光固化快速成形中液位檢測系統的研究與設計

　　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。

　　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。