Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 10-22.
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 1 (1): 44-53 Julio-Septiembre 2018 https://doi.org/10.37636/recit.v114453
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ISSN: 2594-1925
Fabricación de un prototipo para la medición de
propiedades térmicas basado en el efecto fotoacústico
Manufacture of a prototype for the measurement of thermal
properties based on the photoacoustic effect
Gasca-Figueroa David
1
, Bravo-Sánchez Micael Gerardo
2
, García-Rodríguez Francisco Javier
3,5
, Estrada-Álvarez Marco Antonio
4
, Zavala-Villalpando José Guadalupe
4
1
Estudiante del Programa Doctoral en Ingeniería del Instituto Tecnológico de Celaya, Av. Tecnológico S/N,
Col. Fovissste, 38010 Celaya, Guanajuato, México.
2
Departamento de Ingeniería Bioquímica, Instituto Tecnológico de Celaya. Av. Tecnológico S/N,
Col. Fovissste, 38010 Celaya, Guanajuato, México.
3
Departamento de Ingeniería Industrial, Instituto Tecnológico de Celaya. Av. Antonio García Cubas 1200,
Col. Fovissste, 38010 Celaya, Guanajuato, México.
4
Departamento de Ingeniería Mecatrónica. Instituto Tecnológico de Celaya. Av. Tecnológico S/N,
Col. Fovissste, 38010 Celaya, Guanajuato, México.
5
Estancia Sabática en la División de Estudios de Posgrado, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma
de Querétaro. Cerro de Las Campanas, s/n, Centro Universitario, 76010 Querétaro, Querétaro.
Autor de correspondencia: David Gasca-Figueroa, Instituto Tecnológico de Celaya, Av. Tecnológico S/N, Col. Fovissste, 38010
Celaya, Guanajuato, México. E-mail: david.gasca@itcelaya.edu.mx. ORCID: 0000-0002-8113-7935.
Recibido: 30 de Junio del 2017 Aceptado: 12 de Diciembre del 2017 Publicado: 26 de Septiembre del 2018
Resumen. - Los fenómenos físicos derivados del efecto fotoacústico resultan de suma importancia en
la determinación de propiedades térmicas. En el presente trabajo, se realiza una revisión del
fenómeno, su desarrollo, aplicaciones y formas de mejorar la señal fotoacústica. Se fabricó e
instrumentó un sistema experimental de lecturas fotoacústicas, con capacidad de hacer pruebas en un
rango de frecuencia variable y constante. Primero, se realizó el diseñó, código G y fabricación de la
mesa óptica en una maquina CNC de 3 ejes; luego, se estableció la comunicación del sistema
experimental, utilizando la herramienta virtual LabView. Finalmente, se realizaron pruebas, los
resultados obtenidos son consistentes con lo reportado en la literatura. El prototipo obtenido resulta
ser muy compacto y práctico. Esto es posible, gracias a la eliminación de componentes mecánicas
utilizadas en los sistemas tradicionales.
Palabras clave: Efecto Fotoacústico; Propiedades Ópticas; Propiedades térmicas; Celda Fotoacústica; Modelo de
Rosencwaig y Gersho.
Abstract. - The physical phenomenon derived of the photoacoustic effect are employed in the
determination of thermal properties. In the present work, a review of the phenomenon, its
development, applications and ways of improving the photoacoustic signal is carried out. An
experimental setup of photoacoustic signal is built and instrumented it works with variable and
constant frequency. First, the design, G-code and fabrication of the optic table is realized in a 3 axes
CNC; then, the experimental setup communication is established through the LabView software.
Finally, probes were developed, the obtained results are consistent with the reported in the literature.
The obtained prototype was compact and practice. It is possible, due to the elimination of the opto-
mechanical components used in traditional systems.
Keywords: Photoacoustic Effect; Optical Properties; Thermal properties; Photoacoustic Cell; Model of Rosencwaig and
Gersho.
