CN117571817A - 一种基于悬臂梁和光反射的甲醛探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及甲醛探测技术领域，具体涉及一种基于悬臂梁和光反射的甲醛探测系统，包括悬臂梁系统、光学系统、敏感材料。悬臂梁系统包括底座、悬臂梁、振源、传感器。传感器用于探测悬臂梁的共振频率。光学系统包括光源、光探测器。敏感材料固定在悬臂梁上，敏感材料与甲醛反应，改变悬臂梁的共振频率。光源发出的光照射敏感材料，经敏感材料反射后，被光探测器收集。本发明在悬臂梁上引入敏感材料，敏感材料与甲醛反应或吸附甲醛后，敏感材料的力学特性发生变化，从而改变了悬臂梁的共振频率；另外，敏感材料吸附甲醛或者与甲醛反应后，改变了颜色。本发明从共振频率和颜色两方面实现甲醛探测，具有更高的灵敏度和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及甲醛探测技术领域，具体涉及一种基于悬臂梁和光反射的甲醛探测系统。
背景技术
甲醛是一种广泛存在于室内环境中的挥发性有机化合物，来源包括家具、建筑材料、装饰品等。长期暴露于高浓度的甲醛环境可能对人体健康造成潜在威胁，包括但不限于呼吸系统疾病、皮肤过敏等。因此，对室内甲醛浓度的实时监测变得尤为重要。
传统的甲醛探测方法主要包括气相色谱法、光谱法和电化学法等（FormaldehydeGas Sensors: A Review, Sensors, 2013, 13(4), 4468-4484; FormaldehydeDetection Methods: A Review, Sensors and Actuators B: Chemical, 2018, 263,316-325; Recent Advances in Formaldehyde Sensing Technologies, Sensors andActuators B: Chemical, 2019, 281, 276-290）。这些方法在一定程度上可以实现对甲醛的检测，然而，它们普遍存在一些缺点：传统的气相色谱法对设备体积大、响应时间慢、操作复杂等问题，限制了其在实时监测中的应用。光谱法虽然灵敏度高，但仍然受到设备昂贵、需要专业人员操作和对环境光干扰等问题的制约，使其在大规模实时监测中应用受限。传统的电化学法由于其灵敏度和稳定性相对较低，容易受到干扰，使其在实际应用中存在一定的局限性。
面对传统甲醛探测方法的种种限制，迫切需要探索新原理的甲醛探测技术。通过引入新的技术原理，可以实现对甲醛浓度更加准确、高效、实时的监测，提高甲醛探测技术的可行性和实用性。另一方面，传统甲醛探测技术通常只基于一种检测原理，如光学效应或电化学效应，而无法全面、准确地获取有关甲醛浓度的信息。因此，探索同时基于两种效应的甲醛探测技术显得尤为重要。结合多种检测原理，可以提高甲醛探测的综合性能，增强其在实际应用中的适用性。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种基于悬臂梁和光反射的甲醛探测系统，包括悬臂梁系统、光学系统、敏感材料。悬臂梁系统包括底座、悬臂梁、振源、传感器。传感器用于探测悬臂梁的共振频率。光学系统包括光源、光探测器。敏感材料固定在悬臂梁上，敏感材料与甲醛反应，改变悬臂梁的共振频率。光源发出的光照射敏感材料，经敏感材料反射后，被光探测器收集。敏感材料与甲醛的反应，还改变了敏感材料的光反射特性。
本发明在悬臂梁上引入敏感材料，敏感材料与甲醛反应或吸附甲醛后，敏感材料的力学特性发生变化，从而改变了悬臂梁的共振频率；另外，敏感材料吸附甲醛或者与甲醛反应后，改变了颜色。本发明从共振频率和颜色两方面实现甲醛探测，具有更高的灵敏度。
更进一步地，敏感材料为木质纤维。
