石英晶体微天平及检测方法与流程

本发明涉及传感器检测技术领域，具体而言，涉及一种石英晶体微天平及检测方法。

背景技术：

石英晶体微天平是一种非常灵敏的质量检测仪器，其测量精度可达纳克级，理论上可以测到的质量变化相当于单分子层或原子层的几分之一。

石英晶体微天平利用了石英晶体的压电效应，将石英晶体电极表面质量变化转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化，进而通过计算机等其他辅助设备获得高精度的数据。但是现有的石英晶体微天平及使用所述石英晶体微天平的检测方法测量精度仍显不足。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种石英晶体微天平及检测方法。

本发明实施例提供的一种石英晶体微天平，所述石英晶体微天平包括：

石英晶体；

与所述石英晶体感应连接的高频振荡器，所述高频振荡器用于采样所述石英晶体的振荡频率；

数据处理装置，所述数据处理装置包括：脉冲计数模块及频率计算模块；

所述脉冲计数模块，用于记录所述高频振荡器采样所述振荡频率得到的震荡波形以得到所述高频振荡器采样得到的震荡波形的脉冲数；

所述频率计算模块，用于根据所述脉冲数及所述高频振荡器的震动波形的周期计算得到所述石英晶体的振荡频率；

所述石英晶体微天平通过测量吸附待测物品前后所述石英晶体的振荡频率变化以得到所述待测物品的物质的量。

本发明实施例还提供一种检测方法，所述方法包括：

高频振荡器采样石英晶体吸附待测物品前后的振荡频率；

记录所述高频振荡器采样所述振荡频率得到的震荡波形以得到所述高频振荡器采样得到的震荡波形的脉冲数；

根据所述脉冲数及所述高频振荡器的震动波形的周期计算得到所述石英晶体的振荡频率；

根据测量得到的吸附待测物品前后的所述石英晶体的振荡频率变化以得到所述待测物品的物质的量。

与现有技术相比，本发明实施例的石英晶体微天平及检测方法，通过在所述石英晶体微天平中增加所述高频振荡器以采样所述石英晶体的震荡波形，再对记录所述高频振荡器的震动波形的周期计算得到所述石英晶体的振荡频率以进一步地计算待测试物品的物质的量，进一步地提高所述石英晶体微天平测量精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明较佳实施例提供的石英晶体微天平的方框示意图。

图2为本发明实施例提供的所述石英晶体微天平的高频振荡器采样得到的震荡波形示意图。

图3为本发明实施例提供的所述石英晶体微天平的时间数字转换模块的一实施方式的示意图。

图4为本发明实施例提供的所述石英晶体微天平的时间数字转换模块的另一实施方式的示意图。

图5为本发明实施例提供的所述石英晶体微天平的时间数字转换模块的再一实施方式的示意图。

图6为本发明另一实施例提供的所述石英晶体微天平的高频振荡器采样得到的震荡波形示意图。

图7为本发明另一实施例提供的所述石英晶体微天平的时间数字转换模块的一实施方式的示意图。

图8为本发明另一实施例提供的所述石英晶体微天平的时间数字转换模块的另一实施方式的示意图。

图9为本发明另一实施例提供的所述石英晶体微天平的时间数字转换模块的再一实施方式的示意图。

图10为本发明较佳实施例提供的检测方法的流程图。

图11为本发明较佳实施例提供的检测方法的步骤s103流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，图1示出了本发明较佳实施例提供的石英晶体微天平10的方框示意图。本发明实施例提供的一种石英晶体微天平10，所述石英晶体微天平10包括：石英晶体110、高频振荡器120及数据处理装置130。

所述石英晶体110吸附待检测物品后的振荡频率与所述石英晶体110的振荡频率不同。通过测试所述石英晶体110吸附待检测物品前后的振荡频率的变化可以计算得到所述待检测物品的物质的量和一些物理性能。所述物理性能可以包括待检测物品的薄膜厚度及粘弹性结构等。本实施例中，所述物质的量可包括分子原子等物的物质的量。

