专利名称：一种用于苯类气体检测的石英晶体谐振器、检测仪及检测方法
技术领域：
本发明涉及苯类气体检测设备及检测方法，更具体一点，本发明涉及一种用于苯类气体检测的石英晶体谐振器、检测仪及检测方法。
背景技术：
苯类气体具有较强的毒性，长期吸入或者短期超量吸入都会对人体的健康带来伤害。如果在苯类气体低浓度的情况下能够及时检测到工作和生活环境中的苯类气体的存在，对于改善人类的工作和生活环境具有极大的益处。专利申请200520121905. 0提供了一种测定空气中污染物的快速气体检测仪。其是由检测仪由发光器、滤光片、光电检测器和显示器构成。其中发光器是该检测仪的核心器件，它是由具有气体进口和出口的石英管和封闭于其中的局部表面烧结了多孔催化剂的陶瓷加热棒组成；催化剂的表面温度由温度控制器调节；催化剂烧结后有微孔，成膜厚度在 1 1. 5mm之间。该气体检测仪实现对空气中甲醛、苯系物、氨、醇和酮等污染物的现场测定。专利申请200920154249. 2则提供了另一种气体监测装置，特别是一种测定空气中苯系物含量的苯系物气体检测管。其特征是检测管由带有刻度线的透明玻璃管作为盛载器， 内部填装显色混合物，两端用过滤层堵塞，并用橡胶封头密封。所述的显色混合物是由苯系物、催化剂和载体组成。这种检测管价格低廉，便于携带，使用方便，可用于空气中苯系物的监测。然而上述的两个涉及苯类气体的检测设备，均需要催化剂才能使用，制作成本高昂，且往往需要一定浓度的苯类气体，才能达到检测的效果，对空气中苯类气体的检测灵敏度不高，难以形成有效地苯类气体检测方法。

发明内容
经研究发现，压电石英晶体是由全球储存量极多的二氧化硅(Si02)组成。如此多的原料储存量使得人造压电石英晶体成为压电行业的主要物料并且成本低。而压电石英晶片在厚度切变谐振模式的情况下，由于其特殊的频率和厚度成线性反比这一特性以及低成本等特点，成为制造一种苯类气体检测仪的一个极佳的关键部分。基于此，本发明提出了一种用于苯类气体检测的石英晶体谐振器、检测仪及检测方法。该用于苯类气体检测的石英晶体谐振器、检测仪及检测方法能够有效地结合压电石英晶片的特殊频率-厚度特性，对于苯类气体的检测灵敏度高，检测结果准确。本发明的另一个目的在于提供一种用于苯类气体检测的石英晶体谐振器、检测仪及检测方法，该用于苯类气体检测的石英晶体谐振器、检测仪及检测方法能够大批量制造出成本低的苯类气体检测仪，实现容易。为实现上述目地，本发明是这样实现的
一种用于苯类气体检测的石英晶体谐振器，其特征在于该石英晶体谐振器具有一开孔，使谐振的金属电极得以暴露在空气中，且所述金属电极上面覆盖有检验涂层(通常该类材料先要精心研磨，涂上去后要充分晾干)，检验涂层通常由能够与苯进行化学反应的物质构成，当这层物质和苯类气体接触后，这层物质会和苯产生化学反应，形成新的分子结构或物质，从而改变了原来涂层的重量(有些物质会使涂层变轻，有些物质会使涂层变重，如 Y -Fe203会变重，在吸附了被测气体时，Y_Fe203变成为Fe304)，从而改变了压电石英晶片在厚度切变谐振模式下谐振的有效厚度(在变轻的情况下，有效厚度变薄；在变重的情况下，有效厚度变厚)，进而改变了晶片的谐振频率，在频率改变的情况下实现报警。AT切压电石英晶片在厚度切变谐振模式下谐振的频率和晶片的有效厚度成反比，有以下公式 F=L 67/t (公式一)
t代表厚度，单位mm，F代表谐振频率，单位MHz，此谐振频率通常在IMHf200MHz之间。从而可以根据石英晶片的有效厚度变化得到空气中是否具有苯类气体的检测结^ ο石英晶体谐振器采用AT切压电石英晶片。在本发明中，AT切压电石英晶片的初始频率可根据设计要求而定，通常可以是lOMhz。可将该AT切压电石英晶片制作成一般的石英晶体谐振器，不同的是要在该谐振器的外盖上具一开孔，以便采集室内的气体可和该谐振器内的AT切压电石英晶片有接触。在AT切压电石英晶片金属电极上涂的对苯类气体敏感的检验涂层，该检验涂层可以是Y _Fe203，也可以是其它对苯类气体敏感的涂层。涂层的形状、尺寸、厚度和位置可根据设计要求而定。一种用于苯类气体检测的检测仪，该检测仪主要包括采集室、石英晶体谐振器、频率-信号转换器，所述石英晶体谐振器外表面具有一开口，使石英晶体谐振器内部的金属电极能够暴露于空气中，且在石英晶体谐振器的金属电极上具有一检测涂层，所述检验涂层为对能够与苯类气体发生化学反应的涂层；石英晶体谐振器设置于采集室中，石英晶体谐振器的频率输出端和频率-信号转换器连接，频率-信号转换器将检测结果对外输出；所述采集室至少具有一个缺口，以能够使空气进入到采集室中。