更进一步地，光源发射连续光谱，光探测器探测敏感材料的反射光谱。
更进一步地，振源采用电磁激励、压电激励、声波激励、机械激励或光学激励。
更进一步地，悬臂梁的材料为硅、铝、金属合金、半导体、金刚石。
更进一步地，木质纤维粘附在悬臂梁上。
更进一步地，木质纤维的方向沿悬臂梁的方向，以增强木质纤维与悬臂梁之间的作用。
更进一步地，悬臂梁上设有凹槽，木质纤维设置在凹槽内。
更进一步地，凹槽的截面为V形，凹槽沿悬臂梁方向。
更进一步地，凹槽延伸至悬臂梁的自由端。
本发明的有益效果：
（1）本发明在悬臂梁上设置敏感材料，敏感材料与甲醛反应或吸附甲醛后，敏感材料的力学特性发生变化，从而改变了悬臂梁的共振频率；另外，敏感材料吸附甲醛或者与甲醛反应后，改变了颜色。本发明从共振频率和颜色两方面实现甲醛探测，具有更高的灵敏度和准确性。
（2）本发明在将木质纤维的方向设置为悬臂梁方向，更多地改变了悬臂梁整体结构的弹性系数，更多地改变了悬臂梁的共振频率，提高了甲醛探测的灵敏度。
（3）本发明在悬臂梁上设置凹槽，将木质纤维设置在凹槽内，气体被限制在凹槽内，增强了甲醛与木质纤维的吸附作用，甲醛能够更多地改变木质纤维的力学特性和光学特性，提高了甲醛探测的灵敏度。
综合以上效果，本发明在甲醛探测技术领域具有良好的应用前景。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是一种悬臂梁和敏感材料位置的示意图。
图2是一种具有凹槽的悬臂梁的截面图。
图中：1、悬臂梁；2、敏感材料；11、固定端；12、自由端。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。
本发明提供了一种基于悬臂梁和光反射的甲醛探测系统，包括悬臂梁系统、光学系统、敏感材料。悬臂梁系统包括底座、悬臂梁、振源、传感器。悬臂梁的材料为硅、铝、金属合金、半导体、金刚石。悬臂梁的长度大于10微米、小于1000微米，悬臂梁的宽度大于1微米、小于100微米，悬臂梁的厚度大于1微米、小于40微米。悬臂梁固定在底座上，底座的长度大于100微米、小于1000微米，底座的宽度大于10微纳、小于1000微米，底座的厚度大于50微米、小于500微米。振源作用到悬臂梁上，迫使悬臂梁振动。振源可以采用电磁激励（在悬臂梁上放置电磁激励器，通过电磁力使悬臂梁振动）、压电激励（利用压电材料，将压电陶瓷或晶体片附加到悬臂梁上，通过应用电场来激发压电材料，从而引起悬臂梁的振动）、声波激励（利用声波源产生的声波作用于悬臂梁，使得悬臂梁振动）、机械激励（通过直接施加机械力或震动源到悬臂梁上，使得悬臂梁振动）或光学激励（使用光学激励器，通过激光束或其他光学手段，将能量传递到悬臂梁上）。压电激励是利用压电材料将电能转换为机械振动，能够实现能量的高效转换，压电激励也可以实现精密振动控制，还具有体积小、重量轻、频率易调节等优点。本发明优选振源采用压电激励，除上述优点外，还免除了其他激励源影响甲醛分布。传感器用于探测悬臂梁的共振频率。测量悬臂梁的共振频率时，首先激励悬臂梁到振动状态；然后放置一个或多个传感器以监测悬臂梁的振动，传感器可以是振动传感器、加速度传感器、位移传感器等；然后通过适当的数据采集系统，记录传感器输出的信号，对记录的数据进行频谱分析，通过傅里叶变换等方法将信号从时域转换到频率，在频域中，识别共振频率的峰值。敏感材料固定在悬臂梁上，敏感材料与甲醛反应，改变悬臂梁的共振频率。总之，悬臂梁系统用于探测敏感材料吸附甲醛或和甲醛反应后，悬臂梁共振频率的变化，从力学角度实现甲醛探测。光学系统包括光源、光探测器；光源发出的光照射敏感材料，经敏感材料反射后，被光探测器收集，敏感材料与甲醛的反应，还改变了敏感材料的光反射特性。光学系统用于探测敏感材料吸附甲醛或和甲醛反应后，敏感材料的光学特性变化，从光学角度实现甲醛探测。