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1. Introducción
En la actualidad, las técnicas basadas en el
efecto fotoacústico tienen muchas aplicaciones
[1-6]. Los mecanismos físicos involucrados son
generados por una señal acústica producida,
iluminando una muestra con un haz de luz
modulado periódicamente en una celda cerrada
[7]. Este efecto causa ondas acústicas que son
detectadas por un micrófono. La técnica
fotoacústica es una técnica versátil y no
intrusiva para determinar propiedades térmicas,
como lo son la difusividad o la conductividad
térmica [8-13]. Con el desarrollo de nuevos
materiales con posibles aplicaciones
tecnológicas, así como la investigación en
procesamiento de materiales, se ha impulsado el
diseño y puesta en marcha de nuevas técnicas
que permitan la caracterización de sus
propiedades [3], estructura interna [14,15] y los
posibles procesos electrónicos que ocurren en
ellos [15-17]. Dentro de las propiedades
macroscópicas importantes se encuentran las
propiedades térmicas, de las cuales se pueden
mencionar: Capacidad calorífica, calor
específico, capacitancia térmica, conductividad
térmica, difusividad térmica, efusividad térmica
y coeficiente de expansión térmica.
Figura 1. Esquema de las dos principales formas de medición a) configuración de transmisión y b) configuración de
reflexión.
La técnica fotoacústica ha sido empleada en la
medición desde grandes materiales, películas
delgadas, multicapas, muestras porosas hasta
matrices de nanocables [15, 18-20]. Balderas
2005 realizo la medición de la difusividad
térmica en materiales ópticamente opacos,
normalizando la señal fotoacústica, a diferencia
de otras metodologías de normalización, esta
corresponde a un material de referencia semi-
infinito. Hu y su equipo de colaboradores
derivaron una expresión generalizada para el
efecto fotoacústico en materiales multicapa. La
expresión toma en cuenta las propiedades
ópticas y térmicas, así como la geometría de una
estructura multicapa, ellos obtuvieron
resultados muy próximos a los resultados
experimentales. En 1999, Kalapy y
colaboradores midieron la conductividad
térmica en una matriz de nanocables de
compasito epóxido de telurio de bismuto. En
2014 Begoña y colaboradores midieron la
conductividad térmica de lignosulfonato de
sodio mediante la técnica fotoacústica
obteniendo valores de 1W/m-K empleando el
modelo de multicapa desarrollado por Hu.
Los experimentos en la celda fotoacústica
pueden ser desarrollados en dos diferentes
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configuraciones experimentales: Configuración
delantera y trasera como se muestra en la figura
1. En la configuración delantera (modo de
reflexión), la muestra es iluminada de manera
perpendicular a la superficie de la muestra de tal
manera que las ondas acústicas son creadas en
una fina capa adyacente a la superficie irradiada,
por el contrario, en la configuración trasera las
ondas acústicas son detectadas en el gas
adyacente a la superficie trasera de la muestra,
i.e., en la superficie opuesta a la cara que es
irradiada, a este caso también se le conoce como
transmisión. Una variante de la configuración
trasera es la bien conocida: celda fotoacústica
abierta, la cual consiste en colocar la muestra
directamente sobre el micrófono sin una celda
fotoacústica de por medio [21], el micrófono
empleado por M D da Silva y su equipo de
trabajo es un micrófono de electreto, este
micrófono tiene la característica de que esta
sellado y solo existe una pequeña cámara
cilíndrica que es parte del mismo micrófono y
es donde las ondas acústicas son detectadas o
producidas por el micrófono según sea la
aplicación deseada, esta característica especial
permite colocar la muestra justo encima del
micrófono con ayuda de pasta térmica para
aislar del ruido externo y entre la muestra y el
micrófono constituyen una pequeña celda
fotoacústica del tipo trasera o en modo de
transmisión. Desde luego que el micrófono
juega un papel primordial en esta configuración
y su respuesta ante la variación de frecuencia es
importante conocerla para incluirla o eliminarla
en la respuesta obtenida en el lock-in.
La principal ventaja de la técnica es que su
sistema de detección es único, el micrófono no
es afectado por la resistencia térmica de
contacto y es relativamente económico. Sin
embargo, es limitado por la respuesta del
micrófono a la frecuencia que puede variar
desde Hz hasta kHz, así, la longitud de
penetración térmica también se ve limitada
acorde con la ecuación 1.
f
(1)
En el presente trabajo, se realiza la fabricación
e instrumentación de un sistema experimental
de lecturas fotoacústicas, haciendo uso de la
herramienta virtual LabVieW. El procedimiento
es colectar los datos experimentales producto de
la absorción del calor en sólidos [22], mediante
el uso de instrumentos virtuales que permitan
comunicar cada uno de los módulos del sistema.
