基于光声效应的液位自动测量装置设计

李惠玲，陈昭炎，朱国强，王智业

(嘉应学院 物理系，广东 梅州 514015)

基于光声效应的液位自动测量装置设计

李惠玲，陈昭炎，朱国强，王智业

(嘉应学院 物理系，广东 梅州 514015)

提出了一种利用光声效应产生的声音信号激励圆柱形封闭腔体产生共振，实现非接触式实时液位自动测量的装置。利用调制激光照射在封闭、透明腔体内的黑色涂层上，当激光信号频率与腔体机构固有频率达到一致时，腔体内的光声信号振幅将达到最大。腔体内的振动情况由顶部驻极体电容式麦克风进行检测。待测容器与密封腔体底部连通，液位变化，则共振频率随之变化。结合单片机设计相应的软件进行液位自动测量，同时利用手机APP实现液位的无线监测。测量过程在1 min之内完成，测量精度可达1 mm。应用光声效应产生腔体共振，通过测量共振频率来测量液位，是光声效应的独创性应用。

光声效应； 液位测量； 无线监测

0 引 言

1880年美国著名的科学家Bell首先在固体中发现了光声效应：一块被密封在透明小腔中的固体材料在周期性遮断的太阳光的照射下就能从腔壁上的话筒里听到声音[1]。光声效应是一种光诱导声振动的过程。当物质吸收光后，部分光能转换成热能，使物体的温度升高和体积膨胀。如果对入射光进行周期性调制，则在物体内便会产生周期性振动，这种周期性振动在空间的传播形成声波，称为光声信号。光声信号的频率和入射光的调制频率完全相同[2-4]。

从发现光声效应到现在，已经发展成很成熟的技术，在诸多领域中有广泛的应用，如监测大气污染、检测物质的吸收谱、测定一些半导体材料的能级跃迁和荧光物质、光导材料的量子效率、监测光化学过程等[5-9]。本文利用光声效应测量液位，通过单片机的电路控制，实时显示所测液位。

1 实验装置设计

1.1总体结构和测量原理

测量装置主要由测量腔体、待测容器、黑色涂层、麦克风、激光器、单片机控制电路板、LCD显示屏、示波器和蓝牙模块等组成，其总体结构如图1所示。测量腔体为圆柱形玻璃容器，底部与待测容器连通，测量腔体上部内壁涂有黑色涂层(例如炭黑)，顶部封闭。将一束经斩波器调制的激光照射在黑色涂层上，则在腔体内部发生光声效应，产生光声信号，置于容器内顶部的驻极体电容式麦克风采集该信号，经信号放大器放大后反馈回控制电路，并输入到示波器中进行观察。对激光进行扫频过程中会出现多个共振信号。当光声信号频率与腔体固有频率达到一致时，会在腔体的内部发生耦合现象，共振信号达到最大，如图2所示，共振光声信号为正弦函数图像。当测量腔体中液位变化，腔体的固有频率发生相应变化。测量出多组不同液位及对应的腔体共振频率值，用Origin软件拟合出腔体共振频率与液位之间的关系式进行定标；实测时得到某一液位对应的腔体共振频率，代入该关系式计算出对应的液位值。测量结果由LCD屏显示，并发送到手机APP。 以上过程借助单片机程序辅助实现。

图1 液位自动测量装置图

1.2系统结构及电路设计

系统电路框图如图3所示，分为单片机系统电路、激光斩波电路、共振光声信号处理电路、蓝牙模块收发接口电路。为了减小蓝牙通信时的传输误差，晶振采用11.059 2 MHz。

图2 共振时的光声信号

图3 系统电路框图

激光斩波电路如图4所示，通过单片机程序控制P8(DDS模块为信号发生器)产生可变频率的PWM，用于激光扫频，DDS采用串行数据接口，通过一只Q1(NPN三极管)来驱动激光，实现激光斩波效果。其中，P3为外接4.2 V电源，P5为开关，P4为激光接口，J1为10 kΩ电位器，作用是兼容不同激光的斩波。因为每一种激光的工作电流不一样，可以通过调节电位器，使激光达到亮与不亮的临界点。D9为二极管。

图4 激光斩波电路

光声信号处理电路如图5所示，因为光声信号产生的信号比较小，约5～20 mV，这里使用LM386放大由光声效应产生的声音信号。通过接在1脚、8脚间的10 μF电容(C1)来改变增益为200；电位器RP1的作用是改变输入信号的电压，因为如果输入信号电压过大，再增益200，就会导致信号失真；电容C2是旁路电容；电容C3的作用是隔直流信号通交流信号；电阻R2和电容C4的作用是滤除高频信号。0 Ω电阻R1用于跳线。

图5 共振光声信号处理电路

1.3单片机程序设计

根据测量要求，需要在一定的激光扫频范围内找到共振声音信号的极值。设5个连续信号分别为U1～U5，如图6所示，假设U3为极值电压，则有：

U1

(1)

U3>U4>U5

(2)

