15MHz温控石英晶体微量天平的设计

论文摘要

空间环境表面污染的长期监测对航天器环境保障有着重要的科学研究意义和实用价值。石英晶体微量天平是目前众多用来控制表面污染技术的一种,近年来,它凭借精度高、质量轻、体积小、功耗低等优点,广泛应用于航天器表面分子和颗粒污染的监测。本文研究的温控石英晶体微量天平借助于计算机通信技术将多个石英晶体传感器连接成一个网络,从而达到对航天器多个敏感部分表面的分子污染沉积情况监测的目的。石英晶体微量天平主要由石英晶体振荡器和帕尔贴制冷器两部分组成,测量原理根据索氏公式,通过测量参考晶片与敏感晶片之间的频率差,测量表面沉积污染物的质量以及污染物的质量变化情况。通过一系列测试和地面试验表明它的监测灵敏度可达12.94×10-9g/cm2,在-40～30℃范围内对探头的控温精度优于0.18℃,并可通过计算机控制其工作温度点,实时数据采集系具有1次/s的采集、处理功能和良好的软件操作界面。非常适合应用在空间的污染量监测上。本文在设计过程中,利用了FPGA器件、微控制器和EDA设计技术,充分利用了FPGA器件的功能,尽量做到“以软代硬”,减少分立元件的使用。与以往设计比较,本天平具备实时数据采集和处理能力,计算机与天平之间通过RS-485网络通讯,可实现对多路天平的频率、温度的采集以及温度的设定等功能。根据灵敏度的要求,本文中选用15MHz谐振频率的石英晶体来实现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题应用背景
• 1.2 星载石英晶体微天平的发展概况
• 1.3 本课题研究思路、目的、意义和主要内容
• 第二章 石英晶体微量天平测量机理
• 2.1 石英晶体微量天平
• 2.1.1 石英晶体传感器
• 2.1.2 石英晶体微量天平工作机理
• 2.1.3 质量灵敏度
• 2.1.4 石英晶体微量天平的应用
• 2.2 帕尔帖半导体制冷器（TEC）
• 2.2.1 帕尔贴效应
• 2.2.2 帕尔帖半导体制冷器的工作机理
• 2.2.3 半导体制冷器的特点及应用
• 第三章 温控石英晶体微量天平总体设计方案
• 3.1 分子污染监测仪的功能要求及特点
• 3.1.1 分子污染监测仪的功能要求
• 3.1.2 分子污染监测仪的特点
• 3.2 分子污染监测仪结构设计方案
• 3.3 单个QCM结构设计方案
• 3.3.1 测量传感头
• 3.3.2 温控系统
• 3.4 QCM设计实现技术
• 3.4.1 EDA技术及其应用
• 3.4.2 可编程逻辑器件（PLD）
• 3.4.3 硬件描述语言（VHDL）
• 3.4.4 现场可编程门阵列（FPGA）
• 3.4.5 CPLD与 FPGA应用比较
• 第四章 温控石英晶体微量天平硬件设计
• 4.1 QCM系统的总体结构
• 4.2 振荡电路设计
• 4.3 频率测量系统设计
• 4.3.1 频率测量方法
• 4.3.2 本课题中频率测量方法的选择
• 4.3.3 频率测量的误差分析
• 4.3.4 频率测量电路设计
• 4.4 单片机系统设计
• 4.5 温度测量与控制系统设计
• 4.5.1 温度控制系统结构设计
• 4.5.2 温度传感器的选择
• 4.5.3 温度测量电路设计
• 4.5.4 帕尔贴功率驱动电路的设计
• 4.6 石英晶体微量天平探头设计中的若干问题
• 4.6.1 电极材料的选取及其辐射效应
• 4.6.2 电极的涂层
• 4.6.3 石英晶体停振问题
• 4.6.4 石英晶体振荡频率受温度影响问题
• 第五章 温控石英晶体微量天平软件设计
• 5.1 下位机程序设计
• 5.1.1 主程序设计
• 5.1.2 频率测量模块软件设计
• 5.1.3 控温算法设计
• 5.1.4 温度测量模块软件设计
• 5.1.5 串行口通讯程序设计
• 5.2 上位机程序设计
• 5.2.1 软件设计思想
• 5.2.2 RS-485总线型网络系统应用概述
• 5.2.3 通信协议
• 5.2.4 PC上位机软件设计
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果
• 致谢