所述检测仪，其频率-信号转换器还连接报警器，检测到苯类气体后进行报警。本发明中的采集室是一个五面封闭而一个面有开孔或缺口的腔体，这样设计的目的是为了减少采集室内的空气流动但又可以在比较静态的状态下透过有开孔或缺口采集到周围环境中的气体；同时，该采集室也可以保证石英晶体谐振器在工作时不受外界的干扰。更进一步，在开孔或缺口的上面设置有尘埃过滤器，以便减少尘埃的影响。制造气体采集室的材料可以是金属，也可以是非金属。气体采集室的形状可以是长方体、正方体、 圆柱体或任何其它形状的腔体，其形状和尺寸可由设计要求而定。采集室通过开孔的面和环境接触。外盖开孔的石英晶体谐振器通常位于气体采集室的底部，也可以位于其它适当的位置。当频率-信号转换器接收到频率后，会和开始采集气体之前的初始频率进行比较，计算出差值。为了保证检测的准确性，当开始采集气体后所接收到的频率和初始频率的差值超出一定阀值后，频率-信号转换器会发出一个驱动信号，驱动报警器报警。所述的阀值通常是根据石英晶体谐振器的误差范围进行设定，也可根据设计要求而定。该频率-信号转换器的输入端和石英晶片制作的外盖开孔的石英晶体谐振器的频率输出端连接，而其输出端和报警器的输入端连接。报警器在接收到频率-信号转换器发出的驱动信号后，发出报警。报警器可以是声音报警器，也可以是闪光报警器，也可以是其它报警器。具体来讲，本发明的主要检测流程如下
A.气体取样将气体采集室放在被检测的环境中；
如果被检测的环境中含有苯类气体，这类气体将随环境中的空气进入该气体采集室。B.检测苯类气体检测涂层和苯类气体发生化学反应；
当采集室内苯类气体的分子和位于采集室底部的外盖开孔的石英晶体谐振器内的检测涂层接触后，苯类气体分子会和苯类气体敏感的检测涂层(如Y_Fe203)发生化学反应， 形成新的分子结构，从而改变了原来涂料的重量(如Y "Fe203会变重)，从而改变了 AT切压电石英晶片在厚度切变谐振模式下谐振的有效厚度(在变轻的情况下，有效厚度变薄；在变重的情况下，有效厚度变厚)，进而改变了晶片的谐振频率，识别出苯类气体的存在。C.频率-信号转换频率-信号转换器接收石英晶体谐振器的输出频率，并计算差值；
当频率-信号转换器接收到来自于上述石英晶体谐振器的输出频率后，会和开始采集气体之前石英晶体谐振器的初始频率进行比较，计算出差值。D.报警当该差值超出一定阀值后，频率-信号转换器会输出一个驱动信号，报警器在接收到来自于频率-信号转换器输出的驱动信号后，发出报警。综合而言，本发明通过AT切压电石英晶片在厚度切变谐振模式下谐振的频率和晶片的有效厚度成反比这一特殊特性，以及对苯类气体敏感的涂料的苯化学反应这一特殊特性，实现了对有害的苯类气体的检测。且本发明具有实现简单、易于批量生产以及成本低。


图1为本发明实施的检测系统示意图。图2为本发明实施的采集室的机构示意图。图3为本发明实施的石英晶体谐振器的结构示意图。图4为本发明实施的检测流程图。
具体实施例方式下面结合附图所示，对本发明的实施作更进一步地说明。图1所示，实现本发明的检测仪包括气体采集室10、特制的用AT切压电石英晶片制作的外盖开孔的石英晶体谐振器20、频率-信号转换器30以及报警器40。气体采集室10的一个面具有一个条形开孔11，实现了其输入和外部环境的连接， 气体采集室10的内部安装有特制的用AT切压电石英晶片制作的外盖开孔的石英晶体谐振器20，石英晶体谐振器20通常安装于气体采集室10的底部12 (结合图2所示)。外盖开孔的石英晶体谐振器20的频率输出端和频率-信号转换器30的输入端连接。频率-信号转换器30的输出端和报警器40的输入端。通过以上各个部件的输入端和输出端的相应连接，实现了这个检测仪在功能上的连接。
