高溫下紫外光能量在線檢測(cè)方法與設(shè)計(jì)

王 輝,王 軍,2,董興法,陳海松

(1.蘇州科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215009；2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長(zhǎng)春 130033)

1 引 言

目前,印刷行業(yè)以及UV(紫外)固化等行業(yè)不斷發(fā)展,各膠黏劑生產(chǎn)商針對(duì)UV光固化特性,研制出用于粘接、密封、印刷等系列UV產(chǎn)品,并廣泛應(yīng)用于通訊、電子、光學(xué)、印刷等眾多領(lǐng)域 。這些產(chǎn)品在UV光(特定波長(zhǎng)及光能量) 照射下,會(huì)固化或硬化(聚合),但UV燈能量不足會(huì)導(dǎo)致固化效果不佳或印刷中油墨不干[1-3]。此外,UV固化爐大多使用汞燈,其燈管表面溫度不低于170 ℃,長(zhǎng)時(shí)間工作發(fā)熱量大,溫度高,現(xiàn)有儀器探頭中光電二極管溫度范圍大多在100 ℃左右,長(zhǎng)時(shí)間照射將會(huì)降低采集端器件的可靠性甚至造成探頭損壞。工業(yè)上有時(shí)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)紫外光能量變化情況,分析光源參數(shù)變化和固化時(shí)間,從而達(dá)到更好的固化效果。市場(chǎng)上的紫外光能量檢測(cè)儀存在測(cè)量精度低、紫外光輻射大、實(shí)時(shí)性差、現(xiàn)有儀器探頭易損等。因此,在很多應(yīng)用中需要一種能夠耐高溫且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)UV能量的儀器,針對(duì)以上情況,提出光纖導(dǎo)光的紫外光能量在線檢測(cè)方法,該方法不僅提高測(cè)量精度和解決耐高溫的問題,還避免測(cè)量時(shí)紫外光輻射的危害以及能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)分析UV光能量。

2 能量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光纖導(dǎo)光的紫外能量計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示,主要由UV光源、導(dǎo)光裝置、光電信息處理模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、主控制器以及上位機(jī)顯示模塊組成。紫外光能量計(jì)是將光信號(hào)通過全方位導(dǎo)光光纖傳輸至光電器件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)[4],再進(jìn)行濾波放大處理轉(zhuǎn)換為差分信號(hào),主控制器通過驅(qū)動(dòng)24位高精度ADC進(jìn)行差分采集,并計(jì)算相應(yīng)的能量值,最后通過RS485通信將數(shù)據(jù)編碼傳輸至上位機(jī)進(jìn)行紫外光能量實(shí)時(shí)顯示[5]。

圖1 能量檢測(cè)系統(tǒng)框圖Fig.1 Energy detection system block diagram

3 能量檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方案

3.1 導(dǎo)光傳輸處理方法

UV光照射會(huì)散發(fā)大量的熱,造成周圍溫度過高,光電二極管長(zhǎng)時(shí)間工作在高溫下易損壞。由于光纖是SiO2材料具有耐高溫性能,同時(shí)光纖外殼使用柔性不銹鋼[6-7],其在高溫環(huán)境下能正常工作,因此可以用光纖取光。在紫外光采集處,均勻打上通光孔,設(shè)計(jì)成圓型采光裝置,保證在測(cè)試使用過程中沿光纖軸法線方向旋轉(zhuǎn)移動(dòng)也影響降到最小。其取光裝置如圖2所示,UV光照射到光纖軌跡如圖3所示。

圖2 光纖取光裝置Fig.2 Fiber optic light extraction device diagram

圖3 紫外光軌跡圖Fig.3 Ultraviolet light trace

3.2 前端信號(hào)處理方法設(shè)計(jì)

該方案針對(duì)前端信號(hào)設(shè)計(jì)了一種基于雙傳感器減法電路濾除環(huán)境光中紫外光的處理方法,為了盡可能消除暗電流帶來的熱噪聲的影響下[8],本方案采用圖4(a)虛線框電流轉(zhuǎn)換電路,輸出噪聲小,圖中D1只接受環(huán)境光,D2正常采光(其中R5=R6,R8=R4),電路如圖4所示。