所述高频振荡器120与所述石英晶体110感应连接，所述高频振荡器120用于采样所述石英晶体的震荡波形。

所述数据处理装置包括：脉冲计数模块1301及频率计算模块1302。

所述脉冲计数模块1301，用于记录所述高频振荡器采样的波形以得到所述高频振荡器采样得到的脉冲数。

所述频率计算模块1302，用于根据所述脉冲数及所述高频振荡器的震动波形的周期计算得到所述石英晶体的振荡频率。

本实施例中，所述石英晶体微天平10通过测量吸附待测物品前后的所述石英晶体110的振荡频率变化以得到所述待测物品的物质的量。例如，所述石英晶体微振荡频率为5mhz，1hz的振荡频率变化相当于176ng/cm²的被吸附在所述石英晶体110的物质质量的变化(其中，被吸附在所述石英晶体110的物品的密度为1g/cm³)。例如，被吸附在所述石英晶体110的物品与所述石英晶体110的有效接触面积为55mm²，则吸附在所述石英晶体110的有效质量为88ng。

本实施例中，所述石英晶体微天平10的数据处理装置130还包括：时间数字转换模块1303，用于获取第一时间差及第二时间差。所述第一时间差为所述石英晶体的振荡频率对应的震荡波形的上升沿与所述高频振荡器的震荡波形的相邻上升沿的时间差；所述第二时间差为所述石英晶体的振荡频率对应的震荡波形的下降沿与所述高频振荡器的震荡波形的相邻上升沿的时间差。其中，所述高频振荡器的震荡波形的相邻上升沿是指在所述石英晶体的震荡波形的上升沿或下降沿之后出现的上升沿。

所述第一时间差为所述石英晶体的振荡频率对应的震荡波形的下降沿与所述高频振荡器的震荡波形的相邻上升沿的时间差；所述第二时间差为所述石英晶体的振荡频率对应的震荡波形的上升沿与所述高频振荡器的震荡波形的相邻上升沿的时间差。其中，所述高频振荡器的震荡波形的相邻上升沿是指在所述石英晶体的震荡波形的上升沿或下降沿之后出现的上升沿。

如图2所示，图2为本发明实施例提供的所述石英晶体微天平的高频振荡器120采样得到的震荡波形示意图。在一个实例中，所述高频振荡器120采集所述石英晶体110的震荡波形的半个周期的振荡信号涉及的脉冲个数为n。所述第一时间差可用δt1表示，所述第二时间差可用于δt2表示。本实例中，所述石英晶体110的振荡半周期t＝nt’+δt1-δt2；由此可计算得到所述石英晶体110的振荡频率f＝1/2t。其中，所述t’表示所述高频振荡器120采样得到的震荡波形的周期。

本实施例中，所述时间数字转换模块1303包括d触发器，所述d触发器根据所述石英晶体的震荡信号形成的开始信号及所述高频振荡器采样所述石英晶体的振荡频率形成的结束信号计算所述第一时间差及第二时间差。

所述d触发器是一个具有记忆功能的，具有两个稳定状态的信息存储器件时钟器件及高低，是构成多种时序电路的最基本逻辑单元，也是数字逻辑电路中一种重要的单元电路。

在一种实施方式中，所述时间数字转换模块包括多个d触发器。每个d触发器用于接收由所述石英晶体的震荡信号形成的开始信号的延时链，当该d触发器接收到所述高频振荡器采样所述石英晶体的振荡频率形成的结束信号输入时，所述石英晶体的震荡信号停止传输，该d触发器进行采样当前时刻参数并进行存储，根据每个d触发器采集到的时刻参数计算所述第一时间差及第二时间差。本实施方式中，所述d触发器包括延时单元的功能及d触发器锁存数据功能。如图3所示，图3示出了d触发器ff1、ff2、ff3、ff4、…、ffn，d触发器ff1、ff2、ff3、ff4、…、ffn分别用于接收所述石英晶体的震荡信号形成的开始信号及所述高频振荡器采样所述石英晶体的振荡形成的结束信号。

本实施例中，如图3所示的延迟线由一组延迟链t组成锁存链，该锁存链中包括多个d触发器ff1、ff2、ff3、ff4、…、ffn。本实施例中，所述锁存链由电平触发，时间间隔t’开始时，开始信号由低变高，为上升沿，然后这个上升沿在锁存链中以延时t传播，直到间隔结束，结束信号由高变低，所有的锁存链状态都被记录成q1…qn，通过分析q1…qn的0或1的二进制数值就可以计算出开始和结束信号的时间间隔以得到所述第一时间差及第二时间差。

