[发明专利]基于石墨烯覆膜石英音叉的气体探测装置及方法

权利要求书

1.一种基于石墨烯覆膜石英音叉的气体探测装置，其特征在于，包括石墨烯覆膜石英音叉、检测电路、数字锁相放大器以及上位机；

其中，所述石墨烯覆膜石英音叉的一端电极连接检测电路，另一端电极连接所述数字锁相放大器，所述石墨烯覆膜石英音叉用于通过石英音叉上石墨烯覆膜吸附待测气体，使得石墨烯覆膜石英音叉的质量以及共振频率发生变化；所述上位机用于设置所述数字锁相放大器的正弦波频率扫描范围；所述数字锁相放大器用于在所述扫描范围产生频率周期性变化的正弦波信号至所述石墨烯覆膜石英音叉的一个电极，通过压电效应激励石墨烯覆膜石英音叉振动产生压电信号，所述检测电路用于放大所述压电信号输出至数字锁相放大器，所述数字锁相放大器用于对放大后的压电信号进行锁相解调，所述上位机，用于处理所述锁相解调后的压电信号，获得待测气体的气体浓度。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯覆膜石英音叉的气体探测装置，其特征在于，所述气体探测装置还包括气室，所述气室包括音叉固定架、进气口、出气口，用于存放待测气体和石墨烯覆膜石英音叉，使得石墨烯覆膜石英音叉处于待测气体环境中以充分接触并吸附待测气体。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯覆膜石英音叉的气体探测装置，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镀有电极。

4.根据权利要求3所述的基于石墨烯覆膜石英音叉的气体探测装置，其特征在于，所述石墨烯覆膜石英音叉的Q值不小于5000。

5.根据权利要求3所述的基于石墨烯覆膜石英音叉的气体探测装置，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，石墨烯膜附着在基底石英音叉表面无电极处；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盖，石墨烯膜与石英基底音叉电极表面之间覆盖有一层绝缘层。

6.根据权利要求1所述的基于石墨烯覆膜石英音叉的气体探测装置，其特征在于，所述检测电路包括互阻抗放大电路和电容补偿电路；

其中，所述互阻抗放大电路将所述石墨烯覆膜石英音叉通过压电效应产生的电流信号放大为电压信号，所述电容补偿电路通过调节自身补偿电容的大小，使其与寄生电容相等，并使流过补偿电容的电流相位与流过寄生电容的电流相位相反，从而消除石英音叉检测回路中寄生电容对频率效应曲线造成的影响，有效提高信噪比。

7.根据权利要求1所述的基于石墨烯覆膜石英音叉的气体探测装置，其特征在于，所述数字锁相放大器通过直接数字合成DDS技术产生频率周期性变化的正弦波信号，将该正弦波信号作为所述石墨烯覆膜石英音叉的压电效应的激励信号和锁相解调的参考信号，所述数字锁相放大器，用于根据所述石墨烯覆膜石英音叉产生的压电信号和正弦波参考信号，对石墨烯覆膜石英音叉输出的压电信号进行锁相解调，输出解调后的压电信号。

8.根据权利要求7所述的一种基于石墨烯覆膜石英音叉的气体探测装置，其特征在于，所述上位机用于控制所述数字锁相放大器的积分时间、以调节自身的解调带宽以及设置正弦波信号频率扫描范围，并接收经所述数字锁相放大器解调后输出的压电信号，对所述解调后的压电信号进行信号处理，获得待测气体的种类和浓度进行显示。