本發(fā)明屬于傳感器檢測領域，具體涉及一種橋式雙核QCM傳感器檢測系統(tǒng)及其方法。

背景技術：

石英晶體微天平(Quartz Crystal Microbalance，QCM)是20世紀60年代發(fā)展起來的一種傳感器測量技術，是物質檢測領域的一個分支，是通過在AT切石英晶片的上下表面鍍上圓形金電極而構成的一種具有極高靈敏度的諧振式傳感器，檢測質量時精度可達納克級。

QCM的測量原理是基于壓電效應，晶體在外加交變電場時，會產(chǎn)生振蕩，其振蕩頻率與石英晶體的固有頻率一致時，便會出現(xiàn)共振。此時，若QCM的單面電極與待測物質接觸，就會引起QCM諧振頻率的改變，而且其諧振頻率的變化與吸附在晶體表面的物質特性存在著某種線性關系。

1959年，Sauerbrey教授建立了石英晶體表面質量變化和頻率變化的定量關系，即Sauerbrey方程，它表明對于真空或空氣中石英晶體表面沉積的均勻剛性薄膜而言，石英晶體頻率變化正比于其表面的質量變化，該方程奠定了QCM作為傳感器應用的基礎。

隨著研究的不斷深入，20世紀90年代以后，QCM在液相中也取得了廣泛的應用。1985年，Kanazawa和Gordon解出了邊界條件限制下剪切波在石英晶片和牛頓流體間的傳播方程，這些響應關系的建立，從不同程度上加深了我們對QCM檢測數(shù)據(jù)的理解。為了獲取更多關于QCM諧振原理性的信息，科研工作者一方面就溶液的影響在理論和規(guī)律上作了探討，提出了頻率變化和溶液黏彈性、密度、電導率、介電常數(shù)等參數(shù)相關的公式，另一方面則對QCM硬件設備進行了優(yōu)化改進；而且從電學、聲學的原理發(fā)展了等效電路模型、流體力學模型、有限元法等方法。1992年，基于阻抗網(wǎng)絡法的QCM檢測模式被提出，在液相測量中，它能提供振蕩阻抗、振蕩頻率、振幅和半峰寬等信息，從而實現(xiàn)了分離質量和溶液性質對檢測參數(shù)的影響。與此同時，Kasemo和Hook實驗室與Voinova等人合作，推導了Voight模型并提出耗散因子的概念(dissipation factor，ΔD)，用來研究粘彈性薄膜的能量耗散現(xiàn)象，并借助Voigt model開始嘗試表征生物膜層的黏彈性特性，比如蛋白質、DNA單鏈以及雜交信息。1996年，Rodahl等利用Navier-Stokes方程得到了有關耗散因子變化與牛頓流體性質間關系的方程。這些研究與發(fā)現(xiàn)極大的推動了QCM作為傳感器在各領域中的應用。

雖然，QCM測量技術在許多工程領域有著獨特的優(yōu)勢和良好的前景，但其商業(yè)應用推廣仍然面臨著許多問題，其中之一就是受環(huán)境影響較大，尤其是溫度，使其性能不能滿足高精度測量的要求。目前已有的QCM檢測系統(tǒng)中，大多采用單片晶體傳感器結構，但是，單片傳感器結構一次測量只能覆蓋一種檢測物質，或需要兩次測量才能全面、準確地描述被檢測物質，使用起來不方便。另外，在液相中使用QCM時，其振蕩阻尼大，輸出信號很微弱，有用信號經(jīng)常淹沒在背景噪聲中，之前不顯著的干擾因素都會影響QCM的測量精度，如果采用傳統(tǒng)振蕩電路的方法，不僅測得的信息量少，而且在大阻尼溶液里會發(fā)生停振現(xiàn)象。因此，如何實現(xiàn)QCM的驅動和信息采集，如何設計更加精確、合理的檢測系統(tǒng)是QCM推廣應用的關鍵問題之一。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種橋式雙核QCM傳感器檢測系統(tǒng)及其方法，基于穩(wěn)態(tài)響應測量法實現(xiàn)對雙核QCM的串行阻抗、相位和電導等信息的測量，在提高測量精度的同時，簡化測量操作過程。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為：一種橋式雙核QCM傳感器檢測系統(tǒng)，由信號驅動模塊、QCM輸入級模塊、信號處理模塊、高速模數(shù)轉換ADC模塊、FPGA模塊、串口通信模塊和上層PC機模塊組成；

