CN100458425C - 特高频双晶振混频式气体传感单元 - Google Patents

Abstract

本发明属传感器技术领域，具体为一种特高频双晶振混频式气体传感单元。它由两个晶体振荡器A和B、串联双二极管平衡混频器、检波及放大器、整形放大器经电路连接组成。其中，晶体振荡器A和B的两个晶振片的频率在30-60MHz之间，并具有相同的频点，其上涂敷有对某特定气体敏感的敏感膜，它们工作于晶振片的串联谐振频率fs和并联谐振频率fp之间。气体传感单元检测灵敏度高，对气体吸附选择性强，可广泛应用于特定气体的检测。

Description

特高频双晶振混频式气体传感单元

技术领域

本发明属传感器技术领域，具体涉及一种特高频双晶振混频式气体传感单元。

背景技术

应用石英谐振器的质量负荷效应而改变谐振器的输出频率来达到间接地检测气体浓度的方法，是一个经典有效的方法。该方法所使用的石英谐振器的谐振频率通常都在10MHz的高频或甚高频的频段。由于谐振频率较低，引起气体检测灵敏度也就较低。另外当被测气体为极性较强的有机气体时，由于气体的解吸问题，使敏感膜不能多次重复使用。还有气体敏感膜的物理吸附选择性较差(无论是无机材料膜还是有机的高分子材料膜)，往往是存在同一种敏感膜会同时对两种以上的气体相应，这样使得QCM气体检测方法推广使用构成较多的障碍。

发明内容

本发明的目的在于提供一种检测灵敏度高、对气体吸附选择性强的气体传感单元。

本发明提出的气体传感单元，由两个晶体振荡器A和B、串联双二极管平衡混频器1、检波及放大器2和整形放大器3经电路连接组成，其结构框图如图1所示。其中，晶体振荡器A和B的两个晶体谐振片的频率在30MHz～60MHz范围，并具有相同频点，其上涂敷有对某特定气体敏感的敏感膜，它们工作于fs到fp之间，这fs为晶体谐振片的串联谐振频率，fp为并联谐振频率。其电路见图2所示。

上述传感单元中，其余模块包括串联双二极管平衡混频器1，检波及放大器2和整形放大器3都可采用通常的电路结构形式。

由于本发明采用两个晶体振荡器A、B，其晶体谐振片的频率在30MHz～60MHz，属于特高频段。因此，称该两个电路为特高频晶体振荡电路，称本发明为特高频双晶振混频式(QCM)气体传感器。

本发明的工作原理如下：晶体振荡电路A、B分别输出频率信号ω_A和ω_B，进入串联式双二极管平衡混频器1，经混频器1后输出ω_A和ω_B的混频调制波，进入检波及放大器2，滤除了信号ω_A和ω_A+ω_B(和频部分)，只剩下一个与特定气体浓度成正比关系的ω_A-ω_B低频信号，从而实现间接检测该特定气体浓度的目的。即该信号进入后续的数据采样和处理系统，完成对该气体的检测(显示出气体种类和浓度)。

本发明与已有方法不同之处是利用两片频率范围在30MHz～60MHz的特高频并具有相同频点的石英谐振片，使它们工作于fs～fp之间的狭小范围，此时晶振片的电抗频率特性曲线呈电感性，我们把此时的晶振片的工作状态等效为“电感元件”，而此时的振荡电路称为并联特高频交流振荡电路。因此，对气体检测的灵敏度大大提高，而且气体敏感膜的物理吸附选择性也大大增强。本发明中的晶体振荡片上涂敷何种气体敏感膜，可根据被检测气体的需要而选定。该敏感膜材料通常采用分子筛、活性炭、活性氧化铝等，并经过一定的工艺修饰，以形成不同规格(不同孔径、不同比表面积)的气体敏感膜，这些都是已有技术，不属本发明讨论的范围。

