李惠玲，陳昭炎，朱國強，王智業(yè)

(嘉應(yīng)學院 物理系，廣東 梅州 514015)

基于光聲效應(yīng)的液位自動測量裝置設(shè)計

李惠玲，陳昭炎，朱國強，王智業(yè)

(嘉應(yīng)學院 物理系，廣東 梅州 514015)

提出了一種利用光聲效應(yīng)產(chǎn)生的聲音信號激勵圓柱形封閉腔體產(chǎn)生共振，實現(xiàn)非接觸式實時液位自動測量的裝置。利用調(diào)制激光照射在封閉、透明腔體內(nèi)的黑色涂層上，當激光信號頻率與腔體機構(gòu)固有頻率達到一致時，腔體內(nèi)的光聲信號振幅將達到最大。腔體內(nèi)的振動情況由頂部駐極體電容式麥克風進行檢測。待測容器與密封腔體底部連通，液位變化，則共振頻率隨之變化。結(jié)合單片機設(shè)計相應(yīng)的軟件進行液位自動測量，同時利用手機APP實現(xiàn)液位的無線監(jiān)測。測量過程在1 min之內(nèi)完成，測量精度可達1 mm。應(yīng)用光聲效應(yīng)產(chǎn)生腔體共振，通過測量共振頻率來測量液位，是光聲效應(yīng)的獨創(chuàng)性應(yīng)用。

光聲效應(yīng)； 液位測量； 無線監(jiān)測

0 引 言

1880年美國著名的科學家Bell首先在固體中發(fā)現(xiàn)了光聲效應(yīng)：一塊被密封在透明小腔中的固體材料在周期性遮斷的太陽光的照射下就能從腔壁上的話筒里聽到聲音[1]。光聲效應(yīng)是一種光誘導聲振動的過程。當物質(zhì)吸收光后，部分光能轉(zhuǎn)換成熱能，使物體的溫度升高和體積膨脹。如果對入射光進行周期性調(diào)制，則在物體內(nèi)便會產(chǎn)生周期性振動，這種周期性振動在空間的傳播形成聲波，稱為光聲信號。光聲信號的頻率和入射光的調(diào)制頻率完全相同[2-4]。

從發(fā)現(xiàn)光聲效應(yīng)到現(xiàn)在，已經(jīng)發(fā)展成很成熟的技術(shù)，在諸多領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用，如監(jiān)測大氣污染、檢測物質(zhì)的吸收譜、測定一些半導體材料的能級躍遷和熒光物質(zhì)、光導材料的量子效率、監(jiān)測光化學過程等[5-9]。本文利用光聲效應(yīng)測量液位，通過單片機的電路控制，實時顯示所測液位。

1 實驗裝置設(shè)計

1.1總體結(jié)構(gòu)和測量原理

測量裝置主要由測量腔體、待測容器、黑色涂層、麥克風、激光器、單片機控制電路板、LCD顯示屏、示波器和藍牙模塊等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。測量腔體為圓柱形玻璃容器，底部與待測容器連通，測量腔體上部內(nèi)壁涂有黑色涂層(例如炭黑)，頂部封閉。將一束經(jīng)斬波器調(diào)制的激光照射在黑色涂層上，則在腔體內(nèi)部發(fā)生光聲效應(yīng)，產(chǎn)生光聲信號，置于容器內(nèi)頂部的駐極體電容式麥克風采集該信號，經(jīng)信號放大器放大后反饋回控制電路，并輸入到示波器中進行觀察。對激光進行掃頻過程中會出現(xiàn)多個共振信號。當光聲信號頻率與腔體固有頻率達到一致時，會在腔體的內(nèi)部發(fā)生耦合現(xiàn)象，共振信號達到最大，如圖2所示，共振光聲信號為正弦函數(shù)圖像。當測量腔體中液位變化，腔體的固有頻率發(fā)生相應(yīng)變化。測量出多組不同液位及對應(yīng)的腔體共振頻率值，用Origin軟件擬合出腔體共振頻率與液位之間的關(guān)系式進行定標；實測時得到某一液位對應(yīng)的腔體共振頻率，代入該關(guān)系式計算出對應(yīng)的液位值。測量結(jié)果由LCD屏顯示，并發(fā)送到手機APP。 以上過程借助單片機程序輔助實現(xiàn)。

圖1 液位自動測量裝置圖

1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計

系統(tǒng)電路框圖如圖3所示，分為單片機系統(tǒng)電路、激光斬波電路、共振光聲信號處理電路、藍牙模塊收發(fā)接口電路。為了減小藍牙通信時的傳輸誤差，晶振采用11.059 2 MHz。