信號驅動模塊，包括DDS信號發(fā)生器、低通濾波器和運算放大器，用于生成驅動QCM諧振的余弦信號，經(jīng)過低通濾波器濾除高頻干擾并放大到合適的幅值后，輸入到QCM輸入級模塊以驅動QCM傳感器；

QCM輸入級模塊，包括雙核QCM傳感器和緩沖放大器，用于將QCM傳感器諧振時產(chǎn)生的電流信號經(jīng)緩沖放大后轉換成電壓信號輸出；

信號處理模塊，用于從背景噪聲中提取QCM信號，并將QCM輸入級模塊輸出的電壓信號轉換成QCM串聯(lián)諧振頻率下的串行阻抗和導納信息；

高速模數(shù)轉換ADC模塊，用于將包含QCM傳感器諧振時產(chǎn)生的串行阻抗和導納信息的模擬信號轉換成數(shù)字量信號；

FPGA模塊為底層核心控制模塊，用于控制DDS信號發(fā)生器產(chǎn)生余弦信號、雙核QCM傳感器的相位檢測、ADC轉換的信息采集以及與上層PC機的通信；

串口通信模塊用于FPGA模塊和上層PC機之間的通信；

上層PC機為上層控制模塊，用于DDS信號發(fā)生器的掃頻控制、實時數(shù)據(jù)處理和結果顯示。

一種橋式雙核QCM傳感器檢測方法，包括以下檢測步驟：

步驟1、通過FPGA模塊向DDS信號發(fā)生器中寫入頻率控制字，控制信號發(fā)生器產(chǎn)生驅動QCM諧振的余弦信號，經(jīng)過低通濾波和信號放大后，輸入到QCM輸入級模塊，該輸入信號為U_i＝U_Icos(ωt)，U_I為輸入信號幅值，ω為角頻率；

步驟2、QCM輸入級模塊將QCM產(chǎn)生的電流信號轉換成電壓信號，輸出兩路電壓信號，其中參考QCM輸出的電壓信號為測量QCM產(chǎn)生的電壓信號為

步驟3、通過FPGA中設置的相位檢測模塊，檢測出參考QCM和測量QCM的相位和

步驟4、采用相關原理獲得參考QCM和測量QCM兩路信號的電壓幅值U_A和U_B；

步驟5、將此時的諧振頻率值和所獲得的直流電壓經(jīng)模數(shù)轉換ADC采集后發(fā)送給FPGA模塊，得到該諧振頻率值下參考QCM和測量QCM的阻抗幅頻、相頻和電導值；

步驟6、更改驅動信號頻率，重復步驟1～5，使掃頻范圍為f₀±Δf,其中Δf的取值應使掃頻范圍包括QCM的諧振頻率范圍，構建不同頻率值下參考QCM和測量QCM的阻抗幅頻特性曲線、相頻特性曲線和電導特性曲線。

與現(xiàn)有的檢測系統(tǒng)和方法相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明提供了一種采用模擬和數(shù)字電路測量的雙核QCM檢測系統(tǒng)，測量精度高、速度快、操作簡單，有利于集成和智能化發(fā)展；

(2)本發(fā)明采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術產(chǎn)生余弦信號來驅動QCM傳感器，信號分辨率高、穩(wěn)定性好，且測量大阻尼溶液時不會停振，使檢測系統(tǒng)的適用范圍更加廣泛；

(3)本發(fā)明在測量QCM傳感器的基礎上，引入一個指標非常接近的諧振器做參考QCM，采用雙核結構使得電路能夠有效的抑制由于QCM傳感器的溫漂和時漂引起的誤差；