通过使用所述d触发器计算所述第一时间差及第二时间差，能够提高计算所述第一时间差及第二时间差的精确度，从而提高所述石英晶体微天平10测量精度，详细地，本发明实施例中的频率测量精度可达0.025hz左右。

本实施例中，所述时间数字转换模块1303包括d触发器和延时单元；所述延时单元和d触发器根据所述石英晶体的震荡信号形成的开始信号及所述高频振荡器采样所述石英晶体的振荡频率形成的结束信号计算所述第一时间差及第二时间差。

在一种实施方式中，如图4所示，所述时间数字转换模块1303包括所述延时单元和多个d触发器。所述延时单元包括一个延迟时间t的单元，总是配合多个d触发器ff1、ff2、ff3、ff4、…、ffn，本实施方式中的d触发器由上升沿触发，时间间隔t开始时开始信号的上升沿在延迟线中传播，结束用结束信号的上升沿对d触发器进行采样以得到q1…qn，每个触发器的延时时间是一定的，通过分析q1…qn的0或1的二进制数值就可以计算出开始和结束信号的时间间隔以得到所述第一时间差及第二时间差。

本实施例中，所述时间数字转换模块1303包括延时单元和多个d触发器；所述延时单元用于接收所述接收由所述石英晶体的震荡信号形成的开始信号的延时链，当延时单元接收到所述高频振荡器采样所述石英晶体的振荡频率形成的结束信号输入时，所述石英晶体的震荡信号停止传输，对应位置的d触发器进行采样当前时刻参数并进行存储，根据每个d触发器采集到的时刻参数计算所述第一时间差及第二时间差。

在另一种实施方式中，如图5所示，本实施方式与图4所示的实施例类似，其不同之处在于，d触发器的时钟端(clock端)与数据端(d端)交换位置，相当于一个多相位的时钟从clock端对结束信号进行采样以得到q1…qn，通过分析q1…qn的0或1的二进制数值就可以计算出开始和结束信号的时间间隔以得到所述第一时间差及第二时间差。本实施方式总，在结束信号上升沿之后采样的d触发器输出高电平。

上述三种时间数字转换模块1303的实施方式仅仅为示意性的，并不对所述时间数字转换模块1303造成任何限制，本领域的技术人员还可以通过其它类似实施例实现所述时间数字转换模块1303。例如，所述时间数字转换模块1303可通过时间直接测量方法及时间间隔测量方法实现。所述时间直接测量方法可包括脉冲计数法、延迟时间内插法等。所述时间间隔测量方法可包括时间电压变换、游标时间内插法和脉冲宽度压缩时间内插法等。

本实施例中，所述延时单元通过逻辑门电路或全加器实现。

本发明实施例的石英晶体微天平，通过在所述石英晶体微天平中增加所述高频振荡器以采样所述石英晶体的震荡波形，再对记录所述高频振荡器的震动波形的周期计算得到所述石英晶体的振荡频率以进一步地计算待测试物品的物质的量，进一步地提高所述石英晶体微天平测量精度。

在其它实施例中，所述第一时间差为所述石英晶体的振荡频率对应的震荡波形的上升沿与所述高频振荡器的震荡波形的相邻下降沿的时间差；所述第二时间差为所述石英晶体的振荡频率对应的震荡波形的下降沿与所述高频振荡器的震荡波形的相邻下降沿的时间差。其中，所述高频振荡器的震荡波形的相邻下降沿是指在所述石英晶体的震荡波形的上升沿或下降沿之后出现的上升沿。或者，所述第一时间差为所述石英晶体的振荡频率对应的震荡波形的下降沿与所述高频振荡器的震荡波形的相邻下降沿的时间差；所述第二时间差为所述石英晶体的振荡频率对应的震荡波形的上升沿与所述高频振荡器的震荡波形的相邻下降沿的时间差。其中，所述高频振荡器的震荡波形的相邻下降沿是指在所述石英晶体的震荡波形的上升沿或下降沿之后出现的上升沿。

