光固化快速成形中液位檢測系統的設計

摘    要：本文介紹了一套采用位置檢測器件(PSD)作為敏感元件，半導體激光二極管(LD)作為光源，基于反射式傾角測量原理的激光測距系統。經(jīng)實(shí)驗驗證此系統具有測量速度快、精度高、抗干擾能力強等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：快速成型 ； 液位檢測 ； PSD ； 激光測距
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。被掃描區域的樹(shù)脂薄層產(chǎn)生光聚合反應而固化，形成零件的一個(gè)薄層。一層固化完畢后，工作臺下移一個(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恒定，必需精確檢測出液面的變化量。

圖1 液位檢測系統原理圖
研發(fā)過(guò)程中發(fā)現的問(wèn)題
傳統研發(fā)液位檢測系統的思路是以光學(xué)三角測量為設計基礎，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，其輸出信號通過(guò)模擬電路處理，以標準電壓信號輸出。此方法雖能有效地檢測出液面的相對位移，但在實(shí)際應用中存在以下問(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 )給測量帶來(lái)誤差。
雜散光
PSD的檢測原理是根據PSD的輸出來(lái)計算光敏面上的光點(diǎn)坐標。檢測中除了目標物發(fā)光外,還有其它雜散光經(jīng)反射射入PSD，如實(shí)驗室的燈光或設備內的照明燈等，這些雜散光均會(huì )在PSD上造成響應。一般來(lái)說(shuō)，當需要測量反射面微米級位移時(shí)，信號檢測需要分辨出毫伏級的變化。如果不消除雜散光的影響，有用的信號就很容易被淹沒(méi)，甚至使系統無(wú)法工作。
要提高液位檢測儀的適應能力和檢測精度，正確解決上述問(wèn)題無(wú)疑是至關(guān)重要的。

系統概述
基于對PSD原理的分析和SG3524功能的研究，本文設計了反射式傾角測量原理的激光測距系統。其中脈寬調制芯片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、誤差放大、脈寬調制比較等功能。系統供電電壓為直流24V。由SG3524組成的PWM調制電路，其輸出串聯(lián)于LD回路中，從而對激光的頻率進(jìn)行調制。調制頻率f由SG3524外接電阻和電容決定。系統設計的激光頻率為500Hz，占空比為50%，工作方式為連續工作，檢測距離為50mm~66mm，對應的輸出電壓為0V~10V。PSD的兩路電流輸出經(jīng)I/V轉換和線(xiàn)性檢波等處理后放大輸出。

原理圖分析
根據對系統的分析，設計的液位檢測系統原理圖如圖1所示?；鶞?V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；運放U6A起PI調節作用；C5和C6起隔直流作用，從而使信號變?yōu)闃藴史讲ㄐ盘?，?jīng)U3A和U3B線(xiàn)性檢波后轉換為直流電壓信號。該信號并使其中一路電壓信號經(jīng)U4A放大后輸出；U4B對兩路電壓信號進(jìn)行加法運算后反饋至PI調節器U6A的反相輸入端，用于對激光強度進(jìn)行調節。
激光頻率調制
采用SG3524芯片對激光頻率進(jìn)行調制，激光頻率f由電阻R3和電容C1決定，f=1.18/(R3