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测试技术论文
一种QCM信号在线采集系统的实现
摘要：石英晶体微天平（QCM）信号采集系统的设计质量是影响其测量精度的重要因素
。提出了一种QCM信号在线系统的实现方案，给出了系统的结构框图，并对系统电路进行
了详细的分析。
关键词：石英晶体微天平 DSP 谐振频率
QCM（Quartz Crystal
Microbalance）是由AT切石英晶体片和镀在其上下表面的金属电极构成的一种谐振式传
感器。其结构如图1所示。QCM作为微质量传感器具有结构简单、成本低、振动Q值大、灵
敏度高、测量精度可以达到纳克量级的优点，被广泛应用于化学、物理、生物、医学和
表面科学等领域中，用以进行气体、液体的成分分析以及微质量的测量、薄膜厚度的检
测等。根据需要，还可以在金属电极上有选择地镀膜，进一步拓宽其应用。例如，若在
电极表面加一层具有选择性的吸附膜，可用来探测气体的化学成分或监测化学反应的进
行情况。因传感器等。随着生物科学的蓬勃发展，QCM作为基因传感器在生物领域的应用
有着广阔前景。
在国外，QCM在气相中的应用已经相当成熟，近几年，对液相中的QCM应用的研究也取
得了很大进步，并且已经出现了很多商品化的产品，但是它们的价格非常昂贵。国内的
相关研究相对较少。本文提出了一种基于DSP的QCM信号在线采集系统。该系统主要由高
频信号发生器、QCM传感器和信号采集处理部分组成，结构简单、成本低。借助DSP强大
的数字信号处理功能，实现了在线测量，并且保证了较高的测量精度。
1 QCM测量原理
石英是具有压电性质的物质之一，当外加交变电压的频率为某一特定频率时，石英晶
片振幅会急剧增加，这就是压电谐振。
1959年Sauerbrey在假定外加持量均匀刚性地附着于QCM的金电极表面的条件下，得出
了QCM的谐振频率变化与外加质量成正比的结论。即：
式中，Δf为
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