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。經實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。
關鍵詞：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脂為原料，激光器發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脂表面進行逐點掃描。被掃描區域的樹脂薄層產生光聚合反應而固化，形成零件的一個薄層。一層固化完畢后，工作臺下移一個精確的距離，以使在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態樹脂，而后進行下一層的掃描加工。如此反復直至整個零件制造完畢，得到一個三維實體原型。固化成形過程中，由于樹脂的固化，液面會發生變化，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
研發過程中發現的問題
傳統研發液位檢測系統的思路是以光學三角測量為設計基礎，發射器將可見激光射向液面。光束經液面反射，并通過透鏡散射到PSD上，其輸出信號通過模擬電路處理，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，但在實際應用中存在以下問題。
暗電流
沒有光束照射PSD時，其輸出電極所輸出的電流稱為暗電流。暗電流隨環境溫度的變化而變化，環境溫度的上升會引起暗電流的增大，暗電流的存在會給測量帶來誤差。
雜散光
PSD的檢測原理是根據PSD的輸出來計算光敏面上的光點坐標。檢測中除了目標物發光外,還有其它雜散光經反射射入PSD，如實驗室的燈光或設備內的照明燈等，這些雜散光均會在PSD上造成響應。一般來說，當需要測量反射面微米級位移時，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，甚至使系統無法工作。
要提高液位檢測儀的適應能力和檢測精度，正確解決上述問題無疑是至關重要的。

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是一種電壓型開關電源，具有輸出限流、開關頻率可調、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，其輸出串聯于LD回路中，從而對激光的頻率進行調制。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I/V轉換和線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。基準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，從而使信號變為標準方波信號，經U3A和U3B線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U4A放大后輸出；U4B對兩路電壓信號進行加法運算后反饋至PI調節器U6A的反相輸入端，用于對激光強度進行調節。
激光頻率調制
采用SG3524芯片對激光頻率進行調制，激光頻率f由電阻R3和電容C1決定，f=1.18/(R3