CN107706083B - 一种信号发生器辅助射频电源调谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信号发生器辅助射频电源调谐方法，包括：信号处理模块、内部时钟模块、功率放大模块、隔离变压器模块、四极杆总成、反馈控制模块；通过先用信号发生器进行大范围频率扫描，找到调谐频率，根据测出四极杆的电容值和LC谐振频率计算公式算出需要调节的电感，再选择合适的磁芯数量，通过改变特殊设计的电感元件中的磁芯，调整到计算出的电感值，从而达到要求频率，实现谱峰的调节，进而省去了大体积可调电容，提高了系统稳定性，又能适应大范围快速寻找调谐点的需求，该发明具有低成本，高效，高质量解决技术问题等优点。

Description

一种信号发生器辅助射频电源调谐方法

技术领域

本发明涉及化学分析领域，尤其是涉及一种信号发生器辅助射频电源调谐方法。

背景技术

从20世纪60年代开始，质谱就广泛应用于有机化合物分子结构的测定。作为化学分析仪器的一种，质谱仪因为可以直接给出化学物质的分子量信息，越来越成为一种最重要的化学分析手段。其中，四极杆质谱仪具有高通量，高动态范围，易维护操作成为主流的质谱检测仪器。

四极杆及其射频电源是四极杆质谱仪的核心部件。四极杆通常由四个柱状电极按特定的空间分布组成，其中两个电极杆组成一对正极杆，另外两个电极杆组成一对负极杆。工作时，需在正极杆上施加电压V1＝U+Vcos(ωt)，同时在负极杆上施加电压V2＝-(U+Vcos(ωt))，其中U为DC直流电压，V为高频交流电压。通过调整U和V的大小及比例，可以使特定荷质比的离子通过四极杆的中心通道达到检测器，从而实现离子筛选得到质谱数据。其中，离子选出用射频与四极杆的组装制作精度决定了质谱的分辨率，灵敏度，质量范围，质量准确性等质谱的主要性能指标。

因为四极杆的负载电容通常只有10-50pF之间，而且其电容值受环境影响较大的空间分布电容，常常会因仪器的安装状态等有微小变化，而且射频电源的电子元器件也有精度限制，所以设计好的射频电源与输出电容负载之间仍需要进行匹配调谐。

根据LC共振的公式：F=1/[2π×√(L×C)]，目前四极杆质谱仪器厂家调谐的方式主要有三种：调节电容、调节频率和调节电感。

调节电容方式，由于普通电容在耐高压，耐大电流，稳定性（需要电容具有温漂低，电压系数低）等限制，没有合适，廉价的电容。国外厂家采用可调空气电容，但是体积比较大，调节范围窄（如：5pF-20pF），制作成本较高，最关键的，空气电容在不同的环境中（如湿度大幅变化时），电容值会有相应波动，影响调谐效果。

调节频率，调节频率可以快速达到调谐的效果，但是因为不同的频率值下，对应的谱峰质量轴会有差异，需要再校正，电压值要再调节才能获得相应的质量数范围，分辨率等，调节频率的DDS源质量通常低于高质量晶振的频率源，会导致谱峰质量有下降现象。

电感调节，当偏差较大时，初期不容易找到调节的方向。大范围调节电感时，需要增减磁芯，寻找连续大范围变化的电感值比较困难。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在克服现有技术中的上述缺陷中的至少一个，提出一种可以平稳、高精度、低成本地实现信号发生器辅助射频电源调谐方法，该方法包括采用信号发生器输出扫描信号进行频率扫描，找到与四极杆总成产生谐振的射频电源频率，固定射频电源频率和电感值，选择标准电容代替所述四极杆总成，通过所述标准电容的串和/或并联，使所述标准电容与所述射频电源调谐，通过计算所述标准电容的电容值得到的电容值为四极杆总成的分布电容值；再次采用所述信号发生器输出扫描信号进行频率扫描，找到调谐频率，根据公式和所述四级杆总成的分布电容值计算电感值，调节隔离变压器模块，调整为所计算出的电感值，调节所述信号发生器输出信号,实现谱峰的调节。

