CN108828023A - 一种基于带宽增强技术的石墨烯气体传感器快速响应方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于带宽增强技术的石墨烯气体传感器快速响应方法，属于石墨烯传感器技术领域。所述方法将被检测气体通过石墨烯气体传感器，经过锁相放大器后，由数据采集模块得到测量数据；将测量数据利用多级抽取在时域上细分为多组数据；估算每组数据的功率谱密度；选取估算的功率谱密度在敏感频率范围内的部分噪声功率谱密度，积分得到每组数据的平均功率，再组合成为时域功率图；将时域功率图进行小波变换。本发明基于宽带增强技术对测量数据进行实时处理，使石墨烯气体传感器的响应特性有显著提升，气体进入传感器模块，传感器能够快速响应；气体离开传感器模块，传感器能够快速恢复初始状态，基线几乎没有漂移。

Description

一种基于带宽增强技术的石墨烯气体传感器快速响应方法

技术领域

本发明属于石墨烯传感器技术领域，具体涉及一种基于带宽增强技术来实现石墨烯气体传感器快速响应的方法。

背景技术

石墨烯具有独特的材料特性，它具有二维性和极其稳定的共价键。由于范德华力的弱相互作用和暴露于化学物质下的电荷散射机制，利用石墨烯可以提供室温下高灵敏度的气体传感解决方案。研究显示，不同化学物质的蒸气会对石墨烯的低频噪声谱产生明显不同的影响。因此，以石墨烯作为敏感元件的传感器研究层出不穷。

然而，石墨烯气体传感器仍然面临很多问题。在时域下利用石墨烯感测气体时，气体吸附-脱附过程花费时间很长，导致传感器反应时间长，响应特性差。并且，以石墨烯作为气体传感器导致的基线漂移已经是石墨烯作为气体传感器的一大障碍。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种利用带宽增强技术来实现石墨烯气体传感器快速响应的方法。所述方法具体包括：

步骤1，将被检测气体通过石墨烯气体传感器，经过锁相放大器后，由数据采集模块得到测量数据；

步骤2，将测量数据利用多级抽取在时域上细分为多组数据。

步骤3，估算每组数据的功率谱密度；

步骤4，选取估算的功率谱密度在敏感频率范围内的部分噪声功率谱密度；

步骤5，将选取的部分噪声功率谱密度进行积分得到每组数据的平均功率，再组合成为时域功率图；

步骤6，将时域功率图进行小波变换。

本发明的优点在于：

1、本发明在数据采集模块后的计算机中利用综合数字信号处理方法对数据进行实时处理，就会使石墨烯气体传感器的响应特性有显著提升。气体进入传感器模块，传感器能够快速响应；气体离开传感器模块，传感器能够快速恢复初始状态，基线几乎没有漂移。

2、本发明采用的多级抽取方法提高了结果中时域的测量精度。

3、估算每组数据的功率谱密度，适用于连续瞬态响应过程，可以对测量数据进行实时处理，缩小了延迟时间。

4、功率谱密度利用Blackman-Harris窗口的平均周期图法获得。其有益效果是较高的谐波分析精度，对幅值识别精度高，算法具有较强实时性。

5、选取敏感频率范围内的噪声功率谱密度，可以有效避免背景噪声对气体有效噪声数据的污染。

6、小波变换方法可以保留数据的细节，并且可以对数据进行去噪处理。

附图说明

图1为石墨烯气体传感器的测量系统示意图；

图2为石墨烯气体传感器的时域响应结果示意图；

图3为带宽增强技术处理过程示意图；

图4为石墨烯气体传感器使用带宽增强技术后的响应结果示意图。

图中：

1.铝盒；2.石墨烯场效应晶体管传感器； 3.塑料室；4.金属膜电阻；

5.锁相放大器；6.数据采集模块；7.计算机。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方法来对本发明方法作进一步具体说明。当结合以下描述时，将更好地领会和理解文中示例实施例的这些和其他方面。以下描述是用于说明的目的，而不是为了限制。在不脱离本发明的精神的前提下，可以在文中示例实施例的范围内做出多种改变和修改。为了清楚起见，在此说明书中并没有描述实际实现的所有特征。

本发明提供一种基于带宽增强技术的石墨烯气体传感器快速响应方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1，将被检测气体通过石墨烯气体传感器，经过锁相放大器后，由数据采集模块得到测量数据；

