[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

说明书

本发明提供了一种基于石墨烯涂覆石英音叉的气体检测系统及方法，所述检测系统包括：激光发射装置、赫里奥特气体池、带有石墨烯涂覆层的石英音叉、信号处理系统、控制系统。本发明使用光吸收材料增强热弹效应以提高光热光谱检测灵敏度。本发明利用带石墨烯涂层石英音叉作为光热转换器件，经长程气体池后的调谐光经聚焦后入射到石英音叉表面，石英音叉表面涂覆层吸收光能转化为热能，热膨胀导致石英音叉形变，通过石英音叉的压电效应产生微弱电流，该信号经过锁相放大器进行解调实现高信噪比的信号探测。本发明提升了气体浓度检测的灵敏度，获得了更低的检出限，提供了更优的系统归一化噪声吸收系数。

技术领域

本发明涉及气体的检测技术领域，具体涉及一种基于石墨烯涂覆石英音叉的气体检测系统及方法。

背景技术

气体检测技术由来已久，常见的石英增强光声光谱(QEPAS)检测技术，其成本较高、对待测气体压力敏感，技术要求较高。近年来激光诱导热弹性光谱(LITES)被用来检测乙炔、一氧化碳等气体，具有成本低、尺寸小、抗噪性能优异等优势。基于QTF的LITES传感器的性能与QTF表面上的光吸收量和激光聚焦位置有关。为了收集由石英音叉臂分支变形产生的电荷，通常将金/银/铬涂层沉积在音叉臂的表面。金属镀层对光具有很强的反射，这不利于产生热弹性信号。2019年Ma等学者提供了一种没有金层沉积的定制T形QTF，以最大程度地吸收入射光，其性能提高了近一个数量级。但是，定制QTF的设计和实现需要专用的仪器和高度熟练的人力资源，这通常对于大多数人很难实现。

石墨烯这一特殊材料具有高导电性及优异的光学性能。在传感领域具有重要应用。虽有相对容易获取的氧化物、纳米陶瓷材料、聚合物，但石墨烯的光学性能，热导率更突出，对特定波长范围内光吸收更强。在音叉臂上悬凃氧化石墨烯溶液成膜可以增强光吸收，提高其用于气体检测的灵敏度。带有薄膜涂覆层的音叉能够获得比现有方法更高的信噪比、灵敏度和归一化噪声吸收系数，使用石墨烯涂覆的QTF器件进行光探测及气体探测，不需要光电探测器，可应用于紫外到红外以及太赫兹的所有波段。对于研究高灵敏度、强特异性、高信噪比、宽频带的光探测及气体检测方法具有重要的意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于石墨烯涂覆石英音叉的气体检测系统及方法，以解决现有气体探测系统带宽限制窄、传感器尺寸大、归一化噪声吸收系数差、灵敏度低等问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于石墨烯涂覆石英音叉的气体检测系统，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。

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。

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。

所述高反射率凹面镜可将光程提高到20m以上。

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。