一种桥式双核QCM传感器检测系统及其方法与流程

本发明属于传感器检测领域，具体涉及一种桥式双核QCM传感器检测系统及其方法。

背景技术：

石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance，QCM)是20世纪60年代发展起来的一种传感器测量技术，是物质检测领域的一个分支，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极高灵敏度的谐振式传感器，检测质量时精度可达纳克级。

QCM的测量原理是基于压电效应，晶体在外加交变电场时，会产生振荡，其振荡频率与石英晶体的固有频率一致时，便会出现共振。此时，若QCM的单面电极与待测物质接触，就会引起QCM谐振频率的改变，而且其谐振频率的变化与吸附在晶体表面的物质特性存在着某种线性关系。

1959年，Sauerbrey教授建立了石英晶体表面质量变化和频率变化的定量关系，即Sauerbrey方程，它表明对于真空或空气中石英晶体表面沉积的均匀刚性薄膜而言，石英晶体频率变化正比于其表面的质量变化，该方程奠定了QCM作为传感器应用的基础。

随着研究的不断深入，20世纪90年代以后，QCM在液相中也取得了广泛的应用。1985年，Kanazawa和Gordon解出了边界条件限制下剪切波在石英晶片和牛顿流体间的传播方程，这些响应关系的建立，从不同程度上加深了我们对QCM检测数据的理解。为了获取更多关于QCM谐振原理性的信息，科研工作者一方面就溶液的影响在理论和规律上作了探讨，提出了频率变化和溶液黏弹性、密度、电导率、介电常数等参数相关的公式，另一方面则对QCM硬件设备进行了优化改进；而且从电学、声学的原理发展了等效电路模型、流体力学模型、有限元法等方法。1992年，基于阻抗网络法的QCM检测模式被提出，在液相测量中，它能提供振荡阻抗、振荡频率、振幅和半峰宽等信息，从而实现了分离质量和溶液性质对检测参数的影响。与此同时，Kasemo和Hook实验室与Voinova等人合作，推导了Voight模型并提出耗散因子的概念(dissipation factor，ΔD)，用来研究粘弹性薄膜的能量耗散现象，并借助Voigt model开始尝试表征生物膜层的黏弹性特性，比如蛋白质、DNA单链以及杂交信息。1996年，Rodahl等利用Navier-Stokes方程得到了有关耗散因子变化与牛顿流体性质间关系的方程。这些研究与发现极大的推动了QCM作为传感器在各领域中的应用。

虽然，QCM测量技术在许多工程领域有着独特的优势和良好的前景，但其商业应用推广仍然面临着许多问题，其中之一就是受环境影响较大，尤其是温度，使其性能不能满足高精度测量的要求。目前已有的QCM检测系统中，大多采用单片晶体传感器结构，但是，单片传感器结构一次测量只能覆盖一种检测物质，或需要两次测量才能全面、准确地描述被检测物质，使用起来不方便。另外，在液相中使用QCM时，其振荡阻尼大，输出信号很微弱，有用信号经常淹没在背景噪声中，之前不显著的干扰因素都会影响QCM的测量精度，如果采用传统振荡电路的方法，不仅测得的信息量少，而且在大阻尼溶液里会发生停振现象。因此，如何实现QCM的驱动和信息采集，如何设计更加精确、合理的检测系统是QCM推广应用的关键问题之一。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种桥式双核QCM传感器检测系统及其方法，基于稳态响应测量法实现对双核QCM的串行阻抗、相位和电导等信息的测量，在提高测量精度的同时，简化测量操作过程。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种桥式双核QCM传感器检测系统，由信号驱动模块、QCM输入级模块、信号处理模块、高速模数转换ADC模块、FPGA模块、串口通信模块和上层PC机模块组成；

信号驱动模块，包括DDS信号发生器、低通滤波器和运算放大器，用于生成驱动QCM谐振的余弦信号，经过低通滤波器滤除高频干扰并放大到合适的幅值后，输入到QCM输入级模块以驱动QCM传感器；