结合图3所示(在这里，为了指出开孔的位置，对附图标记进行了修改，AT切压电石英晶片因为是公知的结构，不再用附图标记指示，与涂料层密切相关的金属电极被标记为22。金属电极22的位于石英晶体谐振器内部的一个比较大的部分，21则指的是开孔，23 是涂料层)，石英晶体谐振器20的外盖上具有一开孔21，使AT切压电石英晶片暴露于空气中，AT切压电石英晶片上面覆盖有金属电极22，金属电极22上还具体对苯类气体敏感的涂料23。图4所示，当气体采集室10放在被检测的环境中，如果被检测的环境中含有苯类气体，这类气体将随环境中的空气通过开孔11进入该气体采集室10。气体采集室内10苯类气体会通过开孔21进入到位于气体采集室10底部12的石英晶体谐振器20内，这样苯类气体分子会和AT切压电石英晶片上的金属电极22上涂的对苯类气体敏感的涂料23 (即能与苯类气体发生化学反应的涂料，如Y_Fe203)发生化学反应，形成新的分子结构，从而改变了原来涂料的重量(如Y "Fe203会变重)，从而改变了 AT 切压电石英晶片在厚度切变谐振模式下谐振的有效厚度(在涂料变轻的情况下，AT切压电石英晶片的有效厚度变薄；在涂料变重的情况下，AT切压电石英晶片的有效厚度变厚)，进而改变了 AT切压电石英晶片的谐振频率，识别出苯类气体的存在。当频率-信号转换器30接收到来自于外盖开孔的石英晶体谐振器20的输出频率后，会和开始采集气体之前石英晶体谐振器20的初始频率进行比较，自动计算出差值。当该差值超出一定阀门值后，频率-信号转换器30会输出一个驱动信号，驱动报警器40报
Sfc目。报警器40在接收到来自于频率-信号转换器30输出的驱动信号后，发出报警。通过这种方法，能够充分利用AT切压电石英晶片在厚度切变谐振模式下谐振的频率和晶片的有效厚度成反比这一特殊特性，以及对苯类气体敏感的涂料(如Y_Fe203) 的苯化学反应这一特殊特性，以及对频率可进行高精度测量这一能力，实现了对有害的苯类气体的检测。AT切压电石英晶片厚度的微小变化能够引起谐振频率的巨大变化，在晶片的厚度-频率这两个物理特性的转换过程中，在实施了对频率的精确测量后，也能够有效地提高对苯类有害气体的检测灵敏度，确保人们生活环境的安全。以上所述，仅仅是对本发明实施的具体描述，并不代表本发明所实施的所有方式。 在本发明目的及技术方案的基础上所做的等同变化及修饰，均在发明的保护范围内。
权利要求
1.一种用于苯类气体检测的石英晶体谐振器，其特征在于该石英晶体谐振器具有一开孔，使谐振的金属电极得以暴露在空气中，且所述金属电极上面覆盖有检验涂层。
2.如权利要求1所述的用于苯类气体检测的石英晶体谐振器，其特征在于石英晶体谐振器采用AT切压电石英晶片，石英晶体谐振器的外盖上具一开孔。
3.一种用于苯类气体检测的检测仪，其特征在于该检测仪主要包括采集室、石英晶体谐振器、频率-信号转换器和报警器，所述石英晶体谐振器外表面具有一开口，且在石英晶体谐振器的金属电极上具有一检测涂层，所述检验涂层为对能够与苯类气体发生化学反应的涂层；石英晶体谐振器设置于采集室中；频率-信号转换器的输入端和石英晶体谐振器的频率输出端连接，而其输出端和报警器的输入端连接；所述采集室至少具有一个缺口。
4.如权利要求3所述的用于苯类气体检测的检测仪，其特征在于采集室是一个五面封闭而一个面有开孔或缺口的腔体。
5.如权利要求4所述的用于苯类气体检测的检测仪，其特征在于在开孔或缺口的上面设置有尘埃过滤器。
6.如权利要求3所述的用于苯类气体检测的检测仪，其特征在于气体采集室的形状是长方体、正方体、圆柱体任意一种的腔体；石英晶体谐振器位于气体采集室的底部。
7.一种用于苯类气体检测的检测方法，其特征在于该方法包括如下步骤A.气体取样将气体采集室放在被检测的环境中；B.检测苯类气体检测涂层和苯类气体发生化学反应；C.频率-信号转换频率-信号转换器接收石英晶体谐振器的输出频率，并计算差值；D.报警报警器在接收到来自于频率-信号转换器输出的驱动信号后，发出报警。
8.如权利要求7所述的用于苯类气体检测的检测方法，其特征在于步骤C中，当该差值超出一定阀值后，频率-信号转换器会输出一个驱动信号给报警器。
全文摘要
本发明是一种用于苯类气体检测的石英晶体谐振器、检测仪及检测方法。该石英晶体谐振器具有一开孔，使谐振的金属电极得以暴露在空气中，且所述金属电极上面覆盖有检验涂层，检验涂层通常由能够与苯进行化学反应的物质构成，当这层物质和苯类气体接触后，这层物质会和苯产生化学反应，形成新的分子结构或物质，从而改变了原来涂层的重量，该石英晶体谐振器设置于采集室中，采集室至少具有一个缺口，以与外部环境连通，该用于苯类气体检测的石英晶片、检测仪及检测方法能够有效地结合压电石英晶片的特殊频率-厚度特性，对于苯类气体的检测灵敏度高，检测结果准确。
文档编号G01N27/00GK102412805SQ20111023081
公开日2012年4月11日 申请日期2011年8月12日 优先权日2011年8月12日
发明者刘霞, 刘青健, 彭芳, 熊春霞, 雷发振 申请人:应达利电子(深圳)有限公司