11所示的逆旋轉(zhuǎn)矢量發(fā)生部9構(gòu)成PLL(Phase LockLoop鎖相環(huán))，所以如果使從低通濾波器32側(cè)輸入到頻率范圍修正部8的信號值穩(wěn)定，則立即鎖定旋轉(zhuǎn)矢量V的角速度和逆旋轉(zhuǎn)矢量V’的角速度，形成穩(wěn)定狀態(tài)，在圖12中表示出各信號。即旋轉(zhuǎn)矢量V，由于逆旋轉(zhuǎn)矢量V’使角速度降低而穩(wěn)定，但是因為該角速度與當(dāng)不和逆旋轉(zhuǎn)矢量V’相乘時的角速度對應(yīng)，所以由PLL鎖定的旋轉(zhuǎn)矢量V的角速度與石英振子的頻率差對應(yīng)，結(jié)果擴大了測定范圍。即，即便頻率的變化量大旋轉(zhuǎn)矢量的角速度大，也能夠求得該角速度，即測定該頻率的變化量。
而且，當(dāng)與脈沖寬度控制部101的輸入值對應(yīng)的占空比比50％大時，如圖13所示只有與越過50％的量相應(yīng)的數(shù)，+1電平的脈沖連續(xù)，此后+1電平的脈沖和-1電平的脈沖交互地發(fā)生。從而該脈沖列的積分值的增加量，因為最初“6”連續(xù)，所以地址的增量數(shù)連續(xù)成為“6”，不久交互地重復(fù)“6”和“4”。因此，在對脈沖寬度控制部101的輸入值進行取樣后到下一個取樣的間隔的逆旋轉(zhuǎn)矢量V’的角速度的平均值，在與“5”對應(yīng)的角速度和與“6”對應(yīng)的角速度之間，成為與上述占空比相應(yīng)的大小。即該角速度成為與在“5”上加上小數(shù)點以下的值對應(yīng)的角速度，這意味著與脈沖寬度控制部101的輸入值(積分器70的輸出的下位位的值)相應(yīng)地插補在“5”和“6”之間。此外在本例中，設(shè)定脈沖寬度計算的定時為20時鐘，但也可以設(shè)定該時鐘數(shù)，例如為下位位的位數(shù)，在本例中是8個，每8時鐘進行脈沖寬度計算。
在這樣不設(shè)置位分割部100和脈沖寬度控制部101，與積分器70的輸出的輸出值相應(yīng)地決定I/Q表90的地址的增量數(shù)的方法的情形中，I/Q表90需要與要求精度(頻率差檢測分辨率)相應(yīng)的數(shù)，并且比用脈沖寬度控制時的大。對此，如本實施方式那樣進行構(gòu)成，能夠只以在脈沖寬度控制中增補的量削減I/Q表90的存儲容量。
這里作為積分器70的輸出值不出現(xiàn)在上位位中的情形，以石英振子的頻率差為500Hz的情形為例，在圖14和圖15中分別表示出通過模擬調(diào)查脈沖寬度控制部101的輸入電平的變化和輸出電平的變化的結(jié)果。如圖14所示，可知脈沖寬度控制部101的輸入電平大致在1msec中是穩(wěn)定的，由包含逆旋轉(zhuǎn)矢量生成部9的PLL瞬時地鎖定旋轉(zhuǎn)矢量V的角速度。而且脈沖寬度控制部101的輸出實際上為+1和-1的電平信號，將其值輸入到地址控制部103，但是以與描繪的圖像分辨率的關(guān)系在+1和-1拉成直線。而且作為積分器70的輸出值出現(xiàn)在上位位中的情形，以石英振子的頻率差為10000Hz的情形為例，在圖16中表示出加法器102的輸出電平。在本例中加法器102的輸出大致穩(wěn)定在“81”上。
根據(jù)上述其它的實施方式，除了前面的實施方式的效果外，進一步還有下面的效果。因為使旋轉(zhuǎn)矢量V’和與石英振子的頻率(固有振動頻率)的變化量對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矢量V相乘，降低旋轉(zhuǎn)矢量V的角速度，所以例如如圖6所示，即便在將旋轉(zhuǎn)矢量V的角速度作為連結(jié)某個定時的矢量和下一個定時的矢量的直線長度進行評價的情形中，也能夠高精度地求得旋轉(zhuǎn)矢量V的角速度，從而因為即便旋轉(zhuǎn)矢量V的角速度可以快也可以慢，也能夠高精度地求得該角速度，所以能夠從大的值到小的值測定石英振子的固有振動頻率的變化量，結(jié)果擴大了測定范圍。而且對反饋的旋轉(zhuǎn)矢量V的角速度分成上位位的值和下位位的值，關(guān)于下位位的值利用脈沖寬度控制，插補I/Q表90的數(shù)據(jù)值，所以如已經(jīng)詳細(xì)述說明的那樣能夠減小I/Q表90的大小，能夠減小電路規(guī)模。
