光固化快速成形中液位檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

　　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)。

　　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,并通過透鏡散射到PSD上,其輸出信號(hào)通過模擬電路處理,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)量帶來誤差。

　　雜散光

　　PSD的檢測(cè)原理是根據(jù)PSD的輸出來計(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)。一般來說,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。