QCM输入级模块，包括双核QCM传感器和缓冲放大器，用于将QCM传感器谐振时产生的电流信号经缓冲放大后转换成电压信号输出；

信号处理模块，用于从背景噪声中提取QCM信号，并将QCM输入级模块输出的电压信号转换成QCM串联谐振频率下的串行阻抗和导纳信息；

高速模数转换ADC模块，用于将包含QCM传感器谐振时产生的串行阻抗和导纳信息的模拟信号转换成数字量信号；

FPGA模块为底层核心控制模块，用于控制DDS信号发生器产生余弦信号、双核QCM传感器的相位检测、ADC转换的信息采集以及与上层PC机的通信；

串口通信模块用于FPGA模块和上层PC机之间的通信；

上层PC机为上层控制模块，用于DDS信号发生器的扫频控制、实时数据处理和结果显示。

一种桥式双核QCM传感器检测方法，包括以下检测步骤：

步骤1、通过FPGA模块向DDS信号发生器中写入频率控制字，控制信号发生器产生驱动QCM谐振的余弦信号，经过低通滤波和信号放大后，输入到QCM输入级模块，该输入信号为U_i＝U_Icos(ωt)，U_I为输入信号幅值，ω为角频率；

步骤2、QCM输入级模块将QCM产生的电流信号转换成电压信号，输出两路电压信号，其中参考QCM输出的电压信号为测量QCM产生的电压信号为

步骤3、通过FPGA中设置的相位检测模块，检测出参考QCM和测量QCM的相位和

步骤4、采用相关原理获得参考QCM和测量QCM两路信号的电压幅值U_A和U_B；

步骤5、将此时的谐振频率值和所获得的直流电压经模数转换ADC采集后发送给FPGA模块，得到该谐振频率值下参考QCM和测量QCM的阻抗幅频、相频和电导值；

步骤6、更改驱动信号频率，重复步骤1～5，使扫频范围为f₀±Δf,其中Δf的取值应使扫频范围包括QCM的谐振频率范围，构建不同频率值下参考QCM和测量QCM的阻抗幅频特性曲线、相频特性曲线和电导特性曲线。

与现有的检测系统和方法相比，本发明的显著优点在于：

(1)本发明提供了一种采用模拟和数字电路测量的双核QCM检测系统，测量精度高、速度快、操作简单，有利于集成和智能化发展；

(2)本发明采用直接数字频率合成(DDS)技术产生余弦信号来驱动QCM传感器，信号分辨率高、稳定性好，且测量大阻尼溶液时不会停振，使检测系统的适用范围更加广泛；

(3)本发明在测量QCM传感器的基础上，引入一个指标非常接近的谐振器做参考QCM，采用双核结构使得电路能够有效的抑制由于QCM传感器的温漂和时漂引起的误差；

(4)本发明的QCM输入级模块采用桥式电路结构，使干扰因素最小化，而且在一次频率扫描过程中就可以获得空载和负载状态下QCM传感器的阻抗和相位、电导变化等信息；

(5)本发明为一种稳态响应的测量方法，基于QCM的阻抗分析理论，不仅可以提供QCM传感器的谐振阻抗、半峰宽、谐振频率等，还可以提供耗散因子等参数。

附图说明

图1是本发明的桥式双核QCM传感器检测系统结构框图。

图2是本发明的桥式双核QCM传感器检测系统电路原理图。

图3是桥式双核QCM传感器检测系统中双核QCM的阻抗变化曲线图。

图4是桥式双核QCM传感器检测系统中双核QCM的相位变化曲线图。

图5是桥式双核QCM传感器检测系统中双核QCM的电导变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的一种桥式双核QCM传感器检测系统及其方法做进一步的详细说明。

结合图1、图2，本发明的一种桥式双核QCM传感器检测系统，由信号驱动模块、QCM输入级模块、信号处理模块、高速模数转换ADC模块、FPGA模块、串口通信模块和上层PC机模块组成；

信号驱动模块，包括DDS信号发生器、低通滤波器和运算放大器，用于生成驱动QCM谐振的余弦信号，经过低通滤波器滤除高频干扰并放大到合适的幅值后，输入到QCM输入级模块以驱动QCM传感器；

