[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

本發明提供的一種基于石墨烯覆膜石英音叉的氣體探測裝置及方法，通過采用的石墨烯及其衍生物對特征氣體有優秀的吸附性，同時石英音叉Q值極高，能很好地將氣體濃度定量信息反映在頻率偏移上，只需檢測石英音叉的共振頻率變化即可完成氣體探測。本發明相比于現有技術，外圍電路簡單、體積小巧、功耗低，并且可以保證較好的檢測靈敏度；無需昂貴且龐大的光源作為激勵源、無需復雜的且費時的光束準直、成本低廉、操作簡單；通過并聯不同覆膜和頻響特性的石墨烯覆膜石英音叉還能分時/分頻完成不同氣體的多點遠距離探測。本發明在對探測距離、監測范圍、便攜性和成本敏感的氣體檢測領域有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及氣體測量技術領域，具體涉及一種基于石墨烯覆膜石英音叉的氣體探測裝置及方法。

背景技術

在社會的經濟和生產力高速發展的當下，環境污染日益嚴重，各種有毒、有害氣體的超標排放使得全球各地都無法避免地出現了各種各樣的環境惡化問題。其中，甲烷、二氧化硫、二氧化氮、臭氧等氣體是造成全球變暖、光化學污染、臭氧層空洞和酸雨等環境問題的罪魁禍首。因此，對人們工作生活環境中的各種氣體進行定性、定量檢測，實時地掌握周圍大氣環境中的各種氣體濃度信息，對于保護大氣環境和維護人民生命財產安全具有重大意義。同時，氣體檢測在工業過程和生物醫學等領域也有廣泛的應用。例如，變壓器的絕緣系統在長期工作中會發生老化，產生乙烯、乙炔、一氧化碳等氣體，通過檢測這些氣體可以有效地反映出絕緣系統的老化程度，從而預防變壓器故障。再比如通過檢測病患呼吸氣中的氨氣含量，能夠很好地輔助判斷病患是否患有糖尿病、肝功能障礙和癌癥等疾病。

石英音叉是指由石英材料制成的具有音叉結構特征的晶振，最初用于電子產品中，作為標準頻率源或脈沖信號源，提供頻率基準。近年來，石英音叉因其機械和電學特性優越、品質因數高、對環境噪聲免疫、體積小巧、成本低等優點被廣泛應用于氣體探測領域，其中最為典型的就是石英增強光聲光譜技術(QEPAS)。石英增強光聲光譜技術具有極高的靈敏度，能夠滿足痕量氣體檢測的需要。然而石英增強光聲光譜技術通常需要使用價格昂貴、體積龐大的激光器作為光源震動音叉實現測量，同時激光器對激光光束的準直有很高的要求，導致該技術的設備體積較大、成本高、使用不便。

發明內容

為了解決現有技術中存在的上述問題，本發明提供了一種基于石墨烯覆膜石英音叉的氣體探測裝置及方法。本發明要解決的技術問題通過以下技術方案實現：

第一方面，本發明提供的一種基于石墨烯覆膜石英音叉的氣體探測裝置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。

可選的，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。

可選的，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。

可選的，所述石墨烯覆膜石英音叉的Q值不小于5000。

可選的，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；