本发明在悬臂梁上设置敏感材料。敏感材料与甲醛反应或吸附甲醛后，敏感材料的力学特性发生变化，从而改变了悬臂梁的共振频率。另外，敏感材料吸附甲醛或者与甲醛反应后，敏感材料改变了颜色或者说改变了光学特性。本发明从力学特性和光学特性两方面实现甲醛探测，具有更高的灵敏度。当敏感材料吸附甲醛后或和甲醛反应后，只要能够改变自身的力学特性和光学特性，均能实现本发明的核心构思，这样的敏感材料也均在本发明的保护范围之内。
优选地，敏感材料为木质纤维，具体地，木质纤维粘附在悬臂梁上，所用的胶水为环氧树脂胶水、聚氨酯胶水、甲基丙烯酸纸胶水、硅橡胶。优选地，胶水中掺杂有活性炭。活性炭具有良好吸附甲醛的性能，将活性炭添加到胶水中，可以使胶水具有一定的吸附甲醛的能力，从而使得木质纤维也吸附更多的甲醛。木质纤维来自阔叶树种，例如白蜡木、橡木、枫木等，这些树种的木质纤维具有较好的吸附甲醛能力。另外，木质纤维还可以为竹材纤维和一些经过特殊处理的木材，如热处理、醋酸处理等，增强了木材的吸附性能。如图1所示，木质纤维2设置在悬臂梁1上，靠近自由端12、远离固定端11。木质纤维的结构是多孔的，包含许多微小的孔隙和纤维间隙。这些孔隙提供了较大的表面积，有助于甲醛分子的吸附。孔隙结构有助于增加与甲醛分子接触的表面积，从而提高吸附效率。另外，木质纤维的成分主要是纤维素、半纤维素和木质素等，这些天然的生物聚合物具有与甲醛分子相互作用的亲和性。特别是纤维素中含有大量的羟基，这些羟基可以与甲醛发生氢键相互作用，增加甲醛在木质纤维上的吸附能力。在甲醛环境中，木质纤维2中的纤维结构与甲醛发生缩合反应，导致木质纤维2变得更加坚硬和坚固，改变了木质纤维2的弹性系数，提高了悬臂梁1的共振频率。悬臂梁1的共振频率可以通过经典的振动理论来描述。一般来说，悬臂梁1的共振频率f与其长度L、杨氏模量E、截面惯性矩I和质量m之间存在关系。如果在悬臂梁1上附着了一个额外的材料，这个材料的硬度变化会影响到截面惯性矩I或杨氏模量E。具体地，悬臂梁共振频率的公式为：
其中：f是共振频率（Hz），L是悬臂梁的长度（m），E是杨氏模量（Pa），I是截面惯性矩（m^4），m是悬臂梁的质量（kg）。
在本发明中，木质纤维2吸附甲醛后，不仅改变了自身的硬度，而且甲醛与木质纤维2中的羟基反应形成甲醛脲，降低了木质纤维2的吸湿性，使其更稳定。另外，木质纤维2吸附甲醛后，与甲醛反应，木质纤维2的颜色发生变化，便于应该光学方法测试甲醛的浓度。优选地，悬臂梁1的表面为粗糙状，便于将木质纤维2通过胶水更牢固地粘附在悬臂梁表面。
优选地，光源发射连续光谱，光探测器探测敏感材料的反射光谱。光源可以为白炽灯、Xe弧光灯、激光等离子体光源。光探测器包括光谱仪或分光器。本发明可以采用单色光照射敏感材料，应用光强探测器进行探测，也能监测到敏感材料光学特性的变化。但是，优选地，本发明采用连续谱光谱光源，用光探测器探测敏感材料的反射光谱，能够更全面地反映敏感材料光反射特性的变化，实现更高准确度和灵敏度的甲醛探测。
优选地，如图1所示，木质纤维2的方向沿悬臂梁1的方向。在木质纤维2吸附甲醛变硬时，木质纤维2对悬臂梁1的作用更强，能够更多地改变悬臂梁1的共振频率，从而实现更高灵敏度的甲醛探测。
优选地，悬臂梁1上设有凹槽，木质纤维2设置在凹槽内。凹槽的截面为V形，凹槽沿悬臂梁1方向。木质纤维2贴附在凹槽的侧面，尤其是靠近V形底部的侧面。V形凹槽限制了气流，使得气流中的甲醛能够与木质纤维2更充分作用，更多地改变木质纤维2的力学特性，从而更多地改变悬臂梁1的共振频率。更进一步地，凹槽延伸至悬臂梁1的自由端12。在悬臂梁1振动时，凹槽中的空气从自由端一侧流出，也就是空气能够沿着V形凹槽更好地流动，这样更多空气中的甲醛能够与木质纤维2作用，更多地改变木质纤维2的力学特性，从而实现更高灵敏度的甲醛探测。