步骤2，将测量数据利用多级抽取在时域上细分为多组数据。

步骤3，估算每组数据的功率谱密度；

步骤4，选取估算的功率谱密度在敏感频率范围内的部分噪声功率谱密度；

步骤5，将选取的部分噪声功率谱密度进行积分得到每组数据的平均功率，再组合成为时域功率图；

步骤6，将时域功率图进行小波变换。

本发明还提供一种实现所述方法的装置，所述的装置包括铝盒1、石墨烯场效应晶体管传感器2、塑料室3、金属膜电阻4、锁相放大器5、数据采集模块6和计算机7。

所述的石墨烯场效应晶体管传感器2置于塑料室3内，然后将塑料室3置于铝盒1内，形成石墨烯气体传感器。所述的塑料室两侧有管道用于气体通过。

所述的锁相放大器5用于测量所述石墨烯气体传感器中石墨烯场效应晶体管传感器的源极-漏极间的电阻波动和背景噪声，并将其传递给数据采集模块6。

所述数据采集模块6用于采集和存储测量数据；并发送到计算机7进行数据处理。

如图1所示，本发明中的石墨烯场效应晶体管传感器2置于气密性良好的塑料室3中，然后被封装在一个铝盒1中，以降低来自环境的电子干扰。所述石墨烯场效应晶体管传感器2的石墨烯尺寸为1cm×1cm。

实验被测气体可以通过如下所述方式获得：

高纯氮气(>99.998％)与质量流量控制器一起使用，以控制总流量和进入塑料室3的蒸气浓度。干燥的氮气被分成两部分。一部分通过泵送入液体化学物质而使化学物质蒸气饱和，本发明中使用的液体化学物质为甲醇，并将甲醇蒸气作为被测气体，然后将含有干燥氮气的另一部分与第一部分含有被测气体的氮气混合以达到所需的被测气体浓度，以氮气作为底衬符合空气中大部分为氮气的环境。塑料室3两侧有管道供被测气体通过，甲醇蒸气可以在大气压下和室温下通过石墨烯场效应晶体管传感器2。石墨烯场效应晶体管传感器2的源极-漏极间可以施加电压。石墨烯场效应晶体管传感器2可以采用四点探针法连接一个低噪声金属膜电阻4，以避免石墨烯电阻测量中接触电阻的影响，低噪声金属膜电阻4阻值可以为1MΩ。

如图1所示，本发明的锁相放大器5采用锁定测量技术来获取石墨烯场效应晶体管传感器2的源极-漏极电压波动数据。锁相放大器5可以使用SR 860，一个500kHz双通道锁定放大器。锁相放大器5的信号输入端的A端子连接到V1端，B端子连接到V2端，Ref端子电压通过低噪声金属膜电阻4施加到源极，漏极和栅极电极处的直流偏压保持在地。使用四端子设备接收信号可以降低接触电阻的噪声。所述的V1端和V2端为四探针法中测量电压的两端点。石墨烯场效应晶体管传感器2的源极-漏极间电流偏置可以设置为1μA，使其足够小以避免载流频率的电迁移等电流感应效应明显高于噪声测量带宽的上截止频率。所有测量均在空气中、常温常压下进行。

如图1示，本发明的数据采集模块6可以采用数据采集卡的流模式以实现大容量数据采集、传输和高效存储。可以使用一个16位数据采集卡和一个实时采样数据采集卡，实时采样数据采集卡可以使用Pico 5242。Pico5242的CH2端子连接到锁相放大器5的信号输出端的X端子,CH1端子连接到锁相放大器5的信号输出端的Y端子。锁相放大器5的时间常数可以设置为30微秒，确定了5.3kHz的测量带宽。考虑到奈奎斯特采样定理，数据采集卡的采样率可以设置为40kHz。采集的数据通过USB口传输到计算机7中，在计算机7中进行数据处理。

整个传感器系统可以利用ARDUINO单片机实现远程控制。仪器控制和气体测量过程可以利用MATLAB程序自动执行。

以下过程可以在图1所示的计算机7中实现。如图2所示，由于复杂的环境噪声污染，石墨烯场效应晶体管传感器2在时域上的响应有明显的滞后，且多次测量后的基线大幅度漂移。可以采用带宽增强技术对数据进行处理以获得石墨烯气体传感器的快速响应特性。图3解释了本发明所提出的带宽增强方法的详细过程，输入端是直接得到的时域上的测量数据，可以看出，由于复杂的环境噪声污染，直接得到的测量结果很嘈杂。首先，可以将测量数据根据数据规模利用多级抽取的方法，在时域上细分为多组数据，提高结果中时域的测量精度；再估算每组数据的功率谱密度，可以利用电阻数值或电压数值对功率谱密度进行归一化处理，使其变为无量纲的标量，这样可以拓展出石墨烯气体传感器对气体浓度的测量。功率谱密度适用于连续瞬态响应过程，可以对测量数据进行实时处理，缩小了延迟时间。