(4)本發(fā)明的QCM輸入級模塊采用橋式電路結構，使干擾因素最小化，而且在一次頻率掃描過程中就可以獲得空載和負載狀態(tài)下QCM傳感器的阻抗和相位、電導變化等信息；

(5)本發(fā)明為一種穩(wěn)態(tài)響應的測量方法，基于QCM的阻抗分析理論，不僅可以提供QCM傳感器的諧振阻抗、半峰寬、諧振頻率等，還可以提供耗散因子等參數(shù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的橋式雙核QCM傳感器檢測系統(tǒng)結構框圖。

圖2是本發(fā)明的橋式雙核QCM傳感器檢測系統(tǒng)電路原理圖。

圖3是橋式雙核QCM傳感器檢測系統(tǒng)中雙核QCM的阻抗變化曲線圖。

圖4是橋式雙核QCM傳感器檢測系統(tǒng)中雙核QCM的相位變化曲線圖。

圖5是橋式雙核QCM傳感器檢測系統(tǒng)中雙核QCM的電導變化曲線圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式，對本發(fā)明的一種橋式雙核QCM傳感器檢測系統(tǒng)及其方法做進一步的詳細說明。

結合圖1、圖2，本發(fā)明的一種橋式雙核QCM傳感器檢測系統(tǒng)，由信號驅動模塊、QCM輸入級模塊、信號處理模塊、高速模數(shù)轉換ADC模塊、FPGA模塊、串口通信模塊和上層PC機模塊組成；

信號驅動模塊，包括DDS信號發(fā)生器、低通濾波器和運算放大器，用于生成驅動QCM諧振的余弦信號，經(jīng)過低通濾波器濾除高頻干擾并放大到合適的幅值后，輸入到QCM輸入級模塊以驅動QCM傳感器；

QCM輸入級模塊，包括雙核QCM傳感器和緩沖放大器，用于將QCM傳感器諧振時產(chǎn)生的電流信號經(jīng)緩沖放大后轉換成電壓信號輸出；

信號處理模塊，用于從背景噪聲中提取QCM信號，并將QCM輸入級模塊輸出的電壓信號轉換成QCM串聯(lián)諧振頻率下的串行阻抗和導納信息；

高速模數(shù)轉換ADC模塊，用于將包含QCM傳感器諧振時產(chǎn)生的串行阻抗和導納信息的模擬信號轉換成數(shù)字量信號；

FPGA模塊為底層核心控制模塊，用于控制DDS信號發(fā)生器產(chǎn)生余弦信號、雙核QCM傳感器的相位檢測、ADC轉換的信息采集以及與上層PC機的通信；

串口通信模塊用于FPGA模塊和上層PC機之間的通信；

上層PC機為上層控制模塊，用于DDS信號發(fā)生器的掃頻控制、實時數(shù)據(jù)處理和結果顯示。

進一步的，QCM輸入級模塊采用橋式電路結構，雙核QCM傳感器分別為參考QCM和測量QCM，雙核QCM傳感器的輸入端接信號驅動模塊的輸出端，其輸出端口分別與第一電阻(R₁)和第二電阻(R₂)串聯(lián)接地構成兩路分壓器，兩路分壓器的輸出端口分別接有第一緩沖放大器和第二緩沖放大器。

進一步的，信號處理模塊包括第一模擬乘法器、第二模擬乘法器、第一低通濾波器(LPF1)、第二低通濾波器(LPF2)、第一運算放大器(AMP1)和第二運算放大器(AMP2)；其中第一模擬乘法器、第一低通濾波器(LPF1)和第一運算放大器(AMP1)依次相連組成一路自相關電路；第二模擬乘法器、第二低通濾波器(LPF2)和第二運算放大器(AMP2)依次相連組成另一路自相關電路；通過自相關運算，將QCM輸入級模塊輸出的電壓信號轉換成QCM的串行阻抗和導納信息。