作為驗證本發(fā)明的裝置的實驗，設(shè)定來自振蕩電路13的頻率信號的頻率fc為1MHz，基準(zhǔn)時鐘信號的頻率fs為12MHz，實際上由計算機進行數(shù)據(jù)處理。作為來自振蕩電路13的頻率信號使用的試驗用的高頻信號(正弦波信號)使頻率從1MHz稍微改變。圖17是表示根據(jù)基準(zhǔn)時鐘信號對試驗用的高頻信號進行取樣并求得數(shù)字值的情況的示意圖。在圖18中表示了關(guān)于用這樣求得的數(shù)字值特定的信號調(diào)查頻譜的情形。從而這里從A/D變換器21取出將1MHz的正弦波信號作為基波的高頻信號。
圖19表示從載波去除器31輸出的I值和Q值，圖20表示從低通濾波器32得到的I值和Q值。在本例中因為關(guān)于試驗用的高頻信號使頻率改變，所以低通濾波器32的輸出值上升。而且圖21是表示在該實施例中偏移頻率(頻率變化量)與檢測輸出的關(guān)系的示意圖，當(dāng)偏移頻率增大時誤差增大，但是可知在偏移頻率小的區(qū)域中，兩者的對應(yīng)關(guān)系良好，能夠以高可靠性檢測頻率變化量。此外，圖22是表示在使上述試驗用的高頻信號的頻率改變后時間平均化處理部7的輸出的示意圖，可知能夠在0.1秒內(nèi)檢測出頻率的變化量。而且頻率檢測精度與輸出停止上升與時間軸平行的區(qū)域的脈動的振幅相當(dāng)，但是其值為0.0035Hz，證明了頻率檢測精度極高。
權(quán)利要求
1.一種感知裝置，其表面上形成有用于吸附感知對象物的吸附層，使用由于感知對象物的吸附而使固有振動頻率改變的傳感器用振子，根據(jù)該傳感器用振子的固有振動頻率的變化感知感知對象物，其特征在于，具有傳感器用振蕩電路，使所述傳感器用振子振蕩；基準(zhǔn)時鐘發(fā)生部，產(chǎn)生用于對來自所述傳感器用振子的頻率信號進行取樣的時鐘信號；模擬/數(shù)字變換部，通過來自所述基準(zhǔn)時鐘發(fā)生部的時鐘信號對來自所述傳感器用振子的頻率信號進行取樣，將該取樣值作為數(shù)字信號進行輸出；旋轉(zhuǎn)矢量取出部件，對與來自該模擬/數(shù)字變換部的輸出信號對應(yīng)的頻率信號進行根據(jù)數(shù)字信號的正交檢波，并取出由復(fù)數(shù)表示旋轉(zhuǎn)矢量時的實數(shù)部分和虛數(shù)部分，其中該旋轉(zhuǎn)矢量以與該頻率信號中的頻率和由用于正交檢波的數(shù)字信號特定的頻率的頻率差相當(dāng)?shù)慕撬俣刃D(zhuǎn)；和旋轉(zhuǎn)矢量速度計算部件，根據(jù)由該旋轉(zhuǎn)矢量取出部件得到的所述實數(shù)部分和虛數(shù)部分的各時間系列數(shù)據(jù)，求得旋轉(zhuǎn)矢量的角速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感知裝置，其特征在于，具有求得當(dāng)傳感器用振子在第一環(huán)境中時的旋轉(zhuǎn)矢量的角速度與當(dāng)傳感器用振子在第二環(huán)境中時的旋轉(zhuǎn)矢量的角速度之差的部件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感知裝置，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)矢量取出部件包括對與來自模擬/數(shù)字變換部的輸出信號對應(yīng)的頻率信號進行正交檢波的部件、和除去包含在由該部件得到的數(shù)據(jù)中的高頻成分的部件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感知裝置，其特征在于當(dāng)設(shè)定與在某個定時中的所述取樣值對應(yīng)的實數(shù)部分和虛數(shù)部分分別為I(n)和Q(n)，設(shè)定與在該定時前的定時中的所述取樣值對應(yīng)的實數(shù)部分和虛數(shù)部分分別為I(n-1)和Q(n-1)時，所述旋轉(zhuǎn)矢量速度計算部件根據(jù){Q(n)-Q(n-1)}·I(n)-{I(n)-I(n-1)}·Q(n)的計算，求得旋轉(zhuǎn)矢量的角速度