CN102497164A - 一种适合微小颗粒测量的qcm自适应宽频振荡系统 - Google Patents

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崔阳
陈光锋
柴高洁
徐晓东
雷军刚
陆登柏
高青松
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Abstract

本发明公开了一种适合微小颗粒测量的QCM自适应宽频振荡系统，属于航空航天技术领域。所述系统包括：QCM石英晶体、起振单元、射随输出单元、滤波隔离输出单元和电源；其中，QCM石英晶体与起振单元连接，起振单元与射随输出单元连接，射随输出单元与滤波隔离输出单元连接，电源与起振单元连接。该系统克服了传统石英晶体振荡电路的缺点，能够实现宽频振荡，并且在石英晶体Q值极低的情况下起振，并且在较宽的测量范围内自动工作，不需要人工调节电路参数，可实现自适应宽频测量。

Description

一种适合微小颗粒测量的QCM自适应宽频振荡系统
技术领域
本发明涉及一种适合微小颗粒测量的石英晶体(QCM)自适应宽频振荡系统，属于航空航天技术领域。
背景技术
目前，石英微量天平在地面得到广泛的应用，主要用于测量分子污染、液体密度等，所采用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。在实际应用中为了克服以上缺点，需要手动对振荡电路参数进行调节，使之在不同测量环境下能够正常工作，以满足实际测量需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适合微小颗粒测量的QCM自适应宽频振荡系统，所述系统克服了传统石英晶体振荡电路的缺点，能够实现宽频振荡，并且在石英晶体Q值极低的情况下起振，并且在较宽的测量范围内自动工作，不需要人工调节系统参数，可实现自适应宽频测量。
本发明的目的由以下技术方案实现：
一种适合微小颗粒测量的QCM自适应宽频振荡系统，包括：QCM石英晶体、起振单元、射随输出单元、滤波隔离输出单元和电源；
QCM石英晶体与起振单元连接，起振单元与射随输出单元连接，射随输出单元与滤波隔离输出单元连接，电源与起振单元连接。
QCM石英晶体为10MHz晶振，实现质量信息敏感；使用时，QCM石英晶体表面涂覆一层真空脂材料Apezion，当涂覆真空脂材料Apezion之后石英晶体标称谐振频率下降约20kHz；
起振单元包括起振晶体管和等效LC振荡回路，起振单元和QCM石英晶体共同构成振荡回路；
射随输出单元包括射随放大电路，对振荡信号进行跟随和隔离；
滤波隔离输出单元包括隔离变压器、电容器和驱动晶体管，对前级产生的信号进行滤波隔离；
所述起振晶体管型号为2N3700，驱动晶体管型号为3DG112C。
工作流程：
(1)系统上电；
(2)QCM石英晶体处于串联谐振状态，和起振单元共同构成振荡回路，产生稳定的谐振频率信号，传给射随输出单元；
(3)射随输出单元对信号进行跟随和隔离后，传给滤波隔离输出单元；
(4)滤波隔离输出单元输出的信号即为初始谐振频率值；
(5)将QCM石英晶体表面涂覆一层真空脂材料Apezion，涂覆过程中观察滤波隔离输出单元输出谐振频率的变化情况，当涂覆真空脂材料Apezion之后石英晶体标称谐振频率下降20kHz时，停止涂覆，此时，颗粒开始在涂覆的表面沉积；
(6)颗粒沉积过程中，滤波隔离输出单元输出频率的变化量表示颗粒的沉积量的变化，由此计算颗粒在涂覆表面的沉积量。
有益效果
本发明克服了传统石英晶体振荡电路的缺点，能够实现宽频振荡，并且在石英晶体Q值极低的情况下起振，并且在较宽的测量范围内自动工作，不需要人工调节系统参数，因此可实现自适应宽频测量。本发明所述系统尘埃测量灵敏度优于5×10-7g/cm2，测量范围为(5×10-7～1×10-4)g/cm2。
附图说明
图1为本发明的一种适合微小颗粒测量的QCM自适应宽频振荡系统流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来详述本发明，但不限于此。