本發(fā)明還提供一種基于橋式雙核QCM傳感器檢測系統(tǒng)的檢測方法，包括以下檢測步驟：

步驟1、通過FPGA模塊向DDS信號發(fā)生器中寫入頻率控制字，控制信號發(fā)生器產(chǎn)生驅動QCM諧振的余弦信號，經(jīng)過低通濾波和信號放大后，輸入到QCM輸入級模塊，該輸入信號為U_i＝U_Icos(ωt)，U_I為輸入信號幅值，ω為角頻率；

步驟2、QCM輸入級模塊將QCM產(chǎn)生的電流信號轉換成電壓信號，輸出兩路電壓信號，其中參考QCM輸出的電壓信號為測量QCM產(chǎn)生的電壓信號為

步驟3、通過FPGA中設置的相位檢測模塊，檢測出參考QCM和測量QCM的相位和

步驟4、采用相關原理獲得參考QCM和測量QCM兩路信號的電壓幅值U_A和U_B；

步驟5、將此時的諧振頻率值和所獲得的直流電壓經(jīng)模數(shù)轉換ADC采集后發(fā)送給FPGA模塊，得到該諧振頻率值下參考QCM和測量QCM的阻抗幅頻、相頻和電導值；

步驟6、更改驅動信號頻率，重復步驟1～5，使掃頻范圍為f₀±Δf，其中Δf的取值應使掃頻范圍包括QCM的諧振頻率范圍，構建不同頻率值下參考QCM和測量QCM的阻抗幅頻特性曲線、相頻特性曲線和電導特性曲線。

進一步的，參考QCM和測量QCM兩路信號的電壓幅值U_A和U_B是通過自相關原理獲得：

U_fA和U_fB分別為兩路自相關電路輸出的直流電壓值，K_A和K_B分別為第一運算放大器(AMP1)和第二運算放大器(AMP2)的放大倍數(shù)，T為余弦驅動信號周期。

進一步的，所述電導特性曲線根據(jù)阻抗幅頻特性曲線計算得到，它們之間的關系滿足：若阻抗Z＝R+jX，導納Y＝G+jB，則電導

進一步的，步驟5中根據(jù)基爾霍夫定律計算雙核QCM的串行阻抗，并由阻抗與導納的關系計算電導值：

式中，

Z_A和Z_B分別為參考QCM和測量QCM的阻抗，G_A和G_B分別為參考QCM和測量QCM的電導。

下面結合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。

實施例

本實施例的一種橋式雙核QCM檢測系統(tǒng)具體電路原理如圖2所示，包括信號驅動模塊、QCM輸入級模塊、信號處理模塊、高速模數(shù)轉換ADC模塊、FPGA模塊、串口通信和上層PC機模塊。

信號驅動模塊由DDS信號發(fā)生器、低通濾波LPF3和運算放大器AMP3依次連接組成；QCM輸入級模塊由參考QCM和測量QCM分別與第一電阻R1和第二電阻R2串聯(lián)接地構成橋式電路結構，雙核QCM的輸出分別接第一緩沖放大器Buffer1和第二緩沖放大器Buffer2；信號處理模塊為兩路自相關電路，其中第一模擬乘法器Multiply1、第一低通濾波器LPF1、第一運算放大器AMP1組成一路自相關電路；第二模擬乘法器Multiply2、第二低通濾波器LPF2、第二運算放大器AMP2組成另一路自相關電路。

本實施例所設計的檢測系統(tǒng)測量原理為：通過FPGA模塊向DDS信號發(fā)生器內(nèi)寫入頻率控制字，生成一接近QCM串聯(lián)諧振頻率的驅動信號，輸入到QCM輸入級模塊，驅動參考QCM和測量QCM工作于諧振狀態(tài)；經(jīng)緩沖放大后，將兩路QCM輸出信號輸入到信號處理模塊進行處理，同時通過FPGA檢測兩路信號此時的相位；然后，采用自相關原理實現(xiàn)QCM微弱有用信號的提取，獲得兩路包含QCM阻抗和導納信息的直流電壓U_A和U_B；經(jīng)高速模數(shù)轉換ADC采集兩路模擬電壓信號并轉換成數(shù)字量信號后發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA做必要的數(shù)據(jù)處理后將數(shù)據(jù)傳送給PC機進行顯示，至此便完成一次采集過程。取合適的步長在諧振頻率附近進行掃描，獲得諧振頻率附近所有頻率點上的信號值，將全部數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機上實時繪制出雙核QCM的阻抗、相位和電導等特性曲線。