圖4 前端信號(hào)處理圖Fig.4 Front-end signal processing diagram

圖4(a)中電壓與傳感器D1輸出電流Is關(guān)系為:

Vout=-(Is·Rc)

(1)

從噪聲角度看(1 μA電流轉(zhuǎn)1 V信號(hào))時(shí)輸出噪聲為:

(2)

減法電路輸出電壓與雙傳感器輸出電流關(guān)系式為:

(3)

式中,Is為正常采光產(chǎn)生的電路,為只接受環(huán)境光產(chǎn)生的電流,通過調(diào)整R8和R5比值進(jìn)行信號(hào)放大。

3.3 差分采集與數(shù)據(jù)處理方法

A/D采集中使用單端采集較多,信號(hào)受干擾大,而差分信號(hào)變化較大,為了避免A/D采集中接地回路干擾以及環(huán)境引起的共模干擾的影響[9-10],所以選用差分采集。該方式采用內(nèi)部含有3個(gè)差分模擬輸入的24位高精度ADC采集芯片,其片內(nèi)低噪聲儀表放大器可通過編程控制放大倍數(shù),可采集小信號(hào)。因此,在高精度采集中增加了單端轉(zhuǎn)差分電路,加上高分辨率ADC差分采集方式提高精度,除了硬件上的方法,在軟件中使用改進(jìn)的均值濾波算法,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。電路如圖5所示,前端輸出信號(hào)Vout經(jīng)運(yùn)放OP295轉(zhuǎn)成差分信號(hào),然后主控制器通過SPI接口與AD7793進(jìn)行差分信號(hào)采集和處理,A/D采集流程如圖6所示。

圖5 差分采集電路Fig.5 Differential acquisition circuit

圖5中R2=R3;R1=R4;R6=R7;R5=R8。其中輸入信號(hào)與差分信號(hào)之間關(guān)系式為:

V+=Vout+1.25

(4)

V-=-Vout+1.25

(5)

AD采集參考源VREF選用外部2.5 V基準(zhǔn)源,最大模擬電壓設(shè)定2 V,其對(duì)應(yīng)功率設(shè)為1 W,故紫外光能量密度與AD采集的數(shù)字量之間關(guān)系為:

E=500T(VREF·Code-2N-GAIN)

(6)

式中,E為紫外光能量密度,單位mJ/cm2;T為能量密度累積的時(shí)間,其中能量密度主要有兩方面作用,第一通過時(shí)間累積獲得的光能量密度,是減小測(cè)量誤差的一種手段,另外也是衡量光源穩(wěn)定性的指標(biāo),為光源應(yīng)用提供一種可靠性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),Code為AD采集的數(shù)字量,GAIN為內(nèi)部增益設(shè)為1,由芯片手冊(cè)知GAIN=1時(shí),分辨率N≈20。

圖6 A/D采集流程圖Fig.6 A/D acquisition flow chart

3.4 數(shù)字濾波方法

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí),會(huì)遇到數(shù)據(jù)的隨機(jī)誤差,隨機(jī)誤差是由隨機(jī)干擾引起的,可以通過數(shù)字濾波方法,來提高測(cè)量精度以及信號(hào)穩(wěn)定性[11-12]。數(shù)字濾波原理是將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成另一組輸出信號(hào)序列,設(shè)數(shù)字濾波器的輸入信號(hào)為X(t),輸出信號(hào)為Y(t),則輸入與輸出信號(hào)可用差分方程表示為:

(7)

其中,X(t)可以是A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字序列,也可以是計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)。由差分方程式組成的濾波器稱為遞歸濾波器。如果將公式中bk取為0,則可得非遞歸型數(shù)字濾波器。本方法使用改進(jìn)的滑動(dòng)平均濾波法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理,其中取i(當(dāng)i>49999時(shí),i取10)為采樣次數(shù),當(dāng)i=9時(shí),將采樣值存放于新建數(shù)組a[10]中,此后每次采樣的新數(shù)據(jù)取代數(shù)組元素中a[m]的數(shù)據(jù),然后對(duì)當(dāng)前數(shù)組進(jìn)行平均處理,獲得新的濾波結(jié)果。此算法表示為:

(8)

式中,Yl為第l次采樣經(jīng)過濾波處理后的輸出值；t≠m,m=i%10,此方法與傳統(tǒng)的滑動(dòng)平均濾波相比,每次計(jì)算只需改變一個(gè)元素,大大提高了運(yùn)算速度,此方法流程如圖7所示。

圖7 數(shù)字濾波流程圖Fig.7 Digital filter flow chart

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法

4.1 主控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序流程圖如圖8(a)所示,主控制器先進(jìn)行初始化命令,開啟定時(shí)器,觸發(fā)AD采集命令,微控制器通過SPI接口與AD7793進(jìn)行通信,對(duì)差分信號(hào)采集和處理,并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼,等待上位機(jī)獲取命令并根據(jù)協(xié)議判斷獲取命令準(zhǔn)確性和功能,最后通RS485發(fā)送到上位機(jī)。

4.2 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程,如圖8(b)所示,上位機(jī)先檢查RS485連接是否異常并記錄,然后對(duì)一些函數(shù)模塊初始化以后,發(fā)送獲取命令,接收到數(shù)據(jù)后根據(jù)相應(yīng)的協(xié)議進(jìn)行判斷幀格式并進(jìn)行解碼,計(jì)算出相應(yīng)的能量和溫度值,在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示,同時(shí)將參數(shù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中[13-15],獲取各能量均勻度曲線擬合圖,檢測(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

設(shè)計(jì)的實(shí)物制版如圖9(a),外形尺寸95 mm×135 mm,圖9(b)是實(shí)驗(yàn)室中使用UV LED365NM面光源進(jìn)行標(biāo)定的光纖測(cè)

試環(huán)境圖,取光頭全方位入光,圖9(c)是整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用于合作企業(yè)產(chǎn)線上位機(jī)實(shí)測(cè)圖,整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,紫外能量數(shù)據(jù)波動(dòng)最大10 mJ/cm2,經(jīng)光纖導(dǎo)光至光電二極管處溫度較小,能夠滿足工業(yè)產(chǎn)線需求,圖10(a)是單傳感器波形圖,雜光干擾大約46 mV,且紋波較多,圖10(b)是雙傳感器波形圖,雜光幅值只有3.2 mV,且紋波較少。圖10(c)差分信號(hào)仿真圖,由圖可看出V++V-=2.5V。表1是中一路測(cè)量的數(shù)據(jù),其測(cè)量光源選用UV LED365NM面光源,發(fā)光強(qiáng)度是2 W/cm2,測(cè)量高度為5 cm,時(shí)間為2 s,通過手動(dòng)調(diào)節(jié)其輸出光強(qiáng)百分比測(cè)量數(shù)據(jù)如表1,從表中可以看出波動(dòng)范圍在11 mJ/cm2以內(nèi),且紫外光發(fā)光強(qiáng)度越小,其數(shù)據(jù)越穩(wěn)定,發(fā)光強(qiáng)度越大,光源溫度越高,然而經(jīng)光纖導(dǎo)光后光電二極管處溫度較低,且變換較慢。

圖8 軟件程序流程圖Fig.8 Software program flow chart

圖9 實(shí)物制版及測(cè)量圖Fig.9 Physical plate making and measurement

圖10 電路測(cè)量波形圖Fig.10 Circuit measurement waveform

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental measurement data

6 結(jié) 論

紫外光能量檢測(cè)在測(cè)量方式、高溫下、顯示等方面進(jìn)行了很大的改進(jìn)。設(shè)計(jì)的前端處理電路,不僅濾除環(huán)境光,還降低了噪聲,提高了測(cè)量精度；光纖導(dǎo)光方式避免了光電傳感器高溫直射,且光電傳感器環(huán)境溫度較低,變化緩慢；在線式顯示避免了強(qiáng)紫外光對(duì)人體輻射的問題；而且系統(tǒng)穩(wěn)定性好,波動(dòng)范圍在1.5 %以內(nèi),能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)紫外光能量大小。因此,該設(shè)計(jì)可廣泛應(yīng)用于工業(yè)紫光檢測(cè)領(lǐng)域。