实施例1
如图1所示，一种适合微小颗粒测量的QCM自适应宽频振荡系统，包括：QCM石英晶体、起振单元、射随输出单元、滤波隔离输出单元和电源；
QCM石英晶体与起振单元连接，起振单元与射随输出单元连接，射随输出单元与滤波隔离输出单元连接，电源与起振单元连接。
QCM石英晶体为10MHz晶振，实现质量信息敏感；使用时，QCM石英晶体表面涂覆一层真空脂材料Apezion，当涂覆真空脂材料Apezion之后石英晶体标称谐振频率下降约20kHz；
起振单元包括起振晶体管和等效LC振荡回路，和QCM石英晶体共同构成振荡回路；
射随输出单元包括射随放大电路，对振荡信号进行跟随和隔离；
滤波隔离输出单元包括隔离变压器、电容器和驱动晶体管，对前级产生的信号进行滤波隔离；
所述起振晶体管型号为2N3700，驱动晶体管型号为3DG112C，电源由7812构成，共模电感约2mH。
工作流程：
(1)系统上电；
(2)QCM石英晶体处于串联谐振状态，和起振单元共同构成振荡回路，产生稳定的谐振频率信号，传给射随输出单元；
(3)射随输出单元对信号进行跟随和隔离后，传给滤波隔离输出单元；
(4)滤波隔离输出单元输出的信号即为初始谐振频率值；
(5)为了使被检测颗粒依附于QCM晶体表面，将QCM石英晶体表面涂覆一层真空脂材料Apezion，涂覆过程中观察滤波隔离输出单元输出谐振频率的变化情况，当涂覆真空脂材料Apezion之后石英晶体标称谐振频率下降20kHz时，停止涂覆；此时，颗粒开始在涂覆的表面沉积；
(6)颗粒沉积过程中，滤波隔离输出单元输出频率的变化量表示颗粒的沉积量的变化，由此计算颗粒在涂覆表面的沉积量。
晶体的谐振频率可表示为
f = 1 2 π L q C q
Lq表示晶体的动态电感，Cq表示晶体的动态电容。可见晶体的谐振频率由其动态电感和动态电容决定。当被检测颗粒附着在QCM晶体上后，其质量变化等效为晶体动态电感的改变，颗粒的附着度等效为晶体的动态电容变化，从而改变了晶体的谐振点。由晶体管2N3700构成的起振单元，自动捕捉到晶体的谐振点，并维持振荡。并将信号传给射随输出单元，再提供给滤波隔离输出单元。
本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种适合微小颗粒测量的QCM自适应宽频振荡系统，其特征在于：所述系统包括：QCM石英晶体、起振单元、射随输出单元、滤波隔离输出单元和电源；
QCM石英晶体与起振单元连接，起振单元与射随输出单元连接，射随输出单元与滤波隔离输出单元连接，电源与起振单元连接；
QCM石英晶体为10MHz晶振，在QCM石英晶体表面涂覆一层真空脂材料Apezion，当涂覆真空脂材料Apezion之后石英晶体标称谐振频率下降20kHz；
起振单元包括起振晶体管和等效LC振荡回路，起振单元和QCM石英晶体共同构成振荡回路；
射随输出单元包括射随放大电路，对振荡信号进行跟随和隔离；
滤波隔离输出单元包括隔离变压器、电容器和驱动晶体管，对前级产生的信号进行滤波隔离。
2.根据权利要求1所述的一种适合微小颗粒测量的QCM自适应宽频振荡系统，其特征在于：所述起振晶体管型号为2N3700，驱动晶体管型号为3DG112C。
3.根据权利要求1所述的一种适合微小颗粒测量的QCM自适应宽频振荡系统，其特征在于：所述系统工作流程如下：
(1)系统上电；
(2)QCM石英晶体处于串联谐振状态，和起振单元共同构成振荡回路，产生稳定的谐振频率信号，传给射随输出单元；
(3)射随输出单元对信号进行跟随和隔离后，传给滤波隔离输出单元；
(4)滤波隔离输出单元输出的信号即为初始谐振频率值；
(5)将QCM石英晶体表面涂覆一层真空脂材料Apezion，涂覆过程中观察滤波隔离输出单元输出谐振频率的变化情况，当涂覆真空脂材料Apezion之后石英晶体标称谐振频率下降20kHz时，停止涂覆，此时，颗粒开始在涂覆的表面沉积；
(6)颗粒沉积过程中，滤波隔离输出单元输出频率的变化量表示颗粒的沉积量的变化，由此计算颗粒在涂覆表面的沉积量。
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