圖2 共振時的光聲信號

圖3 系統(tǒng)電路框圖

激光斬波電路如圖4所示，通過單片機程序控制P8(DDS模塊為信號發(fā)生器)產(chǎn)生可變頻率的PWM，用于激光掃頻，DDS采用串行數(shù)據(jù)接口，通過一只Q1(NPN三極管)來驅(qū)動激光，實現(xiàn)激光斬波效果。其中，P3為外接4.2 V電源，P5為開關(guān)，P4為激光接口，J1為10 kΩ電位器，作用是兼容不同激光的斬波。因為每一種激光的工作電流不一樣，可以通過調(diào)節(jié)電位器，使激光達到亮與不亮的臨界點。D9為二極管。

圖4 激光斬波電路

光聲信號處理電路如圖5所示，因為光聲信號產(chǎn)生的信號比較小，約5～20 mV，這里使用LM386放大由光聲效應(yīng)產(chǎn)生的聲音信號。通過接在1腳、8腳間的10 μF電容(C1)來改變增益為200；電位器RP1的作用是改變輸入信號的電壓，因為如果輸入信號電壓過大，再增益200，就會導致信號失真；電容C2是旁路電容；電容C3的作用是隔直流信號通交流信號；電阻R2和電容C4的作用是濾除高頻信號。0 Ω電阻R1用于跳線。

圖5 共振光聲信號處理電路

1.3單片機程序設(shè)計

根據(jù)測量要求，需要在一定的激光掃頻范圍內(nèi)找到共振聲音信號的極值。設(shè)5個連續(xù)信號分別為U1～U5，如圖6所示，假設(shè)U3為極值電壓，則有：

U1

(1)

U3>U4>U5

(2)

圖6 電壓采集示意圖

在程序中采用數(shù)組來保存數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)滿足上述關(guān)系時取出極值，通過向前遞推的方法更新數(shù)據(jù)，直到找出最大的共振信號。

程序設(shè)計流程圖如圖7所示。單片機上電，首先進行初始化操作，包括LCD、ADC、藍牙以及AD9850的初始化。U用于保存滿足式(1)、(2)的極值，對應(yīng)的共振信號頻率用f表示，freq表示激光頻率。初始化完成后，U=0,掃頻開始，此時單片機連續(xù)采集5個電壓值，分別是U1～U5，當U1U4>U5時，如果此時的U3>U,U3賦值給U，激光掃頻freq+1，如此循環(huán)。電壓采集與處理流程如圖8所示。本裝置測量的液位在0～20 cm，根據(jù)多次測量經(jīng)驗，將掃頻范圍設(shè)定在0.4～1.4 kHz。當freq>1.4 kHz時，掃頻完成，flag+1，U值為最大的共振信號，對應(yīng)的激光頻率為f。將共振頻率f代入腔體共振頻率與液位之間的關(guān)系式，得到當前測量的液位值，在LCD上顯示該值并發(fā)送到手機APP。當flag=1時，掃頻完成。接著開始定域掃頻，如圖9所示，根據(jù)第二次的掃頻結(jié)果，重新設(shè)定掃頻范圍在[f±10]Hz(其中，V_Last用于保存上一次的最大光聲信號電壓值，F(xiàn)_Last用于保存上一次的最大共振頻率)，并把每一次的掃頻結(jié)果根據(jù)擬合函數(shù)在LCD上顯示液位值，并發(fā)送到手機APP，直到液位發(fā)生變化，U值大幅下降，程序?qū)lag清零，重新在0.4～1.4 kHz內(nèi)掃頻。如此不斷循環(huán)[10]。

圖7 程序設(shè)計流程

1.4手機APP設(shè)計

主界面設(shè)計如圖10所示，左上角顯示小標題為“光聲效應(yīng)”，右上角顯示連接狀態(tài)，中間顯示當前的液位高度，由單片機采集處理聲音信號后發(fā)送過來[11-12]。

圖10 手機APP設(shè)計圖

2 實驗結(jié)果與討論

取一圓柱形玻璃容器作為測量腔體，腔體內(nèi)不同液位h對應(yīng)的共振頻率f如表1所示。

表1 液位h與腔體共振頻率f關(guān)系

以液位h為橫坐標，共振頻率f為縱坐標，用Origin軟件進行線性擬合得共振頻率與液位的關(guān)系為：

f=2.253 33h2-2.352 28h+796.375 53

(3)