选取甲醇的敏感频率范围50-500Hz部分的噪声功率谱密度，将噪声功率谱密度进行积分得到每组数据的平均功率(也称积分功率谱密度)，再组合成为时域功率图，将时域功率图使用小波变换方法对信号进行一维去噪和恢复，可以得到输出端的时域图，如图4所示，带宽增强技术处理后的数据不仅响应时间成倍提高，而且基线很稳定。

在数据采集模块后的计算机中利用综合数字信号处理方法对数据进行实时处理，就会使石墨烯气体传感器的响应特性有显著提升。被测气体进入石墨烯气体传感器，石墨烯气体传感器能够快速响应；被测气体离开石墨烯气体传感器，石墨烯气体传感器能够快速恢复初始状态，基线几乎没有漂移。

所述的小波变换方法使用三级哈尔小波的一维平稳小波变换。其有益效果是小波变换在时域具有良好局部化特性，可以保留数据的细节，并且可以对数据进行去噪处理。

多级抽取的特定频率范围根据气体特性决定。其有益效果是石墨烯气体传感器对气体反应最强烈的这个频率段气体所带来的噪声信息占主导，选取这一部分可以有效避免背景噪声对气体有效噪声数据的污染。对于不同的被测气体，敏感频率范围略有不同，具体给出为：乙醇的敏感频率范围20-400Hz；四氢呋喃的敏感频率范围1-20Hz；乙腈的敏感频率范围200-1000Hz；氯仿的敏感频率范围1-10Hz。

功率谱密度利用Blackman-Harris窗口的平均周期图法获得。其有益效果是较高的谐波分析精度，对幅值识别精度高，算法具有较强实时性。

带宽增强技术缩小了石墨烯气体传感器的响应时间，减少了基线漂移，且使用的方法都具有实时性，实现石墨烯气体传感器对被测气体进行实时监测。这种方法不仅扩大了石墨烯气体传感器的应用范围，甚至可以应用于更多以噪声为传感器参数的传感器的特性改善。

Claims (6)

1.一种基于带宽增强技术的石墨烯气体传感器快速响应方法，其特征在于：所述方法具体包括：

步骤1，将被测气体通过石墨烯气体传感器，经过锁相放大器后，由数据采集模块得到测量数据；

步骤2，将测量数据利用多级抽取在时域上细分为多组数据；

步骤3，估算每组数据的功率谱密度；

步骤4，选取估算的功率谱密度在敏感频率范围内的噪声功率谱密度；

步骤5，将选取的噪声功率谱密度进行积分得到每组数据的平均功率，再组合成为时域功率图；

步骤6，将时域功率图进行小波变换。

2.根据权利要求1所述的一种基于带宽增强技术的石墨烯气体传感器快速响应方法，其特征在于：所述的石墨烯气体传感器通过将石墨烯场效应晶体管传感器置于塑料室内，然后将塑料室置于铝盒内形成。

3.根据权利要求1所述的一种基于带宽增强技术的石墨烯气体传感器快速响应方法，其特征在于：所述的小波变换方法使用三级哈尔小波的一维平稳小波变换。

4.根据权利要求1所述的一种基于带宽增强技术的石墨烯气体传感器快速响应方法，其特征在于：功率谱密度利用Blackman-Harris窗口的平均周期图法获得。

5.根据权利要求1所述的一种基于带宽增强技术的石墨烯气体传感器快速响应方法，其特征在于：对于不同的被测气体，敏感频率范围为：甲醇的敏感频率范围50-500Hz；乙醇的敏感频率范围20-400Hz；四氢呋喃的敏感频率范围1-20Hz；乙腈的敏感频率范围200-1000Hz；氯仿的敏感频率范围1-10Hz。

6.一种基于带宽增强技术的石墨烯气体传感器快速响应方法的实现装置，其特征在于：所述的实现装置包括铝盒、石墨烯场效应晶体管传感器、塑料室、金属膜电阻、锁相放大器、数据采集模块和计算机；所述的塑料室两侧有管道用于气体通过；所述的锁相放大器用于测量所述石墨烯气体传感器中石墨烯场效应晶体管传感器的源极-漏极间的电阻波动和背景噪声，并将其传递给数据采集模块；所述数据采集模块用于采集和存储测量数据；并发送到计算机进行数据处理；

石墨烯场效应晶体管传感器采用四点探针法连接一个低噪声金属膜电阻，锁相放大器的信号输入端的A端子连接到V1端，B端子连接到V2端，Ref端子电压通过低噪声金属膜电阻施加到源极，漏极和栅极电极处的直流偏压保持在地；数据采集模块CH2端子连接到锁相放大器的信号输出端的X端子，CH1端子连接到锁相放大器的信号输出端的Y端子。