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感知裝置，其特征在于，具有對由所述旋轉(zhuǎn)矢量速度計算部件求得的計算結(jié)果求出規(guī)定時間內(nèi)的平均值的部件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的感知裝置，其特征在于求出規(guī)定時間內(nèi)的平均值的部件是求出移動平均的部件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感知裝置，其特征在于在所述旋轉(zhuǎn)矢量速度計算部件的前段中，設(shè)置有根據(jù)由實數(shù)部分和虛數(shù)部分決定的矢量的標(biāo)量除所述實數(shù)部分和虛數(shù)部分的修正處理部。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感知裝置，其特征在于，具有逆旋轉(zhuǎn)矢量生成部，以由所述旋轉(zhuǎn)矢量速度計算部件求得的角速度作成當(dāng)復(fù)數(shù)表示與所述旋轉(zhuǎn)矢量逆向旋轉(zhuǎn)的逆旋轉(zhuǎn)矢量時的實數(shù)部分和虛數(shù)部分；和頻率范圍修正部，其設(shè)置在所述旋轉(zhuǎn)矢量速度計算部件的前段中，通過計算由所述旋轉(zhuǎn)矢量取出部件得到的所述旋轉(zhuǎn)矢量的實數(shù)部分和虛數(shù)部分、和由所述逆旋轉(zhuǎn)矢量生成部生成的逆旋轉(zhuǎn)矢量的實數(shù)部分和虛數(shù)部分，并延遲所述旋轉(zhuǎn)矢量的角速度，修正頻率變化量的范圍。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的感知裝置，其特征在于逆旋轉(zhuǎn)矢量生成部具有沿旋轉(zhuǎn)方向順次配置的限定在復(fù)數(shù)表面上的逆旋轉(zhuǎn)矢量的位置的實數(shù)部分和虛數(shù)部分的組的數(shù)據(jù)表、和通過由與所述頻率的變化量相當(dāng)?shù)脑隽繑?shù)或減量數(shù)產(chǎn)生所述數(shù)據(jù)表的地址生成逆旋轉(zhuǎn)矢量的地址控制部。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的感知裝置，其特征在于逆旋轉(zhuǎn)矢量生成部具有脈沖寬度控制部，輸出與當(dāng)以數(shù)字信號表示由所述旋轉(zhuǎn)矢量速度計算部件求得的頻率變化量時的下位位的值對應(yīng)的占空比的脈沖列；和加法部，將當(dāng)以數(shù)字信號表示所述頻率變化量時的上位位的值和由所述脈沖寬度控制部作成的脈沖的電平相加，輸出到所述地址控制部的，所述地址控制部對來自該加法部的輸出值進行積分，將該積分值作為所述數(shù)據(jù)表的地址。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供具有高精度并能夠瞬時地檢測出微量地存在的例如環(huán)境污染物質(zhì)等的感知裝置。作為具體的解決方法，根據(jù)來自基準(zhǔn)時鐘發(fā)生部的頻率信號對來自石英振子的頻率信號進行取樣，將該取樣值作為數(shù)字信號進行輸出，對與該輸出信號對應(yīng)的頻率信號進行根據(jù)數(shù)字信號的正交檢波，取出以該頻率信號的頻率和用于正交檢波的正弦波頻率之差的頻率進行旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矢量，通過根據(jù)各取樣值檢測旋轉(zhuǎn)矢量的速度檢測頻率的變化量。而且，通過在所述旋轉(zhuǎn)矢量上乘以與該速度對應(yīng)的逆旋轉(zhuǎn)矢量，能夠擴大頻率變化的測定范圍。
文檔編號G01N5/02GK101014848SQ200580027099
公開日2007年8月8日 申請日期2005年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月11日
發(fā)明者塚本信夫, 赤池和男, 古幡司 申請人:日本電波工業(yè)株式會社, Dsp技研有限公司