如图6所示，图6为本发明实施例提供的所述石英晶体微天平的高频振荡器120采样得到的震荡波形示意图。在一个实例中，所述高频振荡器120采集所述石英晶体110的震荡波形的半个周期的振荡信号涉及的脉冲个数为n。所述第一时间差可用δt1表示，所述第二时间差可用于δt2表示。本实例中，所述石英晶体110的振荡半周期t＝nt’+δt1-δt2；由此可计算得到所述石英晶体110的振荡频率f＝1/2t。其中，所述t’表示所述高频振荡器120采样得到的震荡波形的周期。

本实施例中，所述第一时间差及第二时间差可以由图7所示的由多个d触发器组成的时间数字转换模块计算得到。图7所述的时间数字转换模块与图3所示的时间数字转换模块类似，其不同之处在于，图7中的开始信号与所述结束信号的连接位置交换以使。

本实施例中，所述第一时间差及第二时间差可以由图8-9所示的由延时单元和多个d触发器组成的时间数字转换模块计算得到。图8所述的时间数字转换模块与图4所示的时间数字转换模块类似，其不同之处在于，图8中的开始信号与所述结束信号的连接位置交换。图9所述的时间数字转换模块与图5所示的时间数字转换模块类似，其不同之处在于，图9中的开始信号与所述结束信号的连接位置交换。

关于本实施例中的时间数字转换模块计算所述第一时间差及第二时间差的过程可以参考上述实施例中的描述，在此不再赘述。

本发明实施例提高一种检测方法，如图10所示，所述方法包括以下步骤。

步骤s101，高频振荡器采样所述石英晶体吸附待测物品前后的振荡频率。

步骤s102，记录所述高频振荡器采样所述振荡频率得到的震荡波形以得到所述高频振荡器采样得到的震荡波形的脉冲数。

步骤s103，根据所述脉冲数及所述高频振荡器的震动波形的周期计算得到所述石英晶体的振荡频率。

步骤s104，根据测量得到的吸附待测物品前后的所述石英晶体的振荡频率变化以得到所述待测物品的物质的量。

在一种实施方式中，如图11所示，所述步骤s103包括步骤s1031及步骤s1032。

步骤s1031，获取第一时间差及第二时间差。

在一种实施方式中，所述第一时间差为所述石英晶体的振荡频率对应的震荡波形的上升沿与所述高频振荡器的震荡波形的相邻上升沿的时间差；所述第二时间差为所述石英晶体的振荡频率对应的震荡波形的下降沿与所述高频振荡器的震荡波形的相邻上升沿的时间差。

在另一种实施方式中，所述第一时间差为所述石英晶体的振荡频率对应的震荡波形的下降沿与所述高频振荡器的震荡波形的相邻上升沿的时间差；所述第二时间差为所述石英晶体的振荡频率对应的震荡波形的上升沿与所述高频振荡器的震荡波形的相邻上升沿的时间差。

在另一种实施方式中，所述第一时间差为所述石英晶体的振荡频率对应的震荡波形的上升沿与所述高频振荡器的震荡波形的相邻下降沿的时间差；所述第二时间差为所述石英晶体的振荡频率对应的震荡波形的下降沿与所述高频振荡器的震荡波形的相邻下降沿的时间差。

在另一种实施方式中，所述第一时间差为所述石英晶体的振荡频率对应的震荡波形的下降沿与所述高频振荡器的震荡波形的相邻下降沿的时间差；所述第二时间差为所述石英晶体的振荡频率对应的震荡波形的上升沿与所述高频振荡器的震荡波形的相邻下降沿的时间差。

所述步骤s1031包括：通过d触发器根据所述石英晶体的震荡信号形成的开始信号及所述高频振荡器采样所述石英晶体的振荡频率形成的结束信号计算所述第一时间差及第二时间差。

步骤s1032，根据所述脉冲数、所述高频振荡器的震动波形的周期、所述第一时间差及第二时间差计算得到所述石英晶体的振荡频率。

在一种实施方式中，本实施例中的方法可以应用于上述实施例中的石英晶体微天平。在其它实施例中，本实施例中的方法也可以用于测试一些微物品的物理性质。

本发明实施例的检测方法，通过在所述石英晶体微天平中增加所述高频振荡器以采样所述石英晶体的震荡波形，再对记录所述高频振荡器的震动波形的周期计算得到所述石英晶体的振荡频率以进一步地计算待测试物品的物质的量，进一步地提高所述石英晶体微天平测量精度。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。