基于钙钛矿复合材料涂层的石英音叉气体检测系统及方法

本发明属于气体检测，具体涉及基于钙钛矿复合材料涂层的石英音叉气体检测系统及方法。

背景技术：

1、气体检测技术的重要性不言而喻，它在工业、环境和医学领域都扮演着关键角色，在电力领域的应用和意义也十分重要。电力设施中常常存在着各种气体，如硫化氢、甲烷、氨气等，这些气体可能对人员安全和设备运行造成威胁。因此，通过对这些气体进行检测，可以及早发现潜在的安全隐患，采取相应的措施保障工作人员和设备的安全。在一些现代化的电力厂中，甚至使用了微生物传感器来监测特定气体，这些传感器利用微生物对气体的选择性反应来实现气体的快速检测和监测。石英音叉作为一种优秀的传感器材料，在光探测领域发展迅速。其高品质因数和稳定性使其成为光探测技术的理想选择，尤其在可见光、红外和太赫兹波段的应用方面。

2、传统的石英增强光声光谱(qepas)技术在气体检测中取得了一定的成就，但也存在一些限制，例如高成本、对气体压力敏感以及技术要求较高等。此外，qepas是一种接触式测量技术，难以在腐蚀性气体检测中应用，并且受到光电分离的限制。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于钙钛矿复合材料涂层的石英音叉气体检测系统及方法，能够通过激光照射钙钛矿复合材料涂层所产生的光热电效应和石英音叉的光致热弹效应耦合产生更强的信号，提高了检测灵敏度，具有更低的最小检测限。

2、本发明采取的技术方案具体如下：

3、基于钙钛矿复合材料涂层的石英音叉气体检测系统，包括：dfb激光器、赫里奥特气体池、石英音叉探测器、石英音叉和信号处理系统；

4、所述dfb激光器包括电流驱动器和温度控制器，所述dfb激光器为分布反馈式激光器，所述dfb激光器位于赫里奥特气体池左侧，所述dfb激光器由电流驱动器和温度控制器共同控制，用于产生中心波长位于待测气体吸收峰的激光束，并将激光束射入赫里奥特气体池内；

5、所述石英音叉探测器两极之间涂覆有钙钛矿复合材料涂层，经波长和强度调谐的激光束经过赫里奥特气体池后照射到涂覆有钙钛矿复合材料涂层的石英音叉探测器表面，带有钙钛矿复合材料涂层的石英音叉受到激光束照射发生谐振，产生微弱电流；

6、石英音叉由具有压电效应的u型臂构成，其中石英音叉金属层为音叉臂原有的银层，厚度为90-110nm。

7、所述信号处理系统包括锁相放大器、示波器和计算机，所述信号处理系统与石英音叉探测器相连，用于接收分析石英音叉探测器得到的电信号，石英音叉探测器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，计算得到待测气体的浓度。

8、所述赫里奥特气体池包括保温层、高反射率凹面镜、进气口、出气口和压力表，所述赫里奥特气体池为密闭腔体结构，用于光学吸收测量；

9、所述保温层包裹在赫里奥特气体池腔体外围，用于保持腔体内部温度，所述高反射率凹面镜位于赫里奥特气体池腔体两端，用于多次反射入激光束，所述进气口、出气口和压力表均安装在赫里奥特气体池腔体侧壁上，用于引入待测气体和排出气体以及监测气体压力。

10、所述dfb激光器、电流驱动器和温度控制器共同控制调制出特定波长的激光束。

11、所述赫里奥特气体池两端分别设置有两个楔形窗，所述赫里奥特气体池与dfb激光器之间设置有聚焦透镜，激光束通过聚焦透镜后射入到赫里奥特气体池中。

12、所述赫里奥特气体池为长275mm、宽150mm、高150mm的不锈钢腔体。

13、所述钙钛矿复合材料涂层为聚(3，4-乙烯二氧噻吩):聚(4苯乙烯磺酸盐)和有机-无机杂化钙钛矿而形成的复合层。

14、所述有机-无机杂化钙钛矿厚度为130nm，聚(3，4-乙烯二氧噻吩):聚(4苯乙烯磺酸盐)涂层厚度为40nm。

15、所述锁相放大器与电流驱动器之间还连接有函数发生器和加法器，所述函数发生器加法器用于调制dfb激光器信号。

16、基于钙钛矿复合材料涂层的石英音叉气体检测方法，所述检测方法包括以下步骤：

17、s1：启动检测系统并进行待测气体的吸收峰扫描，确保赫里奥特气体池内的温度达到所需的稳定温度，根据待测气体的光学特性和已知的吸收光谱，设置dfb激光器的波长扫描范围，扫描范围包括待测气体的最大吸收峰；

