光固化快速成形中液位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘  要：本文介紹了一套采用位置檢測(cè)器件(PSD)作為敏感元件，半導(dǎo)體激光二極管(LD)作為光源，基于反射式傾角測(cè)量原理的激光測(cè)距系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此系統(tǒng)具有測(cè)量速度快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：快速成型 ； 液位檢測(cè) ； PSD ； 激光測(cè)距

引言
    光固化快速成形以光敏樹(shù)脂為原料，激光器發(fā)出的紫外激光光束在控制系統(tǒng)的控制下，按零件的各分層截面信息在光敏樹(shù)脂表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描。被掃描區(qū)域的樹(shù)脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個(gè)薄層。一層固化完畢后，工作臺(tái)下移一個(gè)精確的距離，以使在原先固化好的樹(shù)脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹(shù)脂，而后進(jìn)行下一層的掃描加工。如此反復(fù)直至整個(gè)零件制造完畢，得到一個(gè)三維實(shí)體原型。固化成形過(guò)程中，由于樹(shù)脂的固化，液面會(huì)發(fā)生變化，為了保證液面的相對(duì)恒定，必需精確檢測(cè)出液面的變化量。

圖1 液位檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

研發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題
    傳統(tǒng)研發(fā)液位檢測(cè)系統(tǒng)的思路是以光學(xué)三角測(cè)量為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，發(fā)射器將可見(jiàn)激光射向液面。光束經(jīng)液面反射，并通過(guò)透鏡散射到PSD上，其輸出信號(hào)通過(guò)模擬電路處理，以標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)輸出。此方法雖能有效地檢測(cè)出液面的相對(duì)位移，但在實(shí)際應(yīng)用中存在以下問(wèn)題。

暗電流
    沒(méi)有光束照射PSD時(shí)，其輸出電極所輸出的電流稱(chēng)為暗電流。暗電流隨環(huán)境溫度的變化而變化，環(huán)境溫度的上升會(huì)引起暗電流的增大，暗電流的存在會(huì)給測(cè)量帶來(lái)誤差。

雜散光
    PSD的檢測(cè)原理是根據(jù)PSD的輸出來(lái)計(jì)算光敏面上的光點(diǎn)坐標(biāo)。檢測(cè)中除了目標(biāo)物發(fā)光外,還有其它雜散光經(jīng)反射射入PSD，如實(shí)驗(yàn)室的燈光或設(shè)備內(nèi)的照明燈等，這些雜散光均會(huì)在PSD上造成響應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)需要測(cè)量反射面微米級(jí)位移時(shí)，信號(hào)檢測(cè)需要分辨出毫伏級(jí)的變化。如果不消除雜散光的影響，有用的信號(hào)就很容易被淹沒(méi)，甚至使系統(tǒng)無(wú)法工作。

    要提高液位檢測(cè)儀的適應(yīng)能力和檢測(cè)精度，正確解決上述問(wèn)題無(wú)疑是至關(guān)重要的。

系統(tǒng)概述
    基于對(duì)PSD原理的分析和SG3524功能的研究，本文設(shè)計(jì)了反射式傾角測(cè)量原理的激光測(cè)距系統(tǒng)。其中脈寬調(diào)制芯片SG3524是一種電壓型開(kāi)關(guān)電源，具有輸出限流、開(kāi)關(guān)頻率可調(diào)、誤差放大、脈寬調(diào)制比較等功能。系統(tǒng)供電電壓為直流24V。由SG3524組成的PWM調(diào)制電路，其輸出串聯(lián)于LD回路中，從而對(duì)激光的頻率進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制頻率f由SG3524外接電阻和電容決定。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的激光頻率為500Hz，占空比為50%，工作方式為連續(xù)工作，檢測(cè)距離為50mm~66mm，對(duì)應(yīng)的輸出電壓為0V~10V。PSD的兩路電流輸出經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換和線(xiàn)性檢波等處理后放大輸出。

原理圖分析
    根據(jù)對(duì)系統(tǒng)的分析，設(shè)計(jì)的液位檢測(cè)系統(tǒng)原理圖如圖1所示?；鶞?zhǔn)5V電壓由SG3524芯片16腳輸出，R1和R2起分壓作用，為引腳2提供2.5V電壓；電阻R8起限流作用，防止LD過(guò)電流；運(yùn)放U6A起PI調(diào)節(jié)作用；C5和C6起隔直流作用，從而使信號(hào)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)，經(jīng)U3A和U3B線(xiàn)性檢波后轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)。該信號(hào)并使其中一路電壓信號(hào)經(jīng)U4A放大后輸出；U4B對(duì)兩路電壓信號(hào)進(jìn)行加法運(yùn)算后反饋至PI調(diào)節(jié)器U6A的反相輸入端，用于對(duì)激光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