优选地，木质纤维2中掺杂有半导体量子点。制作时，可以将木质纤维2浸泡在半导体量子点溶液中，然后晾干。这些半导体量子点可以为CdSe（硒化镉）量子点、CdTe（碲化镉）量子点、InP（磷化铟）量子点、ZnS（硫化锌）量子点、PbS（硫化铅）量子点、碳量子点。这些半导体量子点的尺寸在几纳米至几十纳米之间，根据其荧光特性的需要设计尺寸。在木质纤维2中掺杂半导体量子点，当木质纤维2吸附甲醛时，木质纤维2的硬度改变更大，更多地改变悬臂梁1的共振频率。另一方面，木质纤维2变硬后，也改变了半导体量子点的周围环境，半导体量子点处于更大的压力之中，这些压力改变了半导体量子点的电子结构、能带结构以及晶格参数，从而影响了其光学性质。具体地，增加压力导致半导体量子点的能带结构发生变化，进而导致荧光波长的移动；压力变化还影响了电子和空穴的重新组合速率，进而影响了荧光的强度。因此，在探测木质纤维2反射光谱的基础上，再增设半导体量子点的激发光源和荧光探测装置，对半导体量子点的荧光特性进行探测，识别木质纤维2吸附甲醛后，半导体量子点荧光特性的变化，再从一个新的维度实现甲醛探测，使得甲醛探测具有更高的准确性和灵敏度。
总之，本发明提供了一种基于悬臂梁和光反射的甲醛探测系统，包括悬臂梁系统、光学系统、敏感材料。悬臂梁系统包括底座、悬臂梁1、振源、传感器。传感器用于探测悬臂梁1的共振频率。光学系统包括光源、光探测器。敏感材料固定在悬臂梁1上，敏感材料与甲醛反应，改变悬臂梁1的共振频率。光源发出的光照射敏感材料，经敏感材料反射后，被光探测器收集。本发明在悬臂梁1上引入敏感材料，敏感材料与甲醛反应或吸附甲醛后，敏感材料的力学特性发生变化，从而改变了悬臂梁1的共振频率；另外，敏感材料吸附甲醛或者与甲醛反应后，改变了颜色。本发明从共振频率和颜色两方面实现甲醛探测，具有更高的灵敏度和准确性，在甲醛探测技术领域具有良好的应用前景。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种基于悬臂梁和光反射的甲醛探测系统，其特征在于：包括悬臂梁系统、光学系统、敏感材料；所述悬臂梁系统包括底座、悬臂梁、振源、传感器，所述传感器用于探测所述悬臂梁的共振频率；所述光学系统包括光源、光探测器；所述敏感材料固定在所述悬臂梁上，所述敏感材料与甲醛反应，改变所述悬臂梁的共振频率；所述光源发出的光照射所述敏感材料，经所述敏感材料反射后，被所述光探测器收集；所述敏感材料与甲醛的反应，还改变了所述敏感材料的光反射特性。
2.如权利要求1所述的基于悬臂梁和光反射的甲醛探测系统，其特征在于：所述敏感材料为木质纤维。
3.如权利要求2所述的基于悬臂梁和光反射的甲醛探测系统，其特征在于：所述光源发射连续光谱，所述光探测器探测所述敏感材料的反射光谱。
4.如权利要求2所述的基于悬臂梁和光反射的甲醛探测系统，其特征在于：所述振源采用电磁激励、压电激励、声波激励、机械激励或光学激励。
5.如权利要求2所述的基于悬臂梁和光反射的甲醛探测系统，其特征在于：所述悬臂梁的材料为硅、铝、金属合金、半导体、金刚石。
6.如权利要求2所述的基于悬臂梁和光反射的甲醛探测系统，其特征在于：所述木质纤维粘附在悬臂梁上。
7.如权利要求2-6任一项所述的基于悬臂梁和光反射的甲醛探测系统，其特征在于：所述木质纤维的方向沿所述悬臂梁的方向。
8.如权利要求7所述的基于悬臂梁和光反射的甲醛探测系统，其特征在于：所述悬臂梁上设有凹槽，所述木质纤维设置在凹槽内。
9.如权利要求8所述的基于悬臂梁和光反射的甲醛探测系统，其特征在于：所述凹槽的截面为V形，所述凹槽沿所述悬臂梁方向。
10.如权利要求9所述的基于悬臂梁和光反射的甲醛探测系统，其特征在于：所述凹槽延伸至所述悬臂梁的自由端。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1719240A (zh) * | 2005-08-05 | 2006-01-11 | 黑龙江大学 | 微悬臂梁谐振式酞菁锌薄膜气体传感器及其制备方法 |