根据本专利背景技术中对现有技术所述，市面上作为化学分析仪器的一种，质量分析仪器因为可以直接给出化学物质的分子量信息，越来越成为一种最重要的化学分析手段，其中，四极杆质谱仪具有高通量，高动态范围，易维护操作成为主流的质谱检测仪器，其中，离子选出用射频与四极杆的组装制作精度决定了质谱的分辨率，灵敏度，质量范围，质量准确性等质谱的主要性能指标；而本发明公开的信号发生器辅助射频电源调谐方法通过先用信号发生器进行大范围频率扫描，找到调谐频率，不改变射频电源频率和电感情况下，选择标准电容代替四极杆，调节电容值，通过电容的串和/或并联，使标准电容与射频电源调谐，根据LC共振公式：F = 1/[2π ×√(L×C)] ，得到的电容值为四极杆的分布电容，然后根据公式计算出需要调节的电感值，再选择合适的磁芯数量，通过改变特殊设计的电抗元件中的磁芯，调整到计算出的电感值，从而达到要求频率，实现谱峰的调节，进而省去了大体积可调电容，提高了系统稳定性，又能适应大范围快速寻找调谐点的需求，达到低成本，高效，高质量的解决方案。

另外，根据本发明公开的信号发生器辅助射频电源调谐方法，还具有如下附加技术特征：

进一步地，包括信号处理模块、内部时钟模块、功率放大模块、隔离变压器模块、四极杆总成、反馈控制模块。

进一步地，用于产生频率可变信号且输出传输信号到功率放大模块的所述信号处理模块与所述功率放大模块相连接，且包括信号发生器、信号发生频率控制器和功率放大模块幅值控制器；

进一步地，为所述功率放大模块提供固定频率信号且用于调节谐振频率的所述内部时钟模块与所述功率放大模块相连接；

进一步地，用于放大所述信号处理模块输出信号且为所述隔离变压器模块提供驱动电压的所述功率放大模块与所述信号处理模块、所述隔离变压器模块、所述内部时钟模块、所述反馈控制模块相连接；

进一步地，从所述功率放大模块获取到的电压进行变压且用于驱动四极杆总成工作的所述隔离变压器模块与所述功率放大模块、四极杆总成相连接；

进一步地，用于筛选粒子的所述四极杆总成与所述隔离变压器模块、反馈控制模块相连接；

进一步地，用于实时检测所述隔离变压器模块输出到所述四极杆总成工作电压的所述反馈控制模块与所述功率放大模块、所述四极杆总成相连接。

进一步地，所述信号处理模块输出DDS信号。

进一步地，所述功率放大模块幅值控制器可控制输入所述功率放大模块的信号。

进一步地，所述功率放大模块包括DA转换、I2C和/或SPI控制方式的结构。

进一步地，所述隔离变压器模块包括可变射频电源空心线圈。

进一步地，所述反馈控制模块包括光耦开关和/或互感线圈。

进一步地，所述反馈控制模块由光耦开关或互感线圈等具有隔离功能的器件组成。

进一步地，所述可变射频电源空心线圈由线圈、堵头、支柱、垫片、磁芯和固定块。

进一步地，所述可变射频电源空心线圈通过左旋或者右旋所述堵头，可改变所述磁芯在线圈内部的水平位置而改变电感的大小。

进一步地，所述可变射频电源空心线圈通过改变磁芯的大小和/或加载数量，调整电感的精度和范围。

进一步地，所述信号发生器输出的扫描信号为精度在16位的0~10V的扫描信号。

进一步的，所述线圈为机械缠绕且采取密绕耦合方式。

进一步的，所述初级线圈和次级线圈采用耐高温热融胶固定。

进一步的，所述线圈骨架为特氟龙材质且内置螺纹的结构。

进一步的，所述堵头为一端内凹带内螺纹，另一端设有用来调节堵头带动磁芯水平位移的内凹槽或凸台的结构。

进一步的，所述堵头为采用尼龙材质的结构，尼龙材质耐疲劳性、钢性较高以及耐热性较好。

进一步的，所述支柱为特氟龙材质加工而成且中间大两端小带螺纹阶梯轴状的结构。

进一步的，所述垫片为非磁性材料制成的环状和/或块状结构。

进一步的，所述磁芯为镍锌材料制成的环状和/或块状的结构。

进一步的，所述固定块包括环状带内螺纹或一端内凹带内螺纹的结构。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明的信号发生器辅助射频电源调谐方法的工作原理示意图；

