Sensore ad effetto fotoacustico

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Un sensore ad effetto fotoacustico trasforma le variazioni di energia luminosa in onde di pressione misurabili. L’effetto Fotoacustico venne osservato per la prima volta verso la fine del secolo scorso, in modo del tutto accidentale, da Alexander Graham Bell [1]. In base al modello teorico fondamentale formulato da Rosencwaig e Gersho la luce incidente sul campione viene modulata secondo una determinata frequenza e il calore periodicamente prodotto nello strato superficiale del materiale viene ceduto ad un strato di gas circostante, che espandendosi e contraendosi periodicamente funge da pistone per il gas contenuto nella cella fotoacustica, con la conseguente generazione di un’onda termica e pressoria che si propaga dal campione stesso e che può essere rivelata con tecniche acustiche. Mediante la spettroscopia fotoacustica abbiamo la possibilità di rivelare il canale di decadimento non-radiativo; questo tipo di informazione è significativa nello studio di diversi materiali, in particolare dei semiconduttori. I vantaggi di questa tecnica sono molteplici. La tecnica stessa è non-invasiva: è possibile sondare l’assorbimento ottico di un materiale a varie profondità, controllando opportunamente la frequenza di modulazione della radiazione incidente. In secondo luogo, essa è decisamente versatile: permette lo studio di materiali di diversa natura: cristallini, amorfi, polveri, gel, campioni biologici. Su questo link [2] c'è un esempio di progetto realizzato in laboratorio per rilevare il benzene Il principio fisico di questo sistema di misura può essere così descritto: un fascio luminoso, opportunamente generato, modulato da un chopper, attraversa un filtro ottico e colpisce la finestra della cella di misura. Nell'effetto fotoacustico si sfrutta la caratteristica di assorbimento della sostanza in esame. Nel caso del benzene, che ha un picco di assorbimento tra i 986 e i 1053 cm-1, nel campo quindi dell'infrarosso, si utilizza un filtro interferenziale con tre sezioni distinte (passabanda, passa basso e passa alto) per avere elevata selettività in corrispondenza del picco di assorbimento. La cella di misura è adiabatica e isocora in relazione alla frequenza di rotazione del chopper (20 Hz) e in media, nel tempo, è isotermica.( Clicca qui per vedere lo schema). La radiazione incidente nella cella determina un aumento di transizioni delle molecole del gas dallo stato fondamentale a quello eccitato. Quando le molecole ritornano nel loro stato fondamentale si ha un aumento di collisioni che determinerà una variazione di energia interna del gas causata dall'aumento dell'energia traslazionale e quindi dell'energia cinetica. Questo aumento di energia interna del gas determinerà una variazione di temperatura e quindi di pressione. L'onda acustica generata viene captata da due microfoni che sono collegati ad un circuito di condizionamento del segnale che è caratterizzato sostanzialmente da una catena di filtraggio e amplificazione per eliminare l'elevato rumore presente nel segnale misurato. I punti salienti della progettazione di questo circuito di misura sono stati i seguenti:

· E' stato dimensionata una catena di amplificazione ad alto guadagno (circa 64 dB) e filtraggio a banda stretta (banda passante 0.8 Hz e frequenza centrale 20 Hz). Ciò è stato realizzato con un amplificatore a basso rumore (TLE2027) nel primo stadio della catena e con filtri a capacità commutata (MF10) usati in cascata per avere una funzione di trasferimento del 4° ordine.

· Il segnale così ottenuto è posto in ingresso a un rivelatore sincrono (lock-in amplifier) per ottenere un filtraggio a banda strettissima con banda passante dipendente dal tempo di integrazione che in questo caso è pari a 155 s necessari a recuperare il segnale con rapporto segnale-rumore al livello del sensore di 1:2000.

· In ingresso al lock-in amplifier (l'integrato AD630) vengono applicati il segnale da filtrare e un segnale di riferimento che deve essere sempre in fase con il segnale di ingresso. Questa operazione è realizzata con l'ausilio di un altro lock-in amplifier il cui segnale di riferimento è in quadratura di fase. Un sistema automatico controlla l'uscita del secondo lock-in amplifier e corregge statisticamente la fase in funzione del valor medio del segnale monitorato. Per effettuare la correzione statistica è stato utilizzato un circuito digitale contenente un contatore a 8 bit (SN74AS869) che ha la possibilità di caricare un valore di partenza (LOAD), contare in avanti (UP), contare all'indietro (DOWN) ed essere resettato (RESET). Il pin relativo al bit più significativo è utilizzato per generare, attraverso dei flip-flop in configurazione toggle-switch, i segnali di riferimento dei lock-in amplifier. Per generare i segnali di correzioni della fase si utilizzano l'uscita dal secondo AD630 e l'uscita dell'integratore in cascata a questo integrato. Se la forma d'onda in uscita dal secondo AD630 ha uno sfasamento minore di 90° rispetto alla forma d'onda in uscita dall'AD630 di misura e quindi ha un valor medio diverso da zero, vengono generati degli impulsi UP che faranno variare la forma d'onda verso i 90°. Se la forma d'onda in uscita dal secondo lock-in amplifier ha uno sfasamento maggiore di 90° si avrà un aumento di impulsi DOWN che faranno slittare la fase verso i 90°. Se la forma d'onda uscente dal secondo AD630 ha uno sfasamento intorno ai 90° ci sarà in media lo stesso numero di impulsi UP e DOWN che manterranno la sfasamento intorno a questo valore.

· L'ultimo problema affrontato nella progettazione di questo circuito è stato la correzione automatica del segnale di fondo dovuto all'offset e soprattutto ai segnali spuri generati dalle pareti della cella, dal filtro interferenziale e dall'eventuale presenza di vapore acqueo. Per compensare questo segnale di fondo sono stati utilizzati due convertitori A/D e D/A (gli integrati MAX195 e MAX542) a 16 bit, collegati in cascata. Il convertitore MAX542 ha la possibilità di memorizzare i valori di correzione del segnale in modo tale che, durante la fase di misura, la conversione digitale-analogica viene bloccata e al piedino non-invertente dell'integratore si ha il segnale che corregge l'offset. Il circuito così realizzato ha permesso di raggiungere risoluzioni molto vicine a quelle degli analizzatori di benzene ad effetto fotoacustico attualmente in commercio.