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脂表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描。被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(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脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，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)用中存在以下問題。
暗電流
沒有光束照射PSD時(shí)，其輸出電極所輸出的電流稱為暗電流。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，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是一種電壓型開關(guān)電源，具有輸出限流、開關(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。基準(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