附图说明

图1为本发明传感单元的结构框图。

图2为本发明中特高频晶体振荡电路。

图3为特高频晶体振荡电路中晶体谐振片等效为一个电感元件，其频率f₀的位置图示，正好落在fs和fp之间。

图4为本发明中串联双二极管平衡混频器电路。

图5为本发明中检波及放大器电路。

图6为本发明中的整形放大器电路。

图中标号：1为串联双二极管平衡混频器，2为检波及放大器，3为整形放大器。

具体实施方式

下面结合实施例和附图进一步描述本发明。

特高频晶体振荡器A和B的电路如图2所示，它是一个典型的皮尔斯振荡电路。它由变压器T₁、晶体谐振片(简称晶振)Q、三极管G₁以及电阻R₁、R₂、R₃、R₄以及电容C₁、C₂、C₃和C₄经电路连接组成。电阻R₁与R₂并联，一端接变压器T₁次级线圈上端，另一端接三极管G₁基极；电阻R₃一端接G₁基极，另一端接地；电阻R₄一端接G₁发射极，另一端接地；电容C₁一端接G₁基极，另一端接地；电容C₂接G₁发射极，另一端接地；电容C₃一端接晶振Q，另一端接变压器T₁次级线圈下端；电容C₄一端接晶体管集电极，另一端接地；晶振Q一端接C₃，另一端接G₁基极；G₁集电极与T₁次级线圈下端相连；T₁初级线圈上端接地，下端接至混频器1。作为一个例子，晶体谐振片Q的频率为39MHz，三极管G₁选用9018，电阻R₁为15k，R₂为10k，R₃为8.2k，R₄为390k，电容C₁为650P，C₂为680P，C₃为6.8P。该图中，39MH晶振片等效为一个“电感元件”，其频率f₀落在fs和fp之间，见图3所示。当晶振片的频率f₀在fp附近时，晶振片才具有真正意义上的并联谐振回路特性，也就是呈现出较高的感性阻抗。为保证电路正常起振，而且相位特性的变化率可以很大，有利于谐振频的高稳定性，要求电容C₃取值较小。

串联双二极管平衡混频器1的电原理图如图4所示，由变压器T₂、二极管D₁和D₂、电位器R₅，电阻R₆和R₇经电路连接构成。其中，电位器R₅一端接D₁正极，另一端接D₂负极，移动点接输出端子，电阻R₆一端接D₁正极，另一端接输出端子，电阻R₇一端接D₂负极，另一端接输出端子，二极管D₁负极接变压器T₂次级线圈左端，二极管D₂正极接T₂次级线圈右端，T₂次级线圈中心抽头接ω_A输入，T₂初级线圈一端接地，另一端接ω_B输入。作为一个例子，其R₅为1k，R6为12.7Ω，R7为12.7Ω。该混频器电路为一个变形的二极管平衡混频器，其特点是不需要平衡良好的有中心抽头的特高频变压器，这样可以使得电路结构及工艺简化，其中的电位器R5是为了调节平衡。该混频器具有以下优点：①动态范围大。因为输入的信号ω_A和ω_B只受到二极管D₁和D₂反相击穿电压的限制，因此可以承受变化范围很大的混频信号电压。②混频器的线性好。在理想状态下二极管导通时其电阻是接近于零的常数，而不是非线性电阻，使得非线性干扰大大减少，于是敏感气体浓度的线性度大大提高。③噪声小。该混频器为无增益的二极管混频器，二极管本身的噪声十分小，并在理想的开关状态下工作，其导通电阻为接近于零的某一值，即使是在非理想状态下，其导通电阻也不大，结果混频器的噪声就十分的小。

