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(dǎo)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(tǒng)。經(jīng)實驗驗證此系統(tǒng)具有測量速度快、精度高、抗干擾能力強等特點。
關(guān)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(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行逐點掃描。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(tài)樹脂，而后進行下一層的掃描加工。如此反復(fù)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(fā)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(tǒng)原理圖

研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)的問題
    傳統(tǒng)研發(fā)液位檢測系統(tǒng)的思路是以光學(xué)三角測量為設(shè)計基礎(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(yīng)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(huán)境溫度的變化而變化，環(huán)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(jù)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(fā)光外,還有其它雜散光經(jīng)反射射入PSD，如實驗室的燈光或設(shè)備內(nèi)的照明燈等，這些雜散光均會在PSD上造成響應(yīng)。一般來說，當(dāng)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(tǒng)無法工作。

    要提高液位檢測儀的適應(yīng)能力和檢測精度，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PSD原理的分析和SG3524功能的研究，本文設(shè)計了反射式傾角測量原理的激光測距系統(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，從而對激光的頻率進行調(diào)制。調(diào)制頻率f由SG3524外接電阻和電容決定。系統(tǒng)設(shè)計的激光頻率為500Hz，占空比為50%，工作方式為連續(xù)工作，檢測距離為50mm~66mm，對應(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。

原理圖分析
    根據(jù)對系統(tǒng)的分析，設(shè)計的液位檢測系統(tǒng)原理圖如圖1所示?；鶞?V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(diào)節(jié)作用；C5和C6起隔直流作用，從而使信號變?yōu)闃藴史讲ㄐ盘?，?jīng)U3A和U3B線性檢波后轉(zhuǎn)換為直流電壓信號。該信號并使其中一路電壓信號經(jīng)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(diào)節(jié)器U6A的反相輸入端，用于對激光強度進行調(diào)節(jié)。

激光頻率調(diào)制
    采用SG3524芯片對激光頻率進行調(diào)制，激光頻率f由電阻R3和電容C1決定，f=1.18/(R3×C1)=1.18/(24K×0.1F)≈500Hz；引腳2的電壓V2=R2/(R1+R2)×VREF=2.5V；SG3524輸出方波占空比=V2/VREF×100%=50%。

激光強度反饋調(diào)節(jié)
     運算放大器U6A及外圍元件組成PI調(diào)節(jié)器，其同相輸入端接基準5V電壓。由于R5=R6，因此U6A可將反饋電壓(V1+V2)控制在10V，并驅(qū)動調(diào)光三極管T1。T1的作用相當(dāng)于動態(tài)可調(diào)電位器，用于對LD回路的電流作自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使(V1+V2)的值維持恒定。T1一方面可對PSD暗電流進行補償，消除了對測量的影響，提高了檢測精度，另一方面保持了激光強度的恒定。 

信號處理
    由于PSD位置信號以A級電流形式輸出，所以在初級采用了運算放大器U1來構(gòu)成電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。PSD作為內(nèi)阻較低的電流源，其初級放大器不僅要有較低的偏置電流特性，而且要求輸入噪聲電壓和零漂移電壓都比較小。基于這些考慮，U1選用了低溫漂高輸入阻抗運算放大器OP27。本設(shè)計中R11>>R9+R10，直流信號通過(R9+R10)進行反饋；R9、R10、C3構(gòu)成低通濾波器，其時間常數(shù)T1=(R9//R10)C1=50K×10F=500ms，激光頻率f=500Hz，調(diào)制光周期T0=1/f=2ms<<T1，因此PSD輸出的交變信號通過R11反饋回路后被放大。電容C5起濾波作用，其時間常數(shù)T2=(R15//R16)C33K×1F=3ms；干擾信號的周期T3=1/50Hz=20ms；因為T3>T2>T0，故調(diào)制光信號能通過C5，而干擾信號(50Hz)不能通過C5。

    經(jīng)上述分析，把LD的頻率調(diào)制為500Hz后，再加上后續(xù)電路的處理，可有效抑制照射到PSD上雜散光和50Hz干擾信號對檢測的影響，大大提高了系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)能力。

實驗結(jié)果    
    實驗采用乳白色光敏樹脂作為反射介質(zhì)，盛樹脂的容器由改進后的螺旋測微儀控制移動，液面的變化量能精確的由螺旋測微儀讀出。經(jīng)實驗測量，當(dāng)輸出電壓U=0V時，檢測儀與液面之間的距離L0=50mm；該檢測儀的測量范圍為50mm~66mm。由實測數(shù)據(jù)分析，液面的位移L(mm)和輸出電壓U(V)之間的曲線可近似成直線，經(jīng)最小二乘法直線擬和后其斜率為1.59046mm/V，液面的位移L(mm)和輸出電壓U(V)之間的控制算法為：L=50.21471+1.59046U。

    液位檢測儀的輸出電壓經(jīng)數(shù)據(jù)采集后輸入計算機，控制程序利用控制算法和輸出電壓的變化量就能間接地算出液面的變化量，從而為液位調(diào)節(jié)提供依據(jù)。

結(jié)語
    通過對激光頻率進行PWM調(diào)制，結(jié)合PI反饋、PSD檢測等技術(shù)研發(fā)的液位檢測儀，適用于對位置、位移、角度等參數(shù)的實時測量。經(jīng)實驗驗證此系統(tǒng)具有檢測精度高、抗干擾能力強等特點。對液面的測量分辨率可以達到0.01mm。此技術(shù)填補了國內(nèi)空白，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。