基于光聲效應(yīng)的液位自動(dòng)測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

李惠玲，陳昭炎，朱國(guó)強(qiáng)，王智業(yè)

(嘉應(yīng)學(xué)院 物理系，廣東 梅州 514015)

基于光聲效應(yīng)的液位自動(dòng)測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

李惠玲，陳昭炎，朱國(guó)強(qiáng)，王智業(yè)

(嘉應(yīng)學(xué)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(hào)激勵(lì)圓柱形封閉腔體產(chǎn)生共振，實(shí)現(xiàn)非接觸式實(shí)時(shí)液位自動(dòng)測(cè)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(dāng)激光信號(hào)頻率與腔體機(jī)構(gòu)固有頻率達(dá)到一致時(shí)，腔體內(nèi)的光聲信號(hào)振幅將達(dá)到最大。腔體內(nèi)的振動(dòng)情況由頂部駐極體電容式麥克風(fēng)進(jìn)行檢測(cè)。待測(cè)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(jī)設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件進(jìn)行液位自動(dòng)測(cè)量，同時(shí)利用手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)液位的無(wú)線監(jiān)測(cè)。測(cè)量過(guò)程在1 min之內(nèi)完成，測(cè)量精度可達(dá)1 mm。應(yīng)用光聲效應(yīng)產(chǎn)生腔體共振，通過(guò)測(cè)量共振頻率來(lái)測(cè)量液位，是光聲效應(yīng)的獨(dú)創(chuàng)性應(yīng)用。

光聲效應(yīng)； 液位測(cè)量； 無(wú)線監(jiān)測(cè)

0 引 言

1880年美國(guó)著名的科學(xué)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(yáng)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(dǎo)聲振動(dòng)的過(guò)程。當(dāng)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(duì)入射光進(jìn)行周期性調(diào)制，則在物體內(nèi)便會(huì)產(chǎn)生周期性振動(dòng)，這種周期性振動(dòng)在空間的傳播形成聲波，稱為光聲信號(hào)。光聲信號(hào)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(cè)大氣污染、檢測(cè)物質(zhì)的吸收譜、測(cè)定一些半導(dǎo)體材料的能級(jí)躍遷和熒光物質(zhì)、光導(dǎo)材料的量子效率、監(jiān)測(cè)光化學(xué)過(guò)程等[5-9]。本文利用光聲效應(yīng)測(cè)量液位，通過(guò)單片機(jī)的電路控制，實(shí)時(shí)顯示所測(cè)液位。

1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

1.1總體結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理

測(cè)量裝置主要由測(cè)量腔體、待測(cè)容器、黑色涂層、麥克風(fēng)、激光器、單片機(jī)控制電路板、LCD顯示屏、示波器和藍(lán)牙模塊等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。測(cè)量腔體為圓柱形玻璃容器，底部與待測(cè)容器連通，測(cè)量腔體上部?jī)?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(hào)，置于容器內(nèi)頂部的駐極體電容式麥克風(fēng)采集該信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大器放大后反饋回控制電路，并輸入到示波器中進(jìn)行觀察。對(duì)激光進(jìn)行掃頻過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)多個(gè)共振信號(hào)。當(dāng)光聲信號(hào)頻率與腔體固有頻率達(dá)到一致時(shí)，會(huì)在腔體的內(nèi)部發(fā)生耦合現(xiàn)象，共振信號(hào)達(dá)到最大，如圖2所示，共振光聲信號(hào)為正弦函數(shù)圖像。當(dāng)測(cè)量腔體中液位變化，腔體的固有頻率發(fā)生相應(yīng)變化。測(cè)量出多組不同液位及對(duì)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(jìn)行定標(biāo)；實(shí)測(cè)時(shí)得到某一液位對(duì)應(yīng)的腔體共振頻率，代入該關(guān)系式計(jì)算出對(duì)應(yīng)的液位值。測(cè)量結(jié)果由LCD屏顯示，并發(fā)送到手機(jī)APP。 以上過(guò)程借助單片機(jī)程序輔助實(shí)現(xiàn)。

圖1 液位自動(dòng)測(cè)量裝置圖

1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計(jì)

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

圖2 共振時(shí)的光聲信號(hào)

圖3 系統(tǒng)電路框圖

激光斬波電路如圖4所示，通過(guò)單片機(jī)程序控制P8(DDS模塊為信號(hào)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(guò)一只Q1(NPN三極管)來(lái)驅(qū)動(dòng)激光，實(shí)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?yàn)槊恳环N激光的工作電流不一樣，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器，使激光達(dá)到亮與不亮的臨界點(diǎn)。D9為二極管。

