[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在审

专利信息
申请号: 202111241870.4 申请日: 2021-10-25
公开(公告)号: CN114166934A 公开(公告)日: 2022-03-11
发明(设计)人: 尹旭坤;李健;章学仕;邵晓鹏;高苗 申请(专利权)人: 西安电子科技大学
主分类号: G01N29/02 分类号: G01N29/02;G01N29/036
代理公司: 西安嘉思特知识产权代理事务所(普通合伙) 61230 代理人: 王萌
地址: 710000 陕*** 国省代码: 陕西;61
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摘要:
搜索关键词: 基于 石墨 烯覆膜 石英 音叉 气体 探测 装置 方法
【说明书】:

发明提供的一种基于石墨烯覆膜石英音叉的气体探测装置及方法,通过采用的石墨烯及其衍生物对特征气体有优秀的吸附性,同时石英音叉Q值极高,能很好地将气体浓度定量信息反映在频率偏移上,只需检测石英音叉的共振频率变化即可完成气体探测。本发明相比于现有技术,外围电路简单、体积小巧、功耗低,并且可以保证较好的检测灵敏度;无需昂贵且庞大的光源作为激励源、无需复杂的且费时的光束准直、成本低廉、操作简单;通过并联不同覆膜和频响特性的石墨烯覆膜石英音叉还能分时/分频完成不同气体的多点远距离探测。本发明在对探测距离、监测范围、便携性和成本敏感的气体检测领域有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及气体测量技术领域,具体涉及一种基于石墨烯覆膜石英音叉的气体探测装置及方法。

背景技术

在社会的经济和生产力高速发展的当下,环境污染日益严重,各种有毒、有害气体的超标排放使得全球各地都无法避免地出现了各种各样的环境恶化问题。其中,甲烷、二氧化硫、二氧化氮、臭氧等气体是造成全球变暖、光化学污染、臭氧层空洞和酸雨等环境问题的罪魁祸首。因此,对人们工作生活环境中的各种气体进行定性、定量检测,实时地掌握周围大气环境中的各种气体浓度信息,对于保护大气环境和维护人民生命财产安全具有重大意义。同时,气体检测在工业过程和生物医学等领域也有广泛的应用。例如,变压器的绝缘系统在长期工作中会发生老化,产生乙烯、乙炔、一氧化碳等气体,通过检测这些气体可以有效地反映出绝缘系统的老化程度,从而预防变压器故障。再比如通过检测病患呼吸气中的氨气含量,能够很好地辅助判断病患是否患有糖尿病、肝功能障碍和癌症等疾病。

石英音叉是指由石英材料制成的具有音叉结构特征的晶振,最初用于电子产品中,作为标准频率源或脉冲信号源,提供频率基准。近年来,石英音叉因其机械和电学特性优越、品质因数高、对环境噪声免疫、体积小巧、成本低等优点被广泛应用于气体探测领域,其中最为典型的就是石英增强光声光谱技术(QEPAS)。石英增强光声光谱技术具有极高的灵敏度,能够满足痕量气体检测的需要。然而石英增强光声光谱技术通常需要使用价格昂贵、体积庞大的激光器作为光源震动音叉实现测量,同时激光器对激光光束的准直有很高的要求,导致该技术的设备体积较大、成本高、使用不便。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题,本发明提供了一种基于石墨烯覆膜石英音叉的气体探测装置及方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现:

第一方面,本发明提供的一种基于石墨烯覆膜石英音叉的气体探测装置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。

可选的,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。

可选的,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镀有电极。

可选的,所述石墨烯覆膜石英音叉的Q值不小于5000。

可选的,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;

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