电路工作过程如下，图4中两只二极管D₁和D₂的参数完全对称，它们具有平方律的i～V特性，混频器输出的信号只有上下边带ω_A±ω_B和采样信号ω_B，可以看出ω_A+ω_B≈2ω_B，因此上边带ω_A+ω_B和ω_B均可以用滤波器滤除，在电路输出端再加上检波电路将ω_A-ω_B检出。也就是说混频器输出信号就像以气体敏感的采样信号作为载频的调幅波，因为两个特高频晶体振荡器使用的晶振片的固有频率相同，即使受到气体分子附着引起的质量负荷效应而发生频率改变也不会很大，所以气体敏感的采样信号ω_B和本征频率ω_A相差不大，当然上边带ω_A+ω_B≈2ω_B，而下边带ω_A-ω_B就落在了高频的范围，于是用高频检波器和高频滤波器，高频放大器就可以对输出的差频ω_A-ω_B进行有效地处理及采样，得到我们需要的随气体浓度敏感的频率信号ω_A-ω_B。

检波及放大器电路2如图5所示，是一个检波及放大器的实用电路图。由二极管D₃、场效应管放大器M、电阻R₈、R₉、R₁₀、R₁₁、R₁₂、R₁₃以及电容C₅、C₆、C₇、C₈、C₉经电路连接构成；其中，电阻R₈一端接D₃负极，另一端接地；电阻R₉一端接D₃负极，另一端接地；电阻R₁₀一端接M源极，另一端接地；电阻R₁₁一端接M漏极，另一端接R₁₂；电阻R₁₂一端接R₁₁，另一端接+12V电压；电阻R₁₃一端接M栅极，另一端接地；电容C₅一端接D₃负极，电容C₆一端接D₃负极；另一端接地；电容C₇正极接D₃负极，负极接M栅极；电容C₈正极接M漏极；C₉一端接M源极，另一端接地。作为例子，其中R₈和R₉取15k，R₁₀取1k，R₁₁取2.2k，R₁₂取390Ω，R₁₃取1MΩ，C₅和C₆取6800pF。D₃为检波二极管，在检波电路中，可以完成对气体敏感的(ω_A-ω_B)的频率信号的检出。R₁₀∥R₈为检波器负载，C₅∥C₆为特高频ω_A及(ω_A+ω_B)的滤波电容。因为该检波放大器输出的低频信号其幅度较小，必须经电容C₇耦合到具有高输入阻抗的场效应管放大器M进行电压放大，被放大后的信号电压作为触发信号，输出到脉冲整形电路。

脉冲整形电路3如图6所示。该整形电路是一个典型的射极耦合双稳态电路。由三极管G₂、G₃，电容C₁₀、C₁₁，电阻R₁₄～R₂₀，电位器R₂₁，经电路连接构成；其中，R₁₄一端接R₂₁移动点，另一端接G2基极；R15一端接+12V电压，另一端接R21；R16一端接+12V电压，另一端接G₂集电极；R₁₇一端接G₂集电极，另一端接G₃基极；R₁₈一端接G₂发射极，另一端接R₁₉；R₁₉一端接G₃基极，另一端接R₁₈；R₂₀一端接+12V电压，另一端接G₃集电极；R₂₁一端接R₁₅，另一端接R₁₈、R₁₉，移动点接R₁₄；C₁₀负极接G₂基极；C₁₁一端接G₂集电极，另一端接G₃基极；G₂基极接C₁₀负极，集电极接R₁₆，发射极接R₁₈；G₃基极接R₁₉，集电极接R₂₀，发射极接G₂发射极。作为一个例子，该电路中C₁₀取4.7μ，C₁₁取300p，G₂和G₃采用9011，R₁₄为3k，R₁₅为3.9k，R₁₆为12k，R₁₇为5.1k，R₁₈为220Ω，R₁₉为10k，R₂₀为1k，R₂₁为2k。为了使双稳态电路反转的回差电压，特加入一个电位器R₂₁，通过调节R21可使动作电压和释放电压大小接近，从而使回差减少，保证脉冲的稳定。

Claims (5)