圖4 激光斬波電路

光聲信號(hào)處理電路如圖5所示，因?yàn)楣饴曅盘?hào)產(chǎn)生的信號(hào)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(hào)。通過(guò)接在1腳、8腳間的10 μF電容(C1)來(lái)改變?cè)鲆鏋?00；電位器RP1的作用是改變輸入信號(hào)的電壓，因?yàn)槿绻斎胄盘?hào)電壓過(guò)大，再增益200，就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真；電容C2是旁路電容；電容C3的作用是隔直流信號(hào)通交流信號(hào)；電阻R2和電容C4的作用是濾除高頻信號(hào)。0 Ω電阻R1用于跳線。

圖5 共振光聲信號(hào)處理電路

1.3單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)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(hào)的極值。設(shè)5個(gè)連續(xù)信號(hào)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(lái)保存數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)滿足上述關(guān)系時(shí)取出極值，通過(guò)向前遞推的方法更新數(shù)據(jù)，直到找出最大的共振信號(hào)。

程序設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。單片機(jī)上電，首先進(jìn)行初始化操作，包括LCD、ADC、藍(lán)牙以及AD9850的初始化。U用于保存滿足式(1)、(2)的極值，對(duì)應(yīng)的共振信號(hào)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(shí)單片機(jī)連續(xù)采集5個(gè)電壓值，分別是U1～U5，當(dāng)U1U4>U5時(shí)，如果此時(shí)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(cè)量的液位在0～20 cm，根據(jù)多次測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，將掃頻范圍設(shè)定在0.4～1.4 kHz。當(dāng)freq>1.4 kHz時(shí)，掃頻完成，flag+1，U值為最大的共振信號(hào)，對(duì)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(dāng)前測(cè)量的液位值，在LCD上顯示該值并發(fā)送到手機(jī)APP。當(dāng)flag=1時(shí)，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(hào)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(jī)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(jì)流程

1.4手機(jī)APP設(shè)計(jì)

主界面設(shè)計(jì)如圖10所示，左上角顯示小標(biāo)題為“光聲效應(yīng)”，右上角顯示連接狀態(tài)，中間顯示當(dāng)前的液位高度，由單片機(jī)采集處理聲音信號(hào)后發(fā)送過(guò)來(lái)[11-12]。

圖10 手機(jī)APP設(shè)計(jì)圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

取一圓柱形玻璃容器作為測(cè)量腔體，腔體內(nèi)不同液位h對(duì)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(biāo)，共振頻率f為縱坐標(biāo)，用Origin軟件進(jìn)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(biāo)曲線。

圖11 定標(biāo)曲線

測(cè)量重復(fù)性很好，測(cè)量結(jié)果可以精確到1 mm。液位發(fā)生變化時(shí)，可以在短時(shí)間內(nèi)更新結(jié)果。通過(guò)與圓柱形空腔的聲共振頻率的計(jì)算值相比較[13]，頻率變化趨勢(shì)一致，誤差在2.5%以內(nèi)。本裝置圓柱形測(cè)量腔體的直徑為4 cm，當(dāng)腔體直徑變化時(shí)，腔體中空氣柱的振動(dòng)情況會(huì)有差異，引起測(cè)量值的變化。但由于采用的是先定標(biāo)擬合再測(cè)量的方法，腔體的粗細(xì)、長(zhǎng)短不影響測(cè)量結(jié)果。測(cè)量中共振光聲信號(hào)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(xué)相關(guān)理論及實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[14-15]。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文應(yīng)用光聲效應(yīng)結(jié)合單片機(jī)程序控制檢測(cè)液面的高度，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、無(wú)接觸、自動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè)，測(cè)量準(zhǔn)確度高。加上報(bào)警系統(tǒng)，則可實(shí)現(xiàn)液面高度報(bào)警。在實(shí)際液位監(jiān)測(cè)方面可以有廣泛的應(yīng)用，如水電站的水位測(cè)量、鍋爐的水位測(cè)量和油井的液位測(cè)量等。

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

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

[3] 邵長(zhǎng)金.圓柱圓錐狀腔體聲共振頻率的測(cè)量[J].大學(xué)物理,1999,18(4):24-25.

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

[5] 張 琪,張衛(wèi)紅.封閉空腔聲學(xué)特性研究[J].強(qiáng)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(jìn)行氣體檢測(cè)研究綜述[J].長(zhǎng)治學(xué)院學(xué)報(bào),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(cè)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),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(cè)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(xué)通報(bào),2014,59(33):3329-3336.

[10] 林 立,張俊亮.單片機(jī)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(xué)與光聲譜學(xué)[M].王耀俊等譯.北京:科學(xué)出版社,1986:25-30.

[15] 祁建霞,董 軍.光聲譜學(xué)及其應(yīng)用[J].固原師專學(xué)報(bào),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(xiàng)目(GDJG20142450)； 廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金項(xiàng)目(pdjh2016b0466)

李惠玲(1969-)，女，廣東梅縣人，實(shí)驗(yàn)師，現(xiàn)主要從事近代物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)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