图2是四极杆质谱仪工作电路示意图；

图3是质谱用射频电源空心线圈安装示意图；

图4是质谱用射频电源空心线圈结构的示意图；

图1中，1是信号处理模块，2是内部时钟模块，3是功率放大模块，4是隔离变压器模块，5是四极杆总成，6是反馈控制模块；

图2中，7是信号发生器，8是内部频率源，9是功率放大器，10是隔离变压器，11是四极杆总成，12是负反馈控制器；

图3中，13是射频电源左侧板，14是射频电源右侧板,15是左侧空芯线圈总成,16是右侧空芯线圈总成，17是空芯线圈骨架；

图4中， 18是线圈骨架，19是固定块，20是镍锌磁芯，21是支柱，22是垫片，23是堵头，24是初级线圈，25是次级线圈。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的发明构思如下，采用所述信号发生器输出扫描信号进行频率扫描，找到与所述四极杆总成调谐的射频电源频率，不改变射频电源频率F和电感L情况下，选择标准电容代替所述四极杆总成，调节电容值，通过电容的串和/或并联，使标准电容与所述射频电源调谐，通过计算得到的电容值为所述四极杆总成的分布电容。再次采用所述信号发生器输出扫描信号进行频率扫描，找到调谐频率，根据公式和四级杆总成的分布电容值计算出需要调节的电感值，再调节所述隔离变压器模块，调整到计算出的电感值，调节所述信号发生器输出信号,(此处“频率信号”指频率固定且值为整数的信号，可用相同频率值的晶振替换),实现谱峰的调节。其中调节所述隔离变压器模块是通过改变特殊设计的电感元件中的所述磁芯，调整到计算出的电感值，从而达到要求频率，实现谱峰的调节，进而省去了大体积可调电容，提高了系统稳定性，又能适应大范围快速寻找调谐点的需求，达到低成本，高效，高质量的解决方案，因此具有明显的优点。

下面将参照附图来描述本发明，其中图1是根据本发明的信号发生器辅助射频电源调谐方法原理图，图2是四极杆质谱仪工作电路示意图，图3是质谱用射频电源空心线圈安装示意图，图4是质谱用射频电源空心线圈结构的示意图。

根据本专利背景技术中对现有技术所述，市面上作为化学分析仪器的一种，质量分析仪器因为可以直接给出化学物质的分子量信息，越来越成为一种最重要的化学分析手段，其中，四极杆质谱仪具有高通量，高动态范围，易维护操作成为主流的质谱检测仪器，其中，离子选出用射频与四极杆的组装制作精度决定了质谱的分辨率，灵敏度，质量范围，质量准确性等质谱的主要性能指标；而本发明公开的信号发生器辅助射频电源调谐方法通过采用信号发生器输出扫描信号进行频率扫描，找到与四极杆调谐的射频电源频率F，不改变射频电源频率F和电感L情况下，选择标准电容代替四极杆，调节电容值，通过电容的串和/或并联，使标准电容与射频电源调谐，根据LC共振公式：F = 1/[2π ×√(L×C)] ，得到的电容C值为四极杆的分布电容，再通过信号发生器进行大范围频率扫描，找到调谐频率F，然后根据公式：F = 1/[2π ×√(L×C)] 计算出需要调节的电感值，再选择合适的磁芯数量，通过改变特殊设计的电抗元件中的磁芯，调整到计算出的电感值，从而达到要求频率，实现谱峰的调节，进而省去了大体积可调电容，提高了系统稳定性，又能适应大范围快速寻找调谐点的需求，达到低成本，高效，高质量的解决方案。