Para generar el efecto fotoacústico se coloca una
muestra sobre una celda hermética, con un gas
encerrado (generalmente aire) y se ilumina con
un haz de luz modulada. Las ondas térmicas
generadas dentro del sólido, por la absorción de
radiación, se difunden hacia el gas en contacto
con la superficie, provocando fluctuaciones de
presión en el interior de la celda, las cuales son
detectadas con un micrófono de electreto
acoplado a la celda [7]. Esta señal detectada por
el micrófono se recupera en forma de señal
eléctrica. En la figura 2, se observa el esquema
básico y elementos necesarios para la
generación y detección del efecto fotoacústico.
En el diseño del prototipo, se incluye el diseño
y fabricación de la mesa óptica. Se instala y
calibran las componentes del sistema y se
desarrolla un software para realizar la
comunicación entre los dispositivos y colectar
los datos experimentales.
2. Metodología
Se construye un prototipo para la medición de
propiedades térmicas basado en el efecto
fotoacústico. A continuación, en la sección 2.1
se presenta la descripción detallada del sistema
experimental y en la 2.2 se presentas las
ecuaciones importantes y los experimentos
realizados.
2.1. Configuración del sistema
experimental.
El diagrama de bloques del equipo experimental
se observa en la figura 2. En primera instancia,
mediante la interfaz gráfica creada en LabView
es posible manipular las funciones del
amplificador lock-in desde la PC y seleccionar
así los parámetros de trabajo del experimento.
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El amplificador lock-in cuenta con un oscilador
interno el cual, una vez preestablecido su valor
de la amplitud y frecuencia, se conecta al
controlador del diodo laser y de esta manera el
diodo laser trabajará a la misma señal de
frecuencia que la del oscilador interno del
amplificador. Enseguida, el haz de luz láser
incide a cierta frecuencia sobre una muestra de
interés que descansa a su vez sobre la celda
fotoacústica. La celda está conformada por una
cámara de gas (en este caso aire)
herméticamente cerrada y acoplado a un
micrófono cuya función es detectar los cambios
de presión dentro de la cámara de gas debido a
las variaciones de temperatura dentro de la
misma. El micrófono convierte las ondas
acústicas detectadas en señales eléctricas, las
cuales pasan por un preamplificador antes de
pasar por el amplificador quien finalmente
limpia y almacena la información de amplitud y
fase de dicha señal eléctrica. La información de
fase y amplitud de la señal eléctrica resultante
se almacena en el amplificador lock-in y
LabView extrae dicha información para
posteriormente trazar una gráfica de amplitud en
función de la frecuencia. El diodo láser, así
como la celda fotoacústica descansan sobre una
mesa óptica, diseñada y fabricada en nuestro
laboratorio; para evitar que cualquier vibración
externa perturbe el experimento.
2.2. Modelo teórico
La teoría del efecto fotoacústico en solidos fue
desarrollado por Rosencwaig y Gersho quien
resolvió la ecuación de difusión para cada capa:
material de soporte, muestra sólida y la capa de
gas empleando las condiciones de frontera
apropiadas.
Figura 2. Configuración experimental del sistema fotoacústico.
La ecuación de difusión térmica en la muestra,
tomando en cuenta la fuente de calor, se escribe
como se muestra en la ecuación 2.
)1(
1
2
2
tix
eAe
t
x
; -l ≤ x ≤ 0 (2)
donde,
kIA 2
0
, θ es la temperatura y η
es la eficiencia a la cual la luz absorbida a la
longitud de onda λ es convertida en calor por el
proceso de desexcitación no radiativa. Se asume
que η=1. Para la muestra y soporte se emplea la
misma ecuación sin el último término que es el
término asociado a la incidencia de la luz en la
muestra.