QCM输入级模块，包括双核QCM传感器和缓冲放大器，用于将QCM传感器谐振时产生的电流信号经缓冲放大后转换成电压信号输出；

信号处理模块，用于从背景噪声中提取QCM信号，并将QCM输入级模块输出的电压信号转换成QCM串联谐振频率下的串行阻抗和导纳信息；

高速模数转换ADC模块，用于将包含QCM传感器谐振时产生的串行阻抗和导纳信息的模拟信号转换成数字量信号；

FPGA模块为底层核心控制模块，用于控制DDS信号发生器产生余弦信号、双核QCM传感器的相位检测、ADC转换的信息采集以及与上层PC机的通信；

串口通信模块用于FPGA模块和上层PC机之间的通信；

上层PC机为上层控制模块，用于DDS信号发生器的扫频控制、实时数据处理和结果显示。

进一步的，QCM输入级模块采用桥式电路结构，双核QCM传感器分别为参考QCM和测量QCM，双核QCM传感器的输入端接信号驱动模块的输出端，其输出端口分别与第一电阻(R₁)和第二电阻(R₂)串联接地构成两路分压器，两路分压器的输出端口分别接有第一缓冲放大器和第二缓冲放大器。

进一步的，信号处理模块包括第一模拟乘法器、第二模拟乘法器、第一低通滤波器(LPF1)、第二低通滤波器(LPF2)、第一运算放大器(AMP1)和第二运算放大器(AMP2)；其中第一模拟乘法器、第一低通滤波器(LPF1)和第一运算放大器(AMP1)依次相连组成一路自相关电路；第二模拟乘法器、第二低通滤波器(LPF2)和第二运算放大器(AMP2)依次相连组成另一路自相关电路；通过自相关运算，将QCM输入级模块输出的电压信号转换成QCM的串行阻抗和导纳信息。

本发明还提供一种基于桥式双核QCM传感器检测系统的检测方法，包括以下检测步骤：

步骤1、通过FPGA模块向DDS信号发生器中写入频率控制字，控制信号发生器产生驱动QCM谐振的余弦信号，经过低通滤波和信号放大后，输入到QCM输入级模块，该输入信号为U_i＝U_Icos(ωt)，U_I为输入信号幅值，ω为角频率；

步骤2、QCM输入级模块将QCM产生的电流信号转换成电压信号，输出两路电压信号，其中参考QCM输出的电压信号为测量QCM产生的电压信号为

步骤3、通过FPGA中设置的相位检测模块，检测出参考QCM和测量QCM的相位和

步骤4、采用相关原理获得参考QCM和测量QCM两路信号的电压幅值U_A和U_B；

步骤5、将此时的谐振频率值和所获得的直流电压经模数转换ADC采集后发送给FPGA模块，得到该谐振频率值下参考QCM和测量QCM的阻抗幅频、相频和电导值；

步骤6、更改驱动信号频率，重复步骤1～5，使扫频范围为f₀±Δf，其中Δf的取值应使扫频范围包括QCM的谐振频率范围，构建不同频率值下参考QCM和测量QCM的阻抗幅频特性曲线、相频特性曲线和电导特性曲线。

进一步的，参考QCM和测量QCM两路信号的电压幅值U_A和U_B是通过自相关原理获得：

U_fA和U_fB分别为两路自相关电路输出的直流电压值，K_A和K_B分别为第一运算放大器(AMP1)和第二运算放大器(AMP2)的放大倍数，T为余弦驱动信号周期。

进一步的，所述电导特性曲线根据阻抗幅频特性曲线计算得到，它们之间的关系满足：若阻抗Z＝R+jX，导纳Y＝G+jB，则电导

进一步的，步骤5中根据基尔霍夫定律计算双核QCM的串行阻抗，并由阻抗与导纳的关系计算电导值：

式中，

Z_A和Z_B分别为参考QCM和测量QCM的阻抗，G_A和G_B分别为参考QCM和测量QCM的电导。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例

本实施例的一种桥式双核QCM检测系统具体电路原理如图2所示，包括信号驱动模块、QCM输入级模块、信号处理模块、高速模数转换ADC模块、FPGA模块、串口通信和上层PC机模块。

信号驱动模块由DDS信号发生器、低通滤波LPF3和运算放大器AMP3依次连接组成；QCM输入级模块由参考QCM和测量QCM分别与第一电阻R1和第二电阻R2串联接地构成桥式电路结构，双核QCM的输出分别接第一缓冲放大器Buffer1和第二缓冲放大器Buffer2；信号处理模块为两路自相关电路，其中第一模拟乘法器Multiply1、第一低通滤波器LPF1、第一运算放大器AMP1组成一路自相关电路；第二模拟乘法器Multiply2、第二低通滤波器LPF2、第二运算放大器AMP2组成另一路自相关电路。