| CN101477029A (zh) * | 2009-01-16 | 2009-07-08 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 提高谐振式超薄悬臂梁传感器灵敏度的表面应力敏感方法 |
| CN102175764A (zh) * | 2011-02-24 | 2011-09-07 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 功能化介孔材料为敏感材料的质量型化学传感器及方法 |
| CN106841067A (zh) * | 2017-01-17 | 2017-06-13 | 大连理工大学 | 一种基于选择性波段的气体传感器及其检测方法 |
| CN108169428A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-06-15 | 华南师范大学 | 一种甲醛气体、湿度和温度集成监测设备 |
| CN108226115A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-06-29 | 华南师范大学 | 一种用于甲醛气体、湿度和温度多功能检测的纳米复合敏感膜及其制备 |
| CN117368123A (zh) * | 2023-09-04 | 2024-01-09 | 南京邮电大学 | 一种悬臂梁式气体传感器的制作方法 |
-
2024
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Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1719240A (zh) * | 2005-08-05 | 2006-01-11 | 黑龙江大学 | 微悬臂梁谐振式酞菁锌薄膜气体传感器及其制备方法 |
| CN101477029A (zh) * | 2009-01-16 | 2009-07-08 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 提高谐振式超薄悬臂梁传感器灵敏度的表面应力敏感方法 |
| CN102175764A (zh) * | 2011-02-24 | 2011-09-07 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 功能化介孔材料为敏感材料的质量型化学传感器及方法 |
| CN106841067A (zh) * | 2017-01-17 | 2017-06-13 | 大连理工大学 | 一种基于选择性波段的气体传感器及其检测方法 |
| CN108169428A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-06-15 | 华南师范大学 | 一种甲醛气体、湿度和温度集成监测设备 |
| CN108226115A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-06-29 | 华南师范大学 | 一种用于甲醛气体、湿度和温度多功能检测的纳米复合敏感膜及其制备 |
| CN117368123A (zh) * | 2023-09-04 | 2024-01-09 | 南京邮电大学 | 一种悬臂梁式气体传感器的制作方法 |
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