3. Instrumentación del sistema
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La instrumentación del sistema experimental se
divide básicamente en cuatro etapas: 1. Interfase
de usuario. Aquí, se seleccionaron los
controladores e indicadores para configurar
diversas funciones del amplificador; modo de
operación, i.e., si el proceso se va a ejecutar de
manera manual o automática y dos gráficas
donde registran los valores obtenidos de
amplitud y fase contra frecuencia. El modo
manual, permite seleccionar la frecuencia y la
fase del oscilador interno, así como su amplitud.
Además, es posible configurar otras funciones
del lock-in como la constante de tiempo, la
sensibilidad, los filtros, entre otras funciones.
En el modo automático, se debe seleccionar la
frecuencia mínima y máxima con la que se va
trabajar, así como el incremento de la misma y
un tiempo de espera entre cada lectura, esto con
el fin de que se estabilice la señal una vez que
incrementa la frecuencia. También cuenta con
un controlador para seleccionar el número de
lecturas que se van a obtener por cada
frecuencia, se realiza un promedio de las
mismas y finalmente se gráfica. 2. Conexión
serial de la PC con el amplificador lock-in
RS830. Se establece la comunicación entre la
PC y el amplificador lock-in RS830, se
requieren controladores que permitan el enlace,
utilizando el protocolo de comunicación serial
RS232, esto se consiguió utilizando NI-VISA
de National Instruments. Una vez realizada la
comunicación entre los dispositivos, se
desarrolló el instrumento virtual (VI), generado
en la plataforma LabView (figura 3).
Figura 3. Diagrama de bloques para realizar la comunicación RS232, (a) Bloque VISA. Se refiere a la comunicación del
sistema, (b) habilitación determinación de carácter y (c) identificación del dispositivo.
3. Configuración de los parámetros. Se envían
comandos al amplificador para especificar
ciertas condiciones; como la frecuencia de
trabajo, amplitud de la señal, fase, sensibilidad,
entre otros aspectos necesarios para adquirir una
lectura limpia de la señal. Recordando que la
ejecución del experimento se realizar de forma
manual o automática, estructurando las
correspondientes funciones. Finalmente, 4.
Lectura de datos. Se cuenta con un controlador
en la interfaz de usuario el cual selecciona el
número de lecturas de amplitud que se ven a
tomar por cada frecuencia, para posteriormente
realizar un promedio de estas lecturas y
finalmente la lectura promedio obtenida se
grafica en la gráfica correspondiente. Es
importante mencionar que tanto el diagrama de
bloques para la configuración de parámetros, así
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como el diagrama de bloques para la lectura de
datos, están contenidos dentro de un mismo
ciclo.
4. Procedimiento experimental
Para determinar la difusividad térmica pueden
seguirse varios procedimientos fundamentados
en la técnica fotoacústica. Se utilizaron las
configuraciones de transmisión y de reflexión
en aluminio, cobre, acero y polímero ABS, para
comprobar convergencia. En metales está
metodología permite eliminar la función de
transferencia. El método de transmisión consiste
en incidir la luz láser hacia la muestra, la cual
está en la parte frontal de la celda y solo el calor
que logre traspasar la muestra hacia el interior
de la celda contribuye a la señal foto acústica,
en tanto que el modo de reflexión por su parte
consiste en colocar la muestra por la parte
posterior de la celda y el calor reflejado hacia el
interior de la celda es el causante la señal de
presión acústica. En ambos casos el interior de
la celda debe estar sellado para evitar la
interacción con posibles perturbaciones
externas, como se muestra en la figura 4.
Se analizaron muestras de 8x15 mm, en Al,
Lámina de acero, aleación AISI 304 y ABS con
espesores de 0.15 mm. En todos los casos, el
tiempo para estabilizar: 5s entre cada punto.
Mediciones por punto: 5. Tiempo entre cada
medición: 1s. El comportamiento encontrado
utilizando la metodología RG y la auto
normalización, permitieron determinar los
valores de difusividad para cada uno de estos
materiales, los cuales concuerdan con los
valores reportados en la literatura. Es importante
mencionar que todos estos materiales son
homogéneos, isotrópicos y lineales.
El sistema es confiable, ya que su precisión es
mayor al 95% con respecto a los datos
consultados en la literatura.
Figura 4. Señal fotoacústica producida en el rango de frecuencias de 1 a 120 Hz para
aluminio (Al) y Cobre (Cu).