18、s2：启动dfb激光器和检测系统，确保处于正常工作状态，开始dfb激光器的波长扫描，并监测石英音叉探测器产生的信号，为后续的气体浓度计算提供数据支持；

19、s3：将氮气通过进气口冲入赫里奥特气体池中，可以清洗腔体内的空气，并排除存在的杂质和待测气体残留，之后充入待测气体于赫里奥特气体池中，通过压力表观察腔体密封是否完好，确认腔体密封完好后，开始进行实验；

20、s4：dfb激光器发射调制激光束进入赫里奥特气体池，其中的待测气体会吸收部分光能量，导致光的衰减，出射光聚焦后入射到涂覆有钙钛矿复合材料涂层的石英音叉臂上，在石英音叉臂上通过光热电效应及热弹效应产生微弱电信号送入锁相放大器；

21、s5：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。

22、本发明取得的技术效果为：

23、本发明的基于钙钛矿复合材料涂层的石英音叉气体检测系统及方法由于激光照射钙钛矿复合材料涂层所产生的光热电效应和石英音叉的光致热弹效应耦合产生更强的信号，提高了检测灵敏度，具有更低的最小检测限。

24、本发明的基于钙钛矿复合材料涂层的石英音叉气体检测系统及方法具备检测范围广发热特点，用涂覆有钙钛矿材料复合涂层的石英音叉作为探测器，不局限于近红外波段的测量，也可进行中红外波段的检测，可对多种气体进行检测。

25、本发明的基于钙钛矿复合材料涂层的石英音叉气体检测系统及方法使用的石英音叉品质因数较高，提高了系统检测灵敏度，噪声较低。

技术特征：

1.基于钙钛矿复合材料涂层的石英音叉气体检测系统，其特征在于：包括：dfb激光器(5)、赫里奥特气体池(10)、石英音叉探测器、石英音叉(12)和信号处理系统；

2.根据权利要求1所述的基于钙钛矿复合材料涂层的石英音叉气体检测系统，其特征在于：所述赫里奥特气体池(10)包括保温层、高反射率凹面镜(9)、进气口(6)、出气口(7)和压力表(8)，所述赫里奥特气体池(10)为密闭腔体结构，用于光学吸收测量；

3.根据权利要求1所述的基于钙钛矿复合材料涂层的石英音叉气体检测系统，其特征在于：所述dfb激光器(5)、电流驱动器(3)和温度控制器(4)共同控制调制出特定波长的激光束。

4.根据权利要求1所述的基于钙钛矿复合材料涂层的石英音叉气体检测系统，其特征在于：所述赫里奥特气体池(10)两端分别设置有两个楔形窗，所述赫里奥特气体池(10)与dfb激光器(5)之间设置有聚焦透镜(11)，激光束通过聚焦透镜(11)后射入到赫里奥特气体池(10)中。

5.根据权利要求1所述的基于钙钛矿复合材料涂层的石英音叉气体检测系统，其特征在于：所述钙钛矿复合材料涂层为聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(4苯乙烯磺酸盐)和有机-无机杂化钙钛矿而形成的复合层。

6.根据权利要求5所述的基于钙钛矿复合材料涂层的石英音叉气体检测系统，其特征在于：所述有机-无机杂化钙钛矿厚度为130nm，聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(4苯乙烯磺酸盐)涂层厚度为40nm。

7.根据权利要求3所述的基于钙钛矿复合材料涂层的石英音叉气体检测系统，其特征在于：所述锁相放大器(13)与电流驱动器(33)之间还连接有函数发生器(1)和加法器(2)，所述函数发生器(1)加法器(2)用于调制dfb激光器(5)信号。

8.基于钙钛矿复合材料涂层的石英音叉气体检测方法，其特征在于：所述检测方法包括以下步骤：

技术总结本发明属于气体检测技术领域，具体涉及基于钙钛矿复合材料涂层的石英音叉气体检测系统及方法，该系统包括：DFB激光器、赫里奥特气体池、石英音叉探测器、石英音叉和信号处理系统；所述DFB激光器包括电流驱动器和温度控制器，所述DFB激光器为分布反馈式激光器，所述DFB激光器位于赫里奥特气体池左侧，所述DFB激光器由电流驱动器和温度控制器共同控制，用于产生中心波长位于待测气体吸收峰的激光束，并将激光束射入赫里奥特气体池内；所述石英音叉探测器两极之间涂覆有钙钛矿复合材料涂层。本发明能够通过激光照射钙钛矿复合材料涂层所产生的光热电效应和石英音叉的光致热弹效应耦合产生更强的信号，提高了检测灵敏度，具有更低的最小检测限。技术研发人员：娄存广,张照彦,张瑜,李依凡,刘佩韩,陈建凯,刘志恒受保护的技术使用者：河北大学技术研发日：技术公布日：2024/8/27