采用反射式傾角測量原理的激光測距系統設計

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。 Script type=text/javascript> function ImgZoom(Id)//重新設置圖片大小 防止撐破表格 { var w = $(Id).width; var m = 650; if(w m){return;} else{ var h = $(Id).height; $(Id).height = parseInt(h*m/w); $(Id).width = m; } } window.onload = function() { var Imgs = $(content).getElementsByTagName(img); var i=0; for(;i

　　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?經(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×C1)=1.18/(24K×0.1F)≈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%。

　　激光強度反饋調節

　　運算放大器U6A及外圍元件組成PI調節器,其同相輸入端接基準5V電壓。由于R5=R6,因此U6A可將反饋電壓(V1+V2)控制在10V,并驅動(dòng)調光三極管T1。T1的作用相當于動(dòng)態(tài)可調電位器,用于對LD回路的電流作自適應調節,使(V1+V2)的值維持恒定。T1一方面可對PSD暗電流進(jìn)行補償,消除了對測量的影響,提高了檢測精度,另一方面保持了激光強度的恒定。

　　信號處理

　　由于PSD位置信號以A級電流形式輸出,所以在初級采用了運算放大器U1來(lái)構成電流-電壓轉換電路。PSD作為內阻較低的電流源,其初級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算放大器OP27。本設計中R11>>R9+R10,直流信號通過(guò)(R9+R10)進(jìn)行反饋;R9、R10、C3構成低通濾波器,其時(shí)間常數T1=(R9//R10)C1=50K×10F=500ms,激光頻率f=500Hz,調制光周期T0=1/f=2msT2>T0,故調制光信號能通過(guò)C5,而干擾信號(50Hz)不能通過(guò)C5。

　　經(jīng)上述分析,把LD的頻率調制為500Hz后,再加上后續電路的處理,可有效抑制照射到PSD上雜散光和50Hz干擾信號對檢測的影響,大大提高了系統對環(huán)境的適應能力。

　　實(shí)驗結果

　　實(shí)驗采用乳白色光敏樹(shù)脂作為反射介質(zhì),盛樹(shù)脂的容器由改進(jìn)后的螺旋測微儀控制移動(dòng),液面的變化量能精確的由螺旋測微儀讀出。經(jīng)實(shí)驗測量,當輸出電壓U=0V時(shí),檢測儀與液面之間的距離L0=50mm;該檢測儀的測量范圍為50mm~66mm。由實(shí)測數據分析,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。

　　液位檢測儀的輸出電壓經(jīng)數據采集后輸入計算機,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,從而為液位調節提供依據。

　　結語(yǔ)

　　通過(guò)對激光頻率進(jìn)行PWM調制,結合PI反饋、PSD檢測等技術(shù)研發(fā)的液位檢測儀,適用于對位置、位移、角度等參數的實(shí)時(shí)測量。經(jīng)實(shí)驗驗證此系統具有檢測精度高、抗干擾能力強等特點(diǎn)。對液面的測量分辨率可以達到0.01mm。此技術(shù)填補了國內空白,在工業(yè)應用領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。