面曝光快速成形激光液位檢測系統的研究

閆達海，胥光申

（西安工程大學機電工程學院，西安 710048）

面曝光快速成形技術以可見光為光源，將三維模型經計算機按一定厚度切片分層后，形成能反映層面特征的截面圖形，經視圖發生器聚焦到樹脂表面生成視圖，以該視圖為掩膜，進行選擇性固化.在面曝光成形工藝過程中，由于環境溫度變化，樹脂固化時體積改變及升降臺在樹脂槽內連續下降等因素的影響，樹脂液位會產生波動.為了保證樹脂液位始終在工作面上，需要檢測液位高度，并及時進行調整[1-2].液位測量方法可以分為直接和間接測量法，直接測量法主要是目測式；間接測量法又分為接觸式和非接觸式[3].接觸式液位測量主要有電容式、電感式、電阻式、光纖式等[4]，目前光纖式測量方法的精度較高，利用光在光纖中受抑全內反射原理研制智能型高精度光纖液位傳感器，可以精確地檢測樹脂液位高度[5].由于光敏樹脂粘度高、腐蝕性強且有毒性，所以多采用非接觸式方法檢測.非接觸式液位測量主要有光電式、超聲波、放射線、微波式、激光式等[4].面曝光快速成形分層厚度一般選擇0.1 mm，液位檢測時要求至少能分辨一個層厚0.1 mm，而只有激光式液位檢測系統能夠達到要求.本文根據一維位置傳感器（PSD）的性質和激光三角法[6]測量原理設計了樹脂液位高度檢測系統，該系統已經成功應用于面曝光快速成形系統.

1 激光液位檢測系統的測量原理

1.1 一維PSD工作原理

PSD是一種能測量光斑在探測器表面上連續位置的光學探測器.它有位置分辨率高、光譜響應寬、響應速度快和處理電路簡單等優點，如圖1所示.

圖1（a）為一維PSD的截面圖，它是一種P-I-N結構，當入射光照在PSD表面時，產生橫向光電效應，兩端電極輸出光電流I1和I2.圖1（b）為一維PSD的等效電路圖，當坐標原點設在PSD中心時，得到公式[7]:

圖1 一維PSD截面圖和等效電路圖Fig.1 One-dimensional PSD sectional view and equivalent circuit diagram

1.2 激光三角法測量原理

激光三角法測量原理如圖2所示[6].

圖2 激光三角法測量原理圖Fig.2 Laser triangulation measuring principle

半導體激光器發出的激光束以一定的角度照射到被測液面，經液面反射后垂直入射到PSD感光面上，PSD兩端產生對應的光電流.被測液面的高度變化會引起反射光斑在PSD表面移動，其兩端的光電流也隨之改變，以此來反應液面的高度情況.當激光入射角為β、被測液面變化ΔH（mm）時，對應反射光斑在PSD上的位置變化為D（mm），由此易得關系式[6]:

由式（2）可知，只要計算出光斑在PSD上位置變化D的值，即可測得液位變化的高度.由PSD的工作原理可知，外圍電路輸出的電壓值與光斑在PSD表面上的位置成線性關系，因此根據信號處理電路輸出的電壓值，得出位置變化D的值，從而測得高度ΔH.

2 激光液位檢測系統的設計

2.1 系統組成

針對面曝光快速成形技術的精度、樹脂性質等要求，設計了樹脂液位檢測系統.該系統主要由PSD檢測系統和數據采集系統構成，如圖3所示.

圖3 系統結構框圖Fig.3 System structure diagram

由圖3可以看出，激光器發射的激光經一定的角度入射到樹脂表面，一維PSD接收樹脂表面反射的激光，并將光信號轉換成微弱的電流信號.信號處理電路將電流信號經過I/V轉換后，再對電壓信號進行求和與求差，最后和差相除，得到一個模擬電壓信號，A/D轉換芯片將模擬電壓信號轉換為數字信號.根據數字信號和光在PSD上產生電流的線性關系計算出樹脂液位高度，檢測結果通過LCD顯示器顯示或通過RS-232接口與上位機通信，以滿足實時測量和記錄的需求.

2.2 一維PSD和半導體激光器的選擇

在本系統設計中，光學探測器采用型號為QYPSD0120（上海青岳電子科技有限公司）的一維PSD，其有效光敏面為1 mm×20 mm，分辨率為0.1 μm，光譜響應范圍 380～1100 nm，響應時間 0.8 μs，工作溫度為-10～60℃，滿足面曝光快速成形實驗的要求.

面曝光快速成形連續工作時間長，需要選擇性能穩定、壽命長的激光器；且檢測光源的波長必須在PSD的光譜響應范圍內.半導體激光器有體積小、重量輕、運轉可靠、耗電少、效率高等優點，且應用非常廣泛.采用型號為DD650-2.5-5（西安華科光電有限公司）的紅光半導體激光器作為光源，其波長為650 nm，輸出功率2.5 mW，光束出瞳孔徑為Φ5 mm，工作電壓為直流5 V，光束發散度0.5 mrad，工作溫度為-10～40℃，使用壽命大于等于8000 h.

2.3 激光束入射角度的確定

采用激光三角法測量液位時，激光束入射角度對檢測效果有很大的影響.樹脂對激光束的反射率和工作臺的安裝空間是影響入射角度的2個主要因素.當激光從光疏介質空氣（折射率n1=1.00029）射向光密介質樹脂（折射率約為n2=1.52）時，在樹脂表面將發生折射和反射，根據折射定律和菲涅爾公式，可以得到入射角β和能量反射率R之間的關系，如圖4所示[8].