激光頻率調(diào)制
    采用SG3524芯片對(duì)激光頻率進(jìn)行調(diào)制，激光頻率f由電阻R3和電容C1決定，f=1.18/(R3×C1)=1.18/(24K×0.1F)≈500Hz；引腳2的電壓V2=R2/(R1+R2)×VREF=2.5V；SG3524輸出方波占空比=V2/VREF×100%=50%。

激光強(qiáng)度反饋調(diào)節(jié)
     運(yùn)算放大器U6A及外圍元件組成PI調(diào)節(jié)器，其同相輸入端接基準(zhǔn)5V電壓。由于R5=R6，因此U6A可將反饋電壓(V1+V2)控制在10V，并驅(qū)動(dòng)調(diào)光三極管T1。T1的作用相當(dāng)于動(dòng)態(tài)可調(diào)電位器，用于對(duì)LD回路的電流作自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使(V1+V2)的值維持恒定。T1一方面可對(duì)PSD暗電流進(jìn)行補(bǔ)償，消除了對(duì)測(cè)量的影響，提高了檢測(cè)精度，另一方面保持了激光強(qiáng)度的恒定。 

信號(hào)處理
    由于PSD位置信號(hào)以A級(jí)電流形式輸出，所以在初級(jí)采用了運(yùn)算放大器U1來(lái)構(gòu)成電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。PSD作為內(nèi)阻較低的電流源，其初級(jí)放大器不僅要有較低的偏置電流特性，而且要求輸入噪聲電壓和零漂移電壓都比較小?；谶@些考慮，U1選用了低溫漂高輸入阻抗運(yùn)算放大器OP27。本設(shè)計(jì)中R11>>R9+R10，直流信號(hào)通過(guò)(R9+R10)進(jìn)行反饋；R9、R10、C3構(gòu)成低通濾波器，其時(shí)間常數(shù)T1=(R9//R10)C1=50K×10F=500ms，激光頻率f=500Hz，調(diào)制光周期T0=1/f=2ms<<T1，因此PSD輸出的交變信號(hào)通過(guò)R11反饋回路后被放大。電容C5起濾波作用，其時(shí)間常數(shù)T2=(R15//R16)C33K×1F=3ms；干擾信號(hào)的周期T3=1/50Hz=20ms；因?yàn)門(mén)3>T2>T0，故調(diào)制光信號(hào)能通過(guò)C5，而干擾信號(hào)(50Hz)不能通過(guò)C5。

    經(jīng)上述分析，把LD的頻率調(diào)制為500Hz后，再加上后續(xù)電路的處理，可有效抑制照射到PSD上雜散光和50Hz干擾信號(hào)對(duì)檢測(cè)的影響，大大提高了系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果    
    實(shí)驗(yàn)采用乳白色光敏樹(shù)脂作為反射介質(zhì)，盛樹(shù)脂的容器由改進(jìn)后的螺旋測(cè)微儀控制移動(dòng)，液面的變化量能精確的由螺旋測(cè)微儀讀出。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，當(dāng)輸出電壓U=0V時(shí)，檢測(cè)儀與液面之間的距離L0=50mm；該檢測(cè)儀的測(cè)量范圍為50mm~66mm。由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，液面的位移L(mm)和輸出電壓U(V)之間的曲線(xiàn)可近似成直線(xiàn)，經(jīng)最小二乘法直線(xiàn)擬和后其斜率為1.59046mm/V，液面的位移L(mm)和輸出電壓U(V)之間的控制算法為：L=50.21471+1.59046U。

    液位檢測(cè)儀的輸出電壓經(jīng)數(shù)據(jù)采集后輸入計(jì)算機(jī)，控制程序利用控制算法和輸出電壓的變化量就能間接地算出液面的變化量，從而為液位調(diào)節(jié)提供依據(jù)。

結(jié)語(yǔ)
    通過(guò)對(duì)激光頻率進(jìn)行PWM調(diào)制，結(jié)合PI反饋、PSD檢測(cè)等技術(shù)研發(fā)的液位檢測(cè)儀，適用于對(duì)位置、位移、角度等參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此系統(tǒng)具有檢測(cè)精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。對(duì)液面的測(cè)量分辨率可以達(dá)到0.01mm。此技術(shù)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。