作者：王久才 蔣海峰 趙 松 潘 可 張培仁 常 浩 王琪民  文章來源：電子技術(shù)應(yīng)用

    摘要：石英晶體微天平（QCM）信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量是影響其測量精度的重要因素。提出了一種QCM信號(hào)在線系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，給出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，并對系統(tǒng)電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

    QCM（Quartz Crystal Microbalance）是由AT切石英晶體片和鍍在其上下表面的金屬電極構(gòu)成的一種諧振式傳感器。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。QCM作為微質(zhì)量傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、振動(dòng)Q值大、靈敏度高、測量精度可以達(dá)到納克量級(jí)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理、生物、醫(yī)學(xué)和表面科學(xué)等領(lǐng)域中，用以進(jìn)行氣體、液體的成分分析以及微質(zhì)量的測量、薄膜厚度的檢測等。根據(jù)需要，還可以在金屬電極上有選擇地鍍膜，進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用。例如，若在電極表面加一層具有選擇性的吸附膜，可用來探測氣體的化學(xué)成分或監(jiān)測化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行情況。因傳感器等。隨著生物科學(xué)的蓬勃發(fā)展，QCM作為基因傳感器在生物領(lǐng)域的應(yīng)用有著廣闊前景。

    在國外，QCM在氣相中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，近幾年，對液相中的QCM應(yīng)用的研究也取得了很大進(jìn)步，并且已經(jīng)出現(xiàn)了很多商品化的產(chǎn)品，但是它們的價(jià)格非常昂貴。國內(nèi)的相關(guān)研究相對較少。本文提出了一種基于DSP的QCM信號(hào)在線采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由高頻信號(hào)發(fā)生器、QCM傳感器和信號(hào)采集處理部分組成，結(jié)構(gòu)簡單、成本低。借助DSP強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能，實(shí)現(xiàn)了在線測量，并且保證了較高的測量精度。

　　1 QCM測量原理

    石英是具有壓電性質(zhì)的物質(zhì)之一，當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定頻率時(shí)，石英晶片振幅會(huì)急劇增加，這就是壓電諧振。

    1959年Sauerbrey在假定外加持量均勻剛性地附著于QCM的金電極表面的條件下，得出了QCM的諧振頻率變化與外加質(zhì)量成正比的結(jié)論。即：

    式中，Δf為QCM諧振頻率的變化；f0o QCM的基頻；c66為石英的辰電強(qiáng)化剪切模量；pq為石英的密度：2.65lg/cm3；A為金電極的面積；Sf為傳感器的靈敏度；Δm為電極表面的質(zhì)量變化。通過（1）式可得到QCM電極表面的質(zhì)量變化。由于QCM的靈敏度很高，可以達(dá)到納克級(jí)，并且結(jié)構(gòu)簡單，因此一問世就得到了廣泛的應(yīng)用，如用于真實(shí)或空氣中膜的厚度檢測等。

    20世紀(jì)90年代以來，隨著研究的深入，QCM在液相中也取得了廣泛的應(yīng)用，主要用于生物、化學(xué)等領(lǐng)域的檢測中。1982年Monura和Okuhara最先提出了可以在液相中驅(qū)動(dòng)QCM振動(dòng)的電路，將QCM的應(yīng)用擴(kuò)大到了液相。1985年Kanazawa和Gordon推出了QCM在牛頓流體中振蕩時(shí)其諧振頻率變化與液體的粘度和密度的關(guān)系式，即：

    從式（1）、（2）可以看出，QCM諧振頻率的變化量Δf是關(guān)鍵的待測量。

　　2 系統(tǒng)方案

    目前驅(qū)動(dòng)QCM振動(dòng)并采集其輸出信號(hào)的方法主要有兩種：（1）振蕩電路法；（2）頻譜分析法。振蕩電路法的基本原理為：將QCM接入自激振蕩電路中，使其構(gòu)成選頻元件，電路的振蕩頻率等于QCM的諧振頻率。通過電路振蕩頻率的變化可得到QCM諧振頻率的變化，從而可推測出待測物質(zhì)性質(zhì)的變化。頻譜分析法的基本原理為：掃描QCM在其諧振頻率附近的一段頻率范圍內(nèi)的頻譜（幅頻和相頻特性），通過該頻譜可得到QCM的諧振頻率、Q值等參數(shù)。與振蕩電路的方法相比，頻譜分析的主要優(yōu)點(diǎn)有：在大阻尼介質(zhì)中不會(huì)停振、測量結(jié)果信息量大、形象直觀、計(jì)算解釋容易。本設(shè)計(jì)給出了一種基本頻譜分析法的QCM信號(hào)采集系統(tǒng)。

　　3 系統(tǒng)分析

    電路的正弦信號(hào)產(chǎn)生部分由直接數(shù)字信號(hào)合成（DDS）芯片、自動(dòng)增益控制（AGC）和運(yùn)放（AMP）等組成。DDS接收DSP的控制信號(hào)，產(chǎn)生頻率可控的正弦信號(hào)；AGC調(diào)整DDS的輸出信號(hào)，使其峰-峰值始終保持為一個(gè)已知的定值；AMP則完成信號(hào)的放大和阻抗轉(zhuǎn)換。由于信號(hào)產(chǎn)生部分增加了自動(dòng)增益控制使其產(chǎn)生的信號(hào)的信號(hào)的峰-峰值保持恒定，從而減少了待測信號(hào)的數(shù)目，簡化了測量和處理的過程。

    信號(hào)產(chǎn)生器部分產(chǎn)生的正弦信號(hào)作用在如圖2中所示的兩個(gè)反相比例電路上，反相比例電路的輸出信號(hào)包含QCM在相應(yīng)頻率下的等效阻抗的幅值和相角信息。根據(jù)反相比例電路虛地的原理，作用在QCM上的電壓始終保持為信號(hào)產(chǎn)生部分的輸出電壓與地之間的電壓差。采用這種結(jié)構(gòu)的好處是：（1）使作用在QCM上的電壓保持恒定，簡化了處理過程。（2）只通過一個(gè)反相比例電路的輸出信號(hào)