信號驅動模塊的主要功能是產(chǎn)生接近QCM諧振頻率的掃頻余弦信號。當已知石英晶片的諧振頻率范圍為5M±6000Hz時，首先控制DDS產(chǎn)生5MHz的余弦信號，經(jīng)濾波和放大后，輸入到QCM輸入級模塊驅動雙核QCM諧振。設此時的驅動信號為U_i＝U_Icos(ωt)。然后再適當?shù)臄U大頻率掃描步長，直到掃頻范圍包含QCM的諧振頻率范圍

測量時，將雙核QCM接入橋式電路中，一個作參考QCM，一個作測量QCM，當測量QCM加載檢測物時，此時的參考QCM相當于空載時的測量QCM。通過兩個QCM的對比測量，一次檢測就可反映出待測物質的性質。

QCM輸入級模塊將QCM諧振時產(chǎn)生的電流信號轉換成電壓信號輸出，因為在橋式電路中所有器件均為線性，當輸入信號為余弦信號時，輸出電壓信號為同頻率的余弦。記此時參考QCM的輸出電壓為測量QCM的輸出電壓為

信號處理模塊的功能是基于相關原理實現(xiàn)QCM諧振信息的獲取，測量兩QCM輸出電壓的幅值U_A和U_B，在硬件電路上可以通過乘法器、低通濾波器和放大器來實現(xiàn)。

通過自相關處理，可得

其中，K_A和K_B分別為第一運算放大器AMP1和第二運算放大器AMP2的放大倍數(shù)，則U_A和U_B的值為

為便于分析，將雙核QCM的輸入、輸出寫成向量實部形式

根據(jù)基爾霍夫定律計算雙核QCM的串行阻抗

由阻抗與導納的關系求得此時的電導為

其中，

由上述分析可知，由于參考QCM和測量QCM的相位和可以通過在FPGA中設置相位檢測模塊檢測得到，串聯(lián)電阻R₁和R₂為已知常量，此時，通過模數(shù)轉換ADC采集兩路電壓信號U_fA和U_fB，就可根據(jù)基爾霍夫定律計算得到Z_A、Z_B、G_A和G_B在該諧振頻率下的值。當改變驅動信號的頻率，使驅動信號的掃頻范圍包括雙核QCM的諧振頻率范圍時，便可得到阻抗幅頻、相頻和電導特性曲線。

以液體負載為例，參考QCM空載，在測量QCM上加載適量液體，采用本發(fā)明橋式雙核QCM檢測系統(tǒng)及其方法，一次測量就可以獲得反映液體屬性的幅頻、相頻和電導特性曲線。

如圖3、4所示為雙核QCM的阻抗幅頻和相頻特性曲線，以參考QCM的幅頻和相頻特性曲線為對比，測量QCM在加上液體負載時，并沒有改變幅頻和相頻特性曲線的形狀，只是引起了曲線向諧振頻率下降的方向偏移，這些特性曲線反映了QCM傳感器在測量過程中的阻抗變化過程。

如圖5所示為雙核QCM的電導特性曲線，液體負載在測量QCM上表面形成的應力導致了石英晶片的頻率和半峰寬(如圖中Γ所示)都發(fā)生了變化，通過對電導特性曲線進行擬合，分析頻率和半峰寬的變化，可以得到加載物質的物理性能，如溶液的密度和粘度等屬性，同時還可以通過計算D＝2Γ/f得到耗散因子D，它是QCM檢測系統(tǒng)中反映由負載屬性引起振蕩耗散的重要參數(shù)之一。