圖4 激光入射角與反射率之間的關系Fig.4 Relationship of laser incidence angle and reflectance

由圖4可見，液面對激光的能量反射率R隨著入射角β的增大而增大，以此考慮入射角越大效果越好，有利于增強PSD的輸出信號.但是由于工作臺安裝空間的限制，入射角選為64°，此時能量反射率為10%.

2.4 PSD信號處理電路

在液位檢測時，PSD兩端輸出為微弱的光電流I1和I2，所以對光電流的提取是至關重要的.圖5所示為PSD信號處理電路的方框圖[9].信號處理電路分為前置運放電路和后置處理電路2部分:前置運放電路實現I/V轉換；后置處理電路對電壓信號進行相加和相減，最后相除，得到信號.

圖5 PSD信號處理電路方框圖Fig.5 PSD signal processing circuit block diagram

在PSD信號處理電路中，運算放大器選用OP37，它具有失調電壓小、偏置電流小、高精度、低噪聲、低溫漂、高輸入阻抗等特點，提高了系統的測量精度，除法電路由模擬乘法器（AD633）和運算放大器組成.電路中對電阻和電容的精度要求較高，選用千分阻和高精度電容.另外，一維PSD也集成在信號處理電路板上，增強信號的抗干擾能力，提高檢測精度.

在液位檢測中，除了工作激光外，還有日光燈等雜散光都會引起PSD檢測的誤差，并且當背景光較強時，信號光強度的變化也將影響檢測的結果.另外，當沒有激光照射時，PSD兩電極有暗電流輸出，會帶來誤差和噪聲.在信號處理電路中，采用加反偏電壓的方法來消除背景光和暗電流對測量結果的影響，提高檢測精度，即先在沒有激光照射的情況下，通過加反偏電壓調零來抵消影響，再打開激光器進行檢測.

2.5 數據采集系統

數據采集系統的核心是STC89C52單片機，模數轉換芯片選用AD7862-10.PSD信號處理電路處理后的模擬信號變化幅度在±10 V之間，因此選用AD7862-10芯片進行模數轉換，它是一款高速、低功耗、雙核12位模數轉換器，采用+5 V單電源供電，可接受的模擬輸入范圍為±10 V.

數據采集系統的處理程序主要包括系統標定和液位顯示2個部分:系統標定是確定AD芯片轉換的數字信號與實際位移的關系式；液位顯示實現位移值的輸出，包括采集系統中的LCD顯示和上位機顯示.

3 激光液位檢測系統標定

3.1 標定實驗

系統標定時采用高精度步進電機控制的升降臺作為標準測量儀器，步進電機升降臺的最小步距為0.4 μm[10]，實驗中記錄升降臺移動的距離（即液位高度）和AD7862-10輸入端的電壓信號.

當激光功率為2.5 mW、β=64°時,升降臺托住裝有液態光敏樹脂的表面皿每次移動0.1 mm.每個采集點讀取10次，去掉其中的最大值和最小值后取平均值，以消除誤差，記錄的部分數據如表1所示.

表1 輸出電壓與液面高度的部分數據列表Tab.1 Part data list of output voltage and liquid level height

針對PSD的線性輸出特性，采用最小二乘法分析PSD標定曲線，擬合直線如圖6所示，擬合均方根誤差δ=4.0777（偏大）.圖6顯示兩端線性度明顯沒有中間線性度高，其主要是由PSD的線性度誤差引起.由于液位波動的幅度較小，所以對中間線性度較好的部分（-3～3 mm）再次擬合，擬合直線如圖7所示.

擬合得到如下的直線方程:

圖6 整個PSD輸出電壓平均值與液位的線性擬合曲線Fig.6 Linear fitting curve of output average voltage in all PSD and liquid level

圖7 -3～3 mm段輸出電壓平均值與液位的線性擬合曲線Fug.7 Linear fitting curve of output average voltage in-3-3 mm and liquid level

式中:x為輸出電壓平均值（V）；y為液位高度（mm）.其均方根誤差δ=0.0046.

將標定所得的擬合直線方程代人到軟件程序中，這樣就可以將采集的電壓信號直接轉換為液面相對零位的液位差值，從而顯示實際液位.

3.2 實驗結果和誤差分析

根據實驗數據按標定方程（3）將計算液位的結果列入表1顯示液位欄中，誤差為擬合后的液位與實際液位之差.由實驗數據可知，在PSD中心處的誤差最小，往兩端誤差呈增長趨勢，在-3～3 mm之間時，測量最大誤差為20.653 μm，滿足實驗要求.

該系統中誤差源有PSD的非線性誤差、光路系統引起的誤差、信號處理電路引起的誤差、數據采集引起的誤差等.其中PSD的非線性誤差可以通過標定的方法消除，其他的誤差在系統的設計和安裝中應盡可能的減小.

4 結論

本設計構建了激光液位檢測系統，由PSD液位檢測系統和數據采集系統構成.實驗結果表明:在量程為6 mm時，誤差僅為0.34%，滿足面曝光快速成形液位檢測精度要求，已成功應用于面曝光快速成形系統.

本液位檢測系統將一維PSD與信號處理電路集成有助于增強信號的抗干擾能力，提高檢測精度；采用加反偏電壓來消除背景光和暗電流的方法，操作簡單；A/D轉換芯片選用-10～+10 V的輸入范圍，方便數據采集；信號處理電路和數據采集電路都簡單可靠；整個系統工作穩定且成本低廉，可應用于各種高精度的非接觸激光液位檢測中，具有廣泛的應用前景.

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