应用光声效应检测粉煤灰中碳含量仪器的研究

　　1　引言

　　近年来,光声效应逐渐被应用于物理、化学、生物、医药及工业生产等方面的固体、气体、液体等不同物质中某成分含量的检测。应用光声效应检测粉煤灰中的碳含量与“烧失法”检测粉煤灰中的碳含量相比,具有廉价、省时,方便、准确等优点。

　　2　光声效应检测原理

　　光声效应是被固体、气体、液体所吸收的经过调制的电磁波到声波的一种转变,被样品吸收的电磁能量转变为热量来加热周围的气体,使这些气体温度上 升并随着辐射的调节频率变化,以声波形式通过气体传播。这种声波可以被灵敏的麦克风所检测。光声效应检测粉煤灰中碳含量的原理如图1所示。在检测之前,被 测的粉煤灰样品经研磨、称重、压制成片。在测试过程中,样品被放在一个密封的光声池内,在光声池内同时配置一高灵敏度的传声器,样品被脉冲单色光照射,吸 收光中的能量,转为热能而传播到周围的气体中。这样,周期性的光激励就会在样品及其周围空气中产生周期性的热流,通过空气传播,高灵敏度的麦克风就能检测 到由此引起的声信号。因为声信号的强度与样品吸收光的能量成正比,所以,通过检测声信号的强弱,就可以检测到粉煤灰中的碳含量。美国爱俄华州立大学的罗伯 特·布朗教授采用上述方法,用1.315μm的红外二极管作为激励光,对几十种粉煤灰进行了检测研究实验,证明了应用光声效应检测粉煤灰中碳含量的可行 性、实用性、快速及准确性。

　　3　存在的问题

　　光声效应测试系统中的锁相放大器,是一种交流弱信号放大器,适用于各种交流弱信号探测与测量,尤其适用于激光研究和可见光、红外、紫外光谱测量 弱信号的探测。它可以精确地测量被噪声埋没的极小信号,相当于一个带宽极窄的带通滤波器,滤出信号抑制噪声,并具有足够的增益,使输入的小信号放大后输 出。但锁相放大器价格昂贵,若将其用于粉煤灰碳含量检测仪器中,会造成该仪器成本高,且仪器系统庞大,操作不便。

　　4　仪器结构设计

　　为解决上述问题,使粉煤灰碳含量检测仪器体积小,成本低,操作简便,设计了图2所示系统结构。图中CA200由美国爱俄华州立大学布朗教授提 供,其结构如图3所示。CA200器件的麦克风位于顶端通过一个和样品表面成一定角度的声道接受信号,其目的是获得较强的信号。激励光选用大于0.9μm 的红外二极管,调制频率取12.5Hz;前置放大器由两级放大器及可变状态带通滤波器组成。可变状态带通滤波器电路如图4所示。

　　数据采集卡选用研华8112数据采集控制卡。8112是12位的A/D转换卡,每秒30k的采样频率,16路单端模拟量信号输入,2路12位模 拟量输出,16路数字量输入和16路数字量输出,1路16位计数器,系统所需的调制脉冲信号由8112卡上的8254定时器输出经分频产生;数据采集进计 算机后,用软件实现了虚拟锁相放大器的功能,将淹没在噪声中的微弱信号检测出来,并在计算机中进行计算处理。