[發明專利]基于石墨烯覆膜石英音叉的氣體探測裝置及方法

在審

• 申請號: 202111241870.4
• 申請日: 2021-10-25
• 公開（公告）號: CN114166934A
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發明（設計）人: 尹旭坤;李健;章學仕;邵曉鵬;高苗
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G01N29/02
• 分類號: G01N29/02;G01N29/036
• 代理公司: 西安嘉思特知識產權代理事務所(普通合伙) 61230
• 代理人: 王萌

1.一種基于石墨烯覆膜石英音叉的氣體探測裝置，其特征在于，包括石墨烯覆膜石英音叉、檢測電路、數字鎖相放大器以及上位機；

其中，所述石墨烯覆膜石英音叉的一端電極連接檢測電路，另一端電極連接所述數字鎖相放大器，所述石墨烯覆膜石英音叉用于通過石英音叉上石墨烯覆膜吸附待測氣體，使得石墨烯覆膜石英音叉的質量以及共振頻率發生變化；所述上位機用于設置所述數字鎖相放大器的正弦波頻率掃描范圍；所述數字鎖相放大器用于在所述掃描范圍產生頻率周期性變化的正弦波信號至所述石墨烯覆膜石英音叉的一個電極，通過壓電效應激勵石墨烯覆膜石英音叉振動產生壓電信號，所述檢測電路用于放大所述壓電信號輸出至數字鎖相放大器，所述數字鎖相放大器用于對放大后的壓電信號進行鎖相解調，所述上位機，用于處理所述鎖相解調后的壓電信號，獲得待測氣體的氣體濃度。

2.根據權利要求1所述的基于石墨烯覆膜石英音叉的氣體探測裝置，其特征在于，所述氣體探測裝置還包括氣室，所述氣室包括音叉固定架、進氣口、出氣口，用于存放待測氣體和石墨烯覆膜石英音叉，使得石墨烯覆膜石英音叉處于待測氣體環境中以充分接觸并吸附待測氣體。

3.根據權利要求1所述的基于石墨烯覆膜石英音叉的氣體探測裝置，其特征在于，所述石墨烯覆膜石英音叉包括基底石英音叉以及石墨烯，所述石墨烯覆膜所述基底石英音叉，所述基底石英音叉表面鍍有電極。

4.根據權利要求3所述的基于石墨烯覆膜石英音叉的氣體探測裝置，其特征在于，所述石墨烯覆膜石英音叉的Q值不小于5000。

5.根據權利要求3所述的基于石墨烯覆膜石英音叉的氣體探測裝置，其特征在于，所述石墨烯覆膜所述基底石英音叉的方式包括部分覆膜或全部覆膜；

其中，在部分覆膜方式中，石墨烯膜附著在基底石英音叉表面無電極處；在全部覆膜方式中，基底石英音叉的表面全部被石墨烯膜覆蓋，石墨烯膜與石英基底音叉電極表面之間覆蓋有一層絕緣層。

6.根據權利要求1所述的基于石墨烯覆膜石英音叉的氣體探測裝置，其特征在于，所述檢測電路包括互阻抗放大電路和電容補償電路；

其中，所述互阻抗放大電路將所述石墨烯覆膜石英音叉通過壓電效應產生的電流信號放大為電壓信號，所述電容補償電路通過調節自身補償電容的大小，使其與寄生電容相等，并使流過補償電容的電流相位與流過寄生電容的電流相位相反，從而消除石英音叉檢測回路中寄生電容對頻率效應曲線造成的影響，有效提高信噪比。

7.根據權利要求1所述的基于石墨烯覆膜石英音叉的氣體探測裝置，其特征在于，所述數字鎖相放大器通過直接數字合成DDS技術產生頻率周期性變化的正弦波信號，將該正弦波信號作為所述石墨烯覆膜石英音叉的壓電效應的激勵信號和鎖相解調的參考信號，所述數字鎖相放大器，用于根據所述石墨烯覆膜石英音叉產生的壓電信號和正弦波參考信號，對石墨烯覆膜石英音叉輸出的壓電信號進行鎖相解調，輸出解調后的壓電信號。

8.根據權利要求7所述的一種基于石墨烯覆膜石英音叉的氣體探測裝置，其特征在于，所述上位機用于控制所述數字鎖相放大器的積分時間、以調節自身的解調帶寬以及設置正弦波信號頻率掃描范圍，并接收經所述數字鎖相放大器解調后輸出的壓電信號，對所述解調后的壓電信號進行信號處理，獲得待測氣體的種類和濃度進行顯示。