相關(guān)系數(shù)R=0.999 22。圖11為定標曲線。

圖11 定標曲線

測量重復性很好，測量結(jié)果可以精確到1 mm。液位發(fā)生變化時，可以在短時間內(nèi)更新結(jié)果。通過與圓柱形空腔的聲共振頻率的計算值相比較[13]，頻率變化趨勢一致，誤差在2.5%以內(nèi)。本裝置圓柱形測量腔體的直徑為4 cm，當腔體直徑變化時，腔體中空氣柱的振動情況會有差異，引起測量值的變化。但由于采用的是先定標擬合再測量的方法，腔體的粗細、長短不影響測量結(jié)果。測量中共振光聲信號圖像為正弦函數(shù)圖像，振幅隨頻率的增大而減小，這與光聲譜學相關(guān)理論及實驗結(jié)果一致[14-15]。

3 結(jié) 語

本文應(yīng)用光聲效應(yīng)結(jié)合單片機程序控制檢測液面的高度，裝置結(jié)構(gòu)簡單，可實現(xiàn)遠距離、無接觸、自動實時檢測，測量準確度高。加上報警系統(tǒng)，則可實現(xiàn)液面高度報警。在實際液位監(jiān)測方面可以有廣泛的應(yīng)用，如水電站的水位測量、鍋爐的水位測量和油井的液位測量等。

[1] 張淑儀.中國光聲和光熱技術(shù)研究進展回歸[J].應(yīng)用聲學,2013,32(3):161-167.

[2] 殷慶瑞,王 通,錢夢騄.光聲光熱技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:科學出版社,1991:7-17.

[3] 邵長金.圓柱圓錐狀腔體聲共振頻率的測量[J].大學物理,1999,18(4):24-25.

[4] 趙元黎,趙傳奇,袁 斌,等.一種新型檢測粉煤灰中碳含量的方法[J].鄭州大學學報,2002,34(4):37-39.

[5] 張 琪,張衛(wèi)紅.封閉空腔聲學特性研究[J].強度與環(huán)境,2008,36(5):36-39.

[6] 逯美紅,郝瑞宇,王志軍,等.光聲光譜技術(shù)進行氣體檢測研究綜述[J].長治學院學報,2011,28(5)： 29-32.

[7] 趙俊娟,趙 湛,杜利東,等.球形光聲腔中二氧化碳的檢測[J].傳感技術(shù)學報,2012,25(3)：289-292.

[8] 唐 炬,朱黎明,劉 帆,等.應(yīng)用光聲技術(shù)的SF6分解組分檢測裝置研制[J].高電壓技術(shù),2011,37(6):1313-1320.

[9] 易寧波,肖培雙,吳英鵬,等.石墨烯海綿的光聲效應(yīng)[J].科學通報,2014,59(33):3329-3336.

[10] 林 立,張俊亮.單片機原理與應(yīng)用-基于Proteus和Keil C[M].3版.北京:電子工業(yè)出版社，2014： 96-121.

[11] 李 寧.Android開發(fā)權(quán)威指南[M].北京:人民郵電出版社,2011：520-709.

[12] 李 剛.瘋狂Android講義[M].3版.北京:電子工業(yè)出版社,2015：634-695.

[14] A.羅森威格.光聲學與光聲譜學[M].王耀俊等譯.北京:科學出版社,1986:25-30.

[15] 祁建霞,董 軍.光聲譜學及其應(yīng)用[J].固原師專學報,2005,26(6):11-14.

Design of Liquid Level Automatic Measurement Device Based on the Photoacoustic Effect

LIHuiling，CHENZhaoyan，ZHUGuoqiang，WANGZhiye

(Department of Physics,Jiaying College,Meizhou 514015， Guangdong,China)

Using sound signals produced by the photoacoustic effect to generate resonance in a cylindrical closed cavity,a liquid level measurement device with non-contact real-time has been designed.The modulated laser is irradiated to the black coating of the closed and transparent cavity.When the frequency of the modulated optical signal is consistent with the natural frequency of the cavity body,the output amplitude of the acoustic wave will reach the maximum.The vibration of the cavity is detected through the electret condenser microphone on the top of the cavity.By connecting the bottom of the container and the sealing cavity,the water level would change,and with it,the resonance frequency.The corresponding software of singlechip can be used in automatic measurement of liquid level,meanwhile the wireless monitoring of liquid level changes can be achieved by using the mobile APP.The measuring process would be finished within one minute,and the measurement accuracy can be reached 1 mm.Using photoacoustic effect to generate resonance,measuring the frequency of resonance to measure liquid level is the original application of photoacoustic effect.

photoacoustic effect； liquid level measurement； wireless monitoring

2016-11-03

廣東省高等教育改革項目(GDJG20142450)； 廣東大學生科技創(chuàng)新培育專項資金項目(pdjh2016b0466)

李惠玲(1969-)，女，廣東梅縣人，實驗師，現(xiàn)主要從事近代物理實驗的教學和研究工作。

Tel.: 0753-2186837；E-mail:jyxylhl@163.com

O 429；TP 391.7

：A

：1006-7167(2017)07-0064-04