图6 电压采集示意图

在程序中采用数组来保存数据，当数据满足上述关系时取出极值，通过向前递推的方法更新数据，直到找出最大的共振信号。

程序设计流程图如图7所示。单片机上电，首先进行初始化操作，包括LCD、ADC、蓝牙以及AD9850的初始化。U用于保存满足式(1)、(2)的极值，对应的共振信号频率用f表示，freq表示激光频率。初始化完成后，U=0,扫频开始，此时单片机连续采集5个电压值，分别是U1～U5，当U1U4>U5时，如果此时的U3>U,U3赋值给U，激光扫频freq+1，如此循环。电压采集与处理流程如图8所示。本装置测量的液位在0～20 cm，根据多次测量经验，将扫频范围设定在0.4～1.4 kHz。当freq>1.4 kHz时，扫频完成，flag+1，U值为最大的共振信号，对应的激光频率为f。将共振频率f代入腔体共振频率与液位之间的关系式，得到当前测量的液位值，在LCD上显示该值并发送到手机APP。当flag=1时，扫频完成。接着开始定域扫频，如图9所示，根据第二次的扫频结果，重新设定扫频范围在[f±10]Hz(其中，V_Last用于保存上一次的最大光声信号电压值，F_Last用于保存上一次的最大共振频率)，并把每一次的扫频结果根据拟合函数在LCD上显示液位值，并发送到手机APP，直到液位发生变化，U值大幅下降，程序将Flag清零，重新在0.4～1.4 kHz内扫频。如此不断循环[10]。

图7 程序设计流程

1.4手机APP设计

主界面设计如图10所示，左上角显示小标题为“光声效应”，右上角显示连接状态，中间显示当前的液位高度，由单片机采集处理声音信号后发送过来[11-12]。

图10 手机APP设计图

2 实验结果与讨论

取一圆柱形玻璃容器作为测量腔体，腔体内不同液位h对应的共振频率f如表1所示。

表1 液位h与腔体共振频率f关系

以液位h为横坐标，共振频率f为纵坐标，用Origin软件进行线性拟合得共振频率与液位的关系为：

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

(3)

相关系数R=0.999 22。图11为定标曲线。

图11 定标曲线

测量重复性很好，测量结果可以精确到1 mm。液位发生变化时，可以在短时间内更新结果。通过与圆柱形空腔的声共振频率的计算值相比较[13]，频率变化趋势一致，误差在2.5%以内。本装置圆柱形测量腔体的直径为4 cm，当腔体直径变化时，腔体中空气柱的振动情况会有差异，引起测量值的变化。但由于采用的是先定标拟合再测量的方法，腔体的粗细、长短不影响测量结果。测量中共振光声信号图像为正弦函数图像，振幅随频率的增大而减小，这与光声谱学相关理论及实验结果一致[14-15]。

3 结 语

本文应用光声效应结合单片机程序控制检测液面的高度，装置结构简单，可实现远距离、无接触、自动实时检测，测量准确度高。加上报警系统，则可实现液面高度报警。在实际液位监测方面可以有广泛的应用，如水电站的水位测量、锅炉的水位测量和油井的液位测量等。

[1] 张淑仪.中国光声和光热技术研究进展回归[J].应用声学,2013,32(3):161-167.

[2] 殷庆瑞,王 通,钱梦騄.光声光热技术及其应用[M].北京:科学出版社,1991:7-17.

[3] 邵长金.圆柱圆锥状腔体声共振频率的测量[J].大学物理,1999,18(4):24-25.

[4] 赵元黎,赵传奇,袁 斌,等.一种新型检测粉煤灰中碳含量的方法[J].郑州大学学报,2002,34(4):37-39.

[5] 张 琪,张卫红.封闭空腔声学特性研究[J].强度与环境,2008,36(5):36-39.

[6] 逯美红,郝瑞宇,王志军,等.光声光谱技术进行气体检测研究综述[J].长治学院学报,2011,28(5)： 29-32.

[7] 赵俊娟,赵 湛,杜利东,等.球形光声腔中二氧化碳的检测[J].传感技术学报,2012,25(3)：289-292.

[8] 唐 炬,朱黎明,刘 帆,等.应用光声技术的SF6分解组分检测装置研制[J].高电压技术,2011,37(6):1313-1320.

[9] 易宁波,肖培双,吴英鹏,等.石墨烯海绵的光声效应[J].科学通报,2014,59(33):3329-3336.

[10] 林 立,张俊亮.单片机原理与应用-基于Proteus和Keil C[M].3版.北京:电子工业出版社，2014： 96-121.

[11] 李 宁.Android开发权威指南[M].北京:人民邮电出版社,2011：520-709.

[12] 李 刚.疯狂Android讲义[M].3版.北京:电子工业出版社,2015：634-695.

[14] A.罗森威格.光声学与光声谱学[M].王耀俊等译.北京:科学出版社,1986:25-30.

[15] 祁建霞,董 军.光声谱学及其应用[J].固原师专学报,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

广东省高等教育改革项目(GDJG20142450)； 广东大学生科技创新培育专项资金项目(pdjh2016b0466)

李惠玲(1969-)，女，广东梅县人，实验师，现主要从事近代物理实验的教学和研究工作。

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

O 429；TP 391.7

：A

：1006-7167(2017)07-0064-04