[实用新型]基于数字频率合成的三倍频QCM电路系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及三倍频QCM电路系统，特别涉及一种基于数字频率合成的三倍频QCM电路系统。

背景技术

目前，石英微量天平主要用于测量分子污染、液体密度等，所采用的振荡电路基本为传统的经典振荡电路形式，主要为电容三点式振荡电路，其主要缺点为电路谐振范围较窄(几千赫兹)，并且对石英晶体Q值要求较高(当Q值较低时不能正常起振)，因此导致测量范围窄。

石英晶体微天平(QCM)是一种对界面变化敏感的传感器，它对界面质量变化的敏感程度达纳克级，因此它已经在物理、化学、生物学、药物学、临床医学、环境科学等学科的界面问题研究中得到一定的应用，成为科研工作者广泛关注和重视的新型传感和测量方法。

原理是利用石英晶体的逆压电效应，石英晶体在交变电场下会产生一定频率的振动，这种振动与晶体的质量有关；若晶体表面有物质吸附，质量的改变会使振动频率发生改变，产生频移。QCM传感器作为一种高灵敏度、高稳定度、响应快、价格低的传感器件已经在众多领域得以应用。QCM在检测中的应用主要分为在气相中的应用和在液相中的应用，其测量机理主要是：由于石英晶体的谐振特性会随着其表面物质的质量变化而变化，因此，通过检测其谐振特性的变化就可以分析出表面质量的变化情况。而质量的变化可能是由物理、化学以及生物反应所导致的。在生化检测中，为了完成对被检测物的测量，通常在晶体的电极表面镀上能与被检测物反应的敏感膜，由此，生化反应的情况就可以通过分析晶体谐振特性的变化而得到。

现有的QCM都是采用单晶体作为传感器，通过在其上镀金引出电极。为了测量晶体的谐振特性，常用的方法有三种，即振荡电路法、阻抗分析法和衰减分析法。振荡电路法是普遍采用的方法，具有价格低、集成度高、分辨率高和反应快的特点；阻抗分析法可以提供更完全的信息，但通常局限于实验室环境，价格高且体积较大；脉冲激励的衰减分析法具有不受电路影响的特点，具有较高的精度。

然而，QCM在应用中面临的最大问题之一是受环境影响较大，尤其是温度，虽然采用AT-切割的晶体可以即将地温度的敏感性，但其性能仍然不能满足高精度测量的要求。另一个问题是在溶液环境中，QCM频率响应不仅依赖于表面与分析物相互作用引起的质量变化，同时与周围溶液的作用密不可分。简单地说，同晶片一起振动的物质的质量增加会引起频率的下降，但是振动物质的粘弹性变大则表现为频率的上升，因此，QCM数据定量分析的复杂性造成迄今为止液相QCM的推广应用。

随着对检测精度要求的提高，为了克服电极表面粗糙度、多孔性、液体压力和温度、溶液粘度和密度和液体电导等因素对测量精度的影响，出现了通过提高振荡频率以提高测量精度的谐波测量法和通过多通道对比测量的多晶体测量法。其中多通道构成主要有2种方法，即在单晶体上构造多个测量能道和多晶体构成传感器阵列。基于单晶体结构多通道使加工工艺复杂，且多通道之间相互影响，因此多晶体构造传感器阵列的方法，除可以有效克服环境因素的影响外，还可以通过在不同晶体表面镀不同敏感膜完成对被分析物的多角度测量或对某物质所含各种成分的一次性检出或测量是未来发展趋势。

因此，如何解决使用带通滤波器时，大阻尼条件下石英晶振停振的问题极为重要。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种基于数字频率合成的三倍频QCM电路系统，包括由控制器、数字频率合成器、石英晶振、负载电阻以及电压、电流采样及相位差测量电路依次串联构成的回路；

所述三倍频QCM电路系统还包括多通道切换开关，所述数字频率合成器通过模拟开关分时驱动四路石英晶振，每一路石英晶振具有独立的负载电路回路，并将石英晶振的电压电流信号通过单独的采样、调理电路输入给控制器；控制器分时复用的测量不同通道的谐振频率。

优选地，所述数字频率合成器中选用数字频率合成芯片AD9854，所述数字频率合成芯片AD9854由有源晶振U3(125MHz)提供始终基准。

优选地，所述电压、电流采样及相位差测量电路选用相位差测量芯片AD8302，所述电压、电流采样及相位差测量电路还包括电流、电压采集电路，用于对电流、电压进行采样并比较相位差；石英晶振和负载电阻两端的电压分别输入相位差测量芯片AD8302的两个通道，所述相位差测量芯片AD8302的输出电压正比于石英晶振和负载电阻两端的电压相位差；当输出电压为0时，则石英晶振振荡在其串联谐振频率上。

优选地，所述石英晶振的谐振频率为三阶谐振频率；所述三阶谐振频率为15MHz。