光固化快速成形中液位检测系统的研究与设计

　　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。

　　系统概述

　　基于对PSD原理的分析和SG3524功能的研究,本文设计了反射式倾角测量原理的激光测距系统。其中脉宽调制芯片SG3524是一种电压型开关电源，具有输出限流、开关频率可调、误差放大、脉宽调制比较等功能。系统供电电压为直流24V。由SG3524组成的PWM调制电路,其输出串联于LD回路中,从而对激光的频率进行调制。调制频率f由SG3524外接电阻和电容决定。系统设计的激光频率为500Hz,占空比为50%,工作方式为连续工作,检测距离为50mm~66mm,对应的输出电压为0V~10V。PSD的两路电流输出经I/V转换和线性检波等处理后放大输出。