| 研究課題/領域番号 |
18K04181
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| 研究機関 | 日本大学 |
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研究代表者 |
今池 健 日本大学, 理工学部, 助教 (10548093)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | ＱＣＭ / ディジタルダウンコンバージョン |
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| 研究実績の概要 |
数ナノグラム以下の付着物質の質量を検出できるQCM（水晶振動子微量秤）の測定時間短縮と測定精度を向上するため，これまでとは全く異なる方式のフルディジタル位相検出QCMに関する研究を遂行した．従来の高精度QCMでは1枚の水晶板上に2つの水晶振動子を構成し一方を質量負荷用，他方を自由振動用とし，その両周波数の差分を計測するDual QCMが提案されていた．この方式は周波数カウンタによって質量変化に応じた周波数差の変化を計測するためゲート時間やカウンタのクロックによる測定時間・周波数分解能の制限があった．
一方，本研究で提案するフルディジタル位相検出QCMでは，センサ部となるデュアルQCM水晶振動子を使った2台の発振回路と，水晶発振器から出力される信号をADコンバータによってサンプリングし，その後の全処理をディジタル信号処理で行う点に特徴を有する．そして，質量の検出方法として，周波数そのものを直接測定するのではなく，ディジタルダウンコンバージョンにより周期波形を位相に変換し，両位相差の時間変化の微分によって瞬時周波数差に変換する．
FPGA等により信号処理を行いリアルタイムで計測する事を最終目標としているが，整数演算による精度低下が懸念されることから汎用PCによる倍精度浮動小数点演算によってディジタルダウンコンバージョンを行った結果，2つの周波数差に連続変化を与えた場合，それに応じた瞬時周波数差を検出できることを確認し，提案手法の原理が有効であることを示した．また，実際にQCMとして使用する場合には振動子上の物質堆積位置によって測定感度への影響が予想されるため，堆積位置と体積面積について種々のパターンで実験を行いその特性を明らかにした．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
2周波の周波数差変化のレートを1kHz/s～0.1Hz/sの間でランプ波形状にスイープし，位相差変化および，瞬時周波数差への変換を実証し，原理に問題がないことを確認した．商用電源由来の50Hzおよびその高調波が位相変動にノイズとして重畳されており，周波数差のレートが低速の場合には数ミリ秒以下の短時間計測では問題となったが，位相差データの移動平均または，周波数差の算出に用いるサンプルデータの間隔を20ms (= 1/50Hz)の整数倍にに設定することで電源ノイズの影響をキャンセルできることを示したため，位相差に変換した後の信号処理によって特性を改善できるほか，信号処理には既存の技術の多くが利用できるため，特段問題はない．
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| 今後の研究の推進方策 |
リアルタイム処理に向けたFPGA上でのディジタルダウンコンバージョン機能の実装と，整数演算による演算精度の低下がどの程度測定結果に影響するか検証をする必要がある．また，水晶振動子のドライブレベルの最適化，水晶発振回路の構成などを見直し，より高性能化を進める．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
使用するFPGAの書き換えが小規模で済み高性能PCが必要でなかったことおよび，発案原理の確認に重きを置いたため，水晶発振回路の作製および高安定化の部分へのリソースを大きく割かなかったために次年度使用額が生じた．現在使用しているFPGAボードとADコンバータの組み合わせの場合，測定時に不要な信号が混入することがあり，FPGAまたはADコンバータに使用する予定である．
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