1、一种特高频双晶振混频式气体传感单元，其特征在于由两个晶体振荡器A和B、串联双二极管平衡混频器(1)、检波及放大器(2)和整形放大器(3)经电路连接组成，其中，晶体振荡器A和B的两个晶体谐振片的频率在30MHz～60MHz范围，并具有相同频点，其上涂敷有对某特定气体敏感的敏感膜，它们工作于fs到fp之间，这fs为晶体谐振片的串联谐振频率，fp为并联谐振频率。

2、根据权利要求1所述的气体传感单元，其特征在于所述晶体振荡器A和B是一个皮尔斯振荡电路，由变压器T₁、晶振Q、三极管G₁、电阻R₁、R₂、R₃、R₄以及电容C₁、C₂、C₃和C₄经电路连接组成；电阻R₁与R₂并联，一端接变压器T₁次级线圈上端，另一端接三极管G₁基极；电阻R₃一端接G₁基极，另一端接地；电阻R₄一端接G₁发射极，另一端接地；电容C₁一端接G₁基极，另一端接地；电容C₂接G₁发射极，另一端接地；电容C₃一端接晶振Q，另一端接变压器T₁次级线圈下端；电容C₄一端接晶体管集电极，另一端接地；晶振Q一端接C₃，另一端接G₁基极；G₁集电极与T₁次级线圈下端相连；T₁初级线圈上端接地，下端接至混频器(1)。

3、根据权利要求1所述的气体传感单元，其特征在于串联双二极管平衡混频器(1)为一个变形的二极管平衡混频器，由变压器T₂、二极管D₁和D₂、电位器R₅，电阻R₆和R₇经电路连接构成，其中，电位器R₅一端接D₁正极，另一端接D₂负极，移动点接输出端子，电阻R₆一端接D₁正极，另一端接输出端子，电阻R₇一端接D₂负极，另一端接输出端子，二极管D₁负极接变压器T₂次级线圈左端，二极管D₂正极接T₂次级线圈右端，T₂次级线圈中心抽头接ω_A输入，T₂初级线圈一端接地，另一端接ω_B输入。

4、根据权利要求1所述的气体传感单元，其特征在于检波和放大器(2)由二极管D₃、场效应管放大器M、电阻R₈、R₉、R₁₀、R₁₁、R₁₂、R₁₃以及电容C₅、C₆、C₇、C₈、C₉经电路连接构成；其中，电阻R₈一端接D₃负极，另一端接地；电阻R₉一端接D₃负极，另一端接地；电阻R₁₀一端接M源极，另一端接地；电阻R₁₁一端接M漏极，另一端接R₁₂；电阻R₁₂一端接R₁₁，另一端接+12V电压；电阻R₁₃一端接M栅极，另一端接地；电容C₅一端接D₃负极，电容C₆一端接D₃负极，电容C₅和C₆的另一端接地；电容C₇正极接D₃负极，负极接M栅极；电容C₈正极接M漏极；C₉一端接M源极，另一端接地。

5、根据权利要求1所述的气体传感单元，其特征在于整形放大器(3)采用典型的射极耦合双稳电路，由三极管G₂、G₃，电容C₁₀、C₁₁，电阻R₁₄～R₂₀，电位器R₂₁，经电路连接构成；其中，R₁₄一端接R₂₁移动点，另一端接G₂基极；R₁₅一端接+12V电压，另一端接R₂₁；R₁₆一端接+12V电压，另一端接G₂集电极；R₁₇一端接G₂集电极，另一端接G₃基极；R₁₈一端接G₂发射极，另一端接R₁₉；R₁₉一端接G₃基极，另一端接R₁₈；R₂₀一端接+12V电压，另一端接G₃集电极；R₂₁一端接R₁₅，另一端接R₁₈、R₁₉，移动点接R₁₄；C₁₀负极接G₂基极；C₁₁一端接G₂集电极，另一端接G₃基极；G₂基极接C₁₀负极，集电极接R₁₆，发射极接R₁₈；G₃基极接R₁₉，集电极接R₂₀，发射极接G₂发射极。

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