[发明专利]基于石墨烯涂覆石英音叉的气体检测系统及方法

权利要求书

1.一种基于石墨烯涂覆石英音叉的气体检测系统，其特征在于，包括：

激光发射装置，为分布反馈式激光器，所述激光器内间隔分布有光栅，光栅形成光耦合射出，经扩束镜扩束为一组平行光并射入赫里奥特气体池中；

赫里奥特气体池，为密闭腔体，在腔体外围包裹有隔热层，在腔体内两端各设有高反射率凹面镜，所述高反射率凹面镜用于对入射的光束进行若干次反射来提高光程，在所述腔体侧壁上设有进气口、出气口、压力监测口以及压力控制口，所述进气口和出气口处均设有单向阀，压力监测口处设有气压表；

石英音叉探测系统，包括带有石墨烯涂覆层的石英音叉，经波长和强度调谐的激光经过赫里奥特气体池后照射到石英音叉表面，带有涂覆层的石英音叉受光激发而谐振，产生微弱电流；

信号处理系统，包括锁相放大器和计算机，石英音叉探测系统产生的微弱电流送入锁相放大器，锁相解调后输出二次谐波信号，测量若干个已知浓度气体的谐波信号，得到二次谐波幅值随浓度变化的拟合方程，根据拟合方程和待测气体的二次谐波幅值，可计算得到待测气体的浓度。

2.根据权利要求1所述的气体检测系统，其特征在于，所述激光器与激光驱动器相连，激光驱动器控制注入激光器的电流实现功率及波长调谐。

3.根据权利要求1所述的气体检测系统，其特征在于，所述赫里奥特气体池为长275mm、宽150mm、高150mm的不锈钢材质空心腔体。

4.根据权利要求1所述的气体检测系统，其特征在于，所述高反射率凹面镜可将光程提高到20m以上。

5.根据权利要求1所述的气体检测系统，其特征在于，所述石墨烯涂覆层通过氧化石墨烯溶液旋涂而成，或者通过激光诱导石英音叉臂上涂覆的聚酰亚胺薄膜产生石墨烯。

6.根据权利要求1所述的气体检测系统，其特征在于，当激发光波长处于待测气体最大吸收峰位时，气体吸收光能产生最大信号。

7.一种基于石墨烯涂覆石英音叉的气体检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a. 设置权利要求1~6任一检测系统；启动所述检测系统，设置腔体内温度，调整激光器波长扫描范围，使扫描经过待测气体的最大吸收峰；

b. 向赫里奥特气体池中冲入氮气进行洗腔，之后充入待测气体于赫里奥特气体池中，通过气压表观察腔体密封是否完好；

c. 激光器发射调制光进入赫里奥特气体池，入射光强度因气体吸收产生衰减，出射光经聚焦后入射到带有石墨烯涂覆层的石英音叉臂上，在石英音叉臂上通过光热效应及压电效应产生微弱电信号并送入锁相放大器；

d. 信号处理系统通过锁相电路测量输出电压信号变化并提取二次谐波信号，使用示波器采集数据，将数据导入计算机，根据预先绘制的二次谐波幅值随待测气体浓度变化的标准曲线计算得到待测气体浓度。