本实施例所设计的检测系统测量原理为：通过FPGA模块向DDS信号发生器内写入频率控制字，生成一接近QCM串联谐振频率的驱动信号，输入到QCM输入级模块，驱动参考QCM和测量QCM工作于谐振状态；经缓冲放大后，将两路QCM输出信号输入到信号处理模块进行处理，同时通过FPGA检测两路信号此时的相位；然后，采用自相关原理实现QCM微弱有用信号的提取，获得两路包含QCM阻抗和导纳信息的直流电压U_A和U_B；经高速模数转换ADC采集两路模拟电压信号并转换成数字量信号后发送给FPGA，FPGA做必要的数据处理后将数据传送给PC机进行显示，至此便完成一次采集过程。取合适的步长在谐振频率附近进行扫描，获得谐振频率附近所有频率点上的信号值，将全部数据发送到PC机上实时绘制出双核QCM的阻抗、相位和电导等特性曲线。

信号驱动模块的主要功能是产生接近QCM谐振频率的扫频余弦信号。当已知石英晶片的谐振频率范围为5M±6000Hz时，首先控制DDS产生5MHz的余弦信号，经滤波和放大后，输入到QCM输入级模块驱动双核QCM谐振。设此时的驱动信号为U_i＝U_Icos(ωt)。然后再适当的扩大频率扫描步长，直到扫频范围包含QCM的谐振频率范围

测量时，将双核QCM接入桥式电路中，一个作参考QCM，一个作测量QCM，当测量QCM加载检测物时，此时的参考QCM相当于空载时的测量QCM。通过两个QCM的对比测量，一次检测就可反映出待测物质的性质。

QCM输入级模块将QCM谐振时产生的电流信号转换成电压信号输出，因为在桥式电路中所有器件均为线性，当输入信号为余弦信号时，输出电压信号为同频率的余弦。记此时参考QCM的输出电压为测量QCM的输出电压为

信号处理模块的功能是基于相关原理实现QCM谐振信息的获取，测量两QCM输出电压的幅值U_A和U_B，在硬件电路上可以通过乘法器、低通滤波器和放大器来实现。

通过自相关处理，可得

其中，K_A和K_B分别为第一运算放大器AMP1和第二运算放大器AMP2的放大倍数，则U_A和U_B的值为

为便于分析，将双核QCM的输入、输出写成向量实部形式

根据基尔霍夫定律计算双核QCM的串行阻抗

由阻抗与导纳的关系求得此时的电导为

其中，

由上述分析可知，由于参考QCM和测量QCM的相位和可以通过在FPGA中设置相位检测模块检测得到，串联电阻R₁和R₂为已知常量，此时，通过模数转换ADC采集两路电压信号U_fA和U_fB，就可根据基尔霍夫定律计算得到Z_A、Z_B、G_A和G_B在该谐振频率下的值。当改变驱动信号的频率，使驱动信号的扫频范围包括双核QCM的谐振频率范围时，便可得到阻抗幅频、相频和电导特性曲线。

以液体负载为例，参考QCM空载，在测量QCM上加载适量液体，采用本发明桥式双核QCM检测系统及其方法，一次测量就可以获得反映液体属性的幅频、相频和电导特性曲线。

如图3、4所示为双核QCM的阻抗幅频和相频特性曲线，以参考QCM的幅频和相频特性曲线为对比，测量QCM在加上液体负载时，并没有改变幅频和相频特性曲线的形状，只是引起了曲线向谐振频率下降的方向偏移，这些特性曲线反映了QCM传感器在测量过程中的阻抗变化过程。

如图5所示为双核QCM的电导特性曲线，液体负载在测量QCM上表面形成的应力导致了石英晶片的频率和半峰宽(如图中Γ所示)都发生了变化，通过对电导特性曲线进行拟合，分析频率和半峰宽的变化，可以得到加载物质的物理性能，如溶液的密度和粘度等属性，同时还可以通过计算D＝2Γ/f得到耗散因子D，它是QCM检测系统中反映由负载属性引起振荡耗散的重要参数之一。