液位检测系统在光固化快速成形中的设计

本文介绍了一套采用位置检测器件(PSD)作为敏感元件,半导体激光二极管(LD)作为光源,基于反射式倾角测量原理的激光测距系统。经实验验证此系统具有测量速度快、精度高、抗干扰能力强等特点。

引言

光固化快速成形以光敏树脂为原料,激光器发出的紫外激光光束在控制系统的控制下,按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描。被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化,形成零件的一个薄层。

一层固化完毕后,工作台下移一个精确的距离,以使在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂,而后进行下一层的扫描加工。如此反复直至整个零件制造完毕,得到一个三维实体原型。固化成形过程中,由于树脂的固化,液面会发生变化,为了保证液面的相对恒定,必需精确检测出液面的变化量。

图1 液位检测系统原理图

研发过程中发现的问题

传统研发液位检测系统的思路是以光学三角测量为设计基础,发射器将可见激光射向液面。光束经液面反射,并通过透镜散射到PSD上,其输出信号通过模拟电路处理,以标准电压信号输出。此方法虽能有效地检测出液面的相对位移,但在实际应用中存在以下问题。

暗电流

没有光束照射PSD时,其输出电极所输出的电流称为暗电流。暗电流随环境温度的变化而变化,环境温度的上升会引起暗电流的增大,暗电流的存在会给测量带来误差。

杂散光

PSD的检测原理是根据PSD的输出来计算光敏面上的光点坐标。检测中除了目标物发光外,还有其它杂散光经反射射入PSD,如实验室的灯光或设备内的照明灯等,这些杂散光均会在PSD上造成响应。一般来说,当需要测量反射面微米级位移时,信号检测需要分辨出毫伏级的变化。如果不消除杂散光的影响,有用的信号就很容易被淹没,甚至使系统无法工作。

要提高液位检测仪的适应能力和检测精度,正确解决上述问题无疑是至关重要的。 Script type=text/javascript> function ImgZoom(Id)//重新设置图片大小 防止撑破表格 { 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

原理图分析

根据对系统的分析,设计的液位检测系统原理图如图1所示。基准5V电压由SG3524芯片16脚输出,R1和R2起分压作用,为引脚2提供2.5V电压;电阻R8起限流作用,防止LD过电流;运放U6A起PI调节作用;C5和C6起隔直流作用,从而使信号变为标准方波信号,经U3A和U3B线性检波后转换为直流电压信号。该信号并使其中一路电压信号经U4A放大后输出;U4B对两路电压信号进行加法运算后反馈至PI调节器U6A的反相输入端,用于对激光强度进行调节。

激光频率调制

采用SG3524芯片对激光频率进行调制,激光频率f由电阻R3和电容C1决定,f=1.18/(R3×C1)=1.18/(24K×0.1F)≈500Hz;引脚2的电压V2=R2/(R1+R2)×VREF=2.5V;SG3524输出方波占空比=V2/VREF×100%=50%。

激光强度反馈调节

运算放大器U6A及外围元件组成PI调节器,其同相输入端接基准5V电压。由于R5=R6,因此U6A可将反馈电压(V1+V2)控制在10V,并驱动调光三极管T1。T1的作用相当于动态可调电位器,用于对LD回路的电流作自适应调节,使(V1+V2)的值维持恒定。T1一方面可对PSD暗电流进行补偿,消除了对测量的影响,提高了检测精度,另一方面保持了激光强度的恒定。

信号处理

由于PSD位置信号以A级电流形式输出,所以在初级采用了运算放大器U1来构成电流-电压转换电路。PSD作为内阻较低的电流源,其初级放大器不仅要有较低的偏置电流特性,而且要求输入噪声电压和零漂移电压都比较小。基于这些考虑,U1选用了低温漂高输入阻抗运算放大器OP27。本设计中R11>>R9+R10,直流信号通过(R9+R10)进行反馈;R9、R10、C3构成低通滤波器,其时间常数T1=(R9//R10)C1=50K×10F=500ms,激光频率f=500Hz,调制光周期T0=1/f=2msT2>T0,故调制光信号能通过C5,而干扰信号(50Hz)不能通过C5。

经上述分析,把LD的频率调制为500Hz后,再加上后续电路的处理,可有效抑制照射到PSD上杂散光和50Hz干扰信号对检测的影响,大大提高了系统对环境的适应能力。

实验结果

实验采用乳白色光敏树脂作为反射介质,盛树脂的容器由改进后的螺旋测微仪控制移动,液面的变化量能精确的由螺旋测微仪读出。经实验测量,当输出电压U=0V时,检测仪与液面之间的距离L0=50mm;该检测仪的测量范围为50mm~66mm。由实测数据分析,液面的位移L(mm)和输出电压U(V)之间的曲线可近似成直线,经最小二乘法直线拟和后其斜率为1.59046mm/V,液面的位移L(