另外，根据发明公开的信号发生器辅助射频电源调谐方法 还具有如下附加技术特征：

根据本发明的一些实施例，所述信号处理模块输出DDS信号。

根据本发明的一些实施例，所述信号处理模块包括信号发生器、信号发生频率控制器和功率放大模块幅值控制器。

根据本发明的一些实施例，所述功率放大模块可根据幅值控制器控制信号。

根据本发明的一些实施例，所述功率放大模块包括DA转换、I2C、SPI控制方式。

根据本发明的一些实施例，所述反馈控制模块由光耦开关或互感线圈等具有隔离功能的器件组成。

根据本发明的一些实施例，所述可变射频电源空心线圈由线圈、堵头、支柱、垫片、磁芯和固定块组成。

根据本发明的一些实例，所述所述线圈缠绕采取密绕耦合方式，且为机械缠绕。

根据本发明的一些实例，所述初级线圈和次级线圈采用耐高温热融胶固定。

根据本发明的一些实例，所述线圈骨架采用高频损失极小的高纯特氟龙材质，内置螺纹。

根据本发明的一些实例，所述堵头为一端内凹带内螺纹，另一端设有内凹槽或凸台用来调节堵头带动磁芯水平位移。

根据本发明的一些实例，所述堵头采用疲劳性和钢性较高，耐热性较好尼龙材质。

根据本发明的一些实例，所述支柱通过高纯特氟龙材质加工而成，中间大两端小带螺纹阶梯轴状。

根据本发明的一些实例，所述垫片为环状和/或块状，且为非磁性材料制成。

根据本发明的一些实例，所述磁芯为镍锌磁芯，且为环状和/或块状。

根据本发明的一些实例，所述线圈骨架采用高频损失极小的高纯特氟龙材质，内置螺纹。

根据本发明的一些实例，所述固定块为环状带内螺纹或一端内凹带内螺纹。

优选地，所述可变射频电源空心线圈通过左旋或者右旋所述堵头，可改变所述磁芯在线圈内部的水平位置而改变电感的大小。

由于距离线圈中心越近电感值越大，而且旋进是连续进行的，电感值的变化也是连续的，避免了没有磁芯的线圈只能以整数的匝数比改变电感的问题

优选地，所述可变射频电源空心线圈通过改变磁芯的大小和/或加载数量，调整电感的精度和范围。

该方法实现空心线圈安装简单，容易操作，电感可在不开启射频电源的情况下，在外部方便地调节控制电感范围，保证电感值的范围大并调节精细，且电感值稳定不受环境变化干扰。

根据本发明的一些实施例，所述信号处理模块输出的扫描信号为精度在16位的0~10V的扫描信号。

任何提及“一个实施例”、“实施例”、“示意性实施例”等意指结合该实施例描述的具体构件、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处的该示意性表述不一定指的是相同的实施例。而且，当结合任何实施例描述具体构件、结构或者特点时，所主张的是，结合其他的实施例实现这样的构件、结构或者特点均落在本领域技术人员的范围之内。

尽管参照本发明的多个示意性实施例对本发明的具体实施方式进行了详细的描述，但是必须理解，本领域技术人员可以设计出多种其他的改进和实施例，这些改进和实施例将落在本发明原理的精神和范围之内。具体而言，在前述公开、附图以及权利要求的范围之内，可以在零部件和/或者从属组合布局的布置方面作出合理的变型和改进，而不会脱离本发明的精神。除了零部件和/或布局方面的变型和改进，其范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种信号发生器辅助射频电源调谐方法，该方法包括：

采用信号发生器输出扫描信号进行频率扫描，找到与四极杆总成产生谐振的射频电源频率，固定射频电源频率和电感值，选择标准电容代替所述四极杆总成，通过所述标准电容的串和/或并联，使所述标准电容与所述射频电源调谐，通过计算所述标准电容的电容值得到的电容值为四极杆总成的分布电容值；再次采用所述信号发生器输出扫描信号进行频率扫描，找到调谐频率，根据公式和所述四极 杆总成的分布电容值计算电感值，调节隔离变压器模块，调整为所计算出的电感值，调节所述信号发生器输出信号,实现谱峰的调节。

2.根据权利要求1所述的一种信号发生器辅助射频电源调谐方法，其特征在于，包括：信号处理模块、内部时钟模块、功率放大模块、隔离变压器模块、四极杆总成、反馈控制模块。

3.根据权利要求2所述的一种信号发生器辅助射频电源调谐方法，其特征在于，用于产生频率可变信号且输出传输信号到所述功率放大模块的所述信号处理模块与所述功率放大模块相连接，且包括所述信号发生器、信号发生频率控制器和功率放大模块幅值控制器。

4.根据权利要求2所述的一种信号发生器辅助射频电源调谐方法，其特征在于，为所述功率放大模块提供固定频率信号且用于调节谐振频率的所述内部时钟模块与所述功率放大模块相连接。

5.根据权利要求2所述的一种信号发生器辅助射频电源调谐方法，其特征在于，用于放大所述信号处理模块输出信号且为所述隔离变压器模块提供驱动电压的所述功率放大模块与所述信号处理模块、所述隔离变压器模块、所述内部时钟模块、所述反馈控制模块相连接。

6.根据权利要求2所述的一种信号发生器辅助射频电源调谐方法，其特征在于，从所述功率放大模块获取到电压进行变压且用于驱动四极杆总成工作的所述隔离变压器模块与所述功率放大模块、四极杆总成相连接。

7.根据权利要求2所述的一种信号发生器辅助射频电源调谐方法，其特征在于，用于筛选粒子的所述四极杆总成与所述隔离变压器模块、反馈控制模块相连接。

8.根据权利要求2所述的一种信号发生器辅助射频电源调谐方法，其特征在于，用于实时检测所述隔离变压器模块输出到所述四极杆总成工作电压的所述反馈控制模块与所述功率放大模块、所述四极杆总成相连接。

9.根据权利要求2所述的一种信号发生器辅助射频电源调谐方法，其特征在于，所述隔离变压器模块包括可变射频电源空心线圈。

10.根据权利要求9所述的一种信号发生器辅助射频电源调谐方法，其特征在于，所述可变射频电源空心线圈包括线圈、堵头、支柱、垫片、磁芯和固定块。