面曝光快速成形激光液位檢測(cè)系統(tǒng)的研究

閆達(dá)海，胥光申

（西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710048）

面曝光快速成形技術(shù)以可見(jiàn)光為光源，將三維模型經(jīng)計(jì)算機(jī)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(jīng)視圖發(fā)生器聚焦到樹(shù)脂表面生成視圖，以該視圖為掩膜，進(jìn)行選擇性固化.在面曝光成形工藝過(guò)程中，由于環(huán)境溫度變化，樹(shù)脂固化時(shí)體積改變及升降臺(tái)在樹(shù)脂槽內(nèi)連續(xù)下降等因素的影響，樹(shù)脂液位會(huì)產(chǎn)生波動(dòng).為了保證樹(shù)脂液位始終在工作面上，需要檢測(cè)液位高度，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整[1-2].液位測(cè)量方法可以分為直接和間接測(cè)量法，直接測(cè)量法主要是目測(cè)式；間接測(cè)量法又分為接觸式和非接觸式[3].接觸式液位測(cè)量主要有電容式、電感式、電阻式、光纖式等[4]，目前光纖式測(cè)量方法的精度較高，利用光在光纖中受抑全內(nèi)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(cè)樹(shù)脂液位高度[5].由于光敏樹(shù)脂粘度高、腐蝕性強(qiáng)且有毒性，所以多采用非接觸式方法檢測(cè).非接觸式液位測(cè)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(cè)時(shí)要求至少能分辨一個(gè)層厚0.1 mm，而只有激光式液位檢測(cè)系統(tǒng)能夠達(dá)到要求.本文根據(jù)一維位置傳感器（PSD）的性質(zhì)和激光三角法[6]測(cè)量原理設(shè)計(jì)了樹(shù)脂液位高度檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于面曝光快速成形系統(tǒng).

1 激光液位檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量原理

1.1 一維PSD工作原理

PSD是一種能測(cè)量光斑在探測(cè)器表面上連續(xù)位置的光學(xué)探測(cè)器.它有位置分辨率高、光譜響應(yīng)寬、響應(yīng)速度快和處理電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，如圖1所示.

圖1（a）為一維PSD的截面圖，它是一種P-I-N結(jié)構(gòu)，當(dāng)入射光照在PSD表面時(shí)，產(chǎn)生橫向光電效應(yīng)，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(dāng)坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在PSD中心時(shí)，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(cè)量原理

激光三角法測(cè)量原理如圖2所示[6].

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

半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光束以一定的角度照射到被測(cè)液面，經(jīng)液面反射后垂直入射到PSD感光面上，PSD兩端產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的光電流.被測(cè)液面的高度變化會(huì)引起反射光斑在PSD表面移動(dòng)，其兩端的光電流也隨之改變，以此來(lái)反應(yīng)液面的高度情況.當(dāng)激光入射角為β、被測(cè)液面變化ΔH（mm）時(shí)，對(duì)應(yīng)反射光斑在PSD上的位置變化為D（mm），由此易得關(guān)系式[6]:

由式（2）可知，只要計(jì)算出光斑在PSD上位置變化D的值，即可測(cè)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(guān)系，因此根據(jù)信號(hào)處理電路輸出的電壓值，得出位置變化D的值，從而測(cè)得高度ΔH.

2 激光液位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

針對(duì)面曝光快速成形技術(shù)的精度、樹(shù)脂性質(zhì)等要求，設(shè)計(jì)了樹(shù)脂液位檢測(cè)系統(tǒng).該系統(tǒng)主要由PSD檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成，如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 System structure diagram

由圖3可以看出，激光器發(fā)射的激光經(jīng)一定的角度入射到樹(shù)脂表面，一維PSD接收樹(shù)脂表面反射的激光，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的電流信號(hào).信號(hào)處理電路將電流信號(hào)經(jīng)過(guò)I/V轉(zhuǎn)換后，再對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行求和與求差，最后和差相除，得到一個(gè)模擬電壓信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換芯片將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào).根據(jù)數(shù)字信號(hào)和光在PSD上產(chǎn)生電流的線性關(guān)系計(jì)算出樹(shù)脂液位高度，檢測(cè)結(jié)果通過(guò)LCD顯示器顯示或通過(guò)RS-232接口與上位機(jī)通信，以滿足實(shí)時(shí)測(cè)量和記錄的需求.

2.2 一維PSD和半導(dǎo)體激光器的選擇

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，光學(xué)探測(cè)器采用型號(hào)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(yīng)范圍 380～1100 nm，響應(yīng)時(shí)間 0.8 μs，工作溫度為-10～60℃，滿足面曝光快速成形實(shí)驗(yàn)的要求.

面曝光快速成形連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，需要選擇性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)的激光器；且檢測(cè)光源的波長(zhǎng)必須在PSD的光譜響應(yīng)范圍內(nèi).半導(dǎo)體激光器有體積小、重量輕、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、耗電少、效率高等優(yōu)點(diǎn)，且應(yīng)用非常廣泛.采用型號(hào)為DD650-2.5-5（西安華科光電有限公司）的紅光半導(dǎo)體激光器作為光源，其波長(zhǎng)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(fā)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(cè)量液位時(shí)，激光束入射角度對(duì)檢測(cè)效果有很大的影響.樹(shù)脂對(duì)激光束的反射率和工作臺(tái)的安裝空間是影響入射角度的2個(gè)主要因素.當(dāng)激光從光疏介質(zhì)空氣（折射率n1=1.00029）射向光密介質(zhì)樹(shù)脂（折射率約為n2=1.52）時(shí)，在樹(shù)脂表面將發(fā)生折射和反射，根據(jù)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(guān)系，如圖4所示[8].

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

由圖4可見(jiàn)，液面對(duì)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(qiáng)PSD的輸出信號(hào).但是由于工作臺(tái)安裝空間的限制，入射角選為64°，此時(shí)能量反射率為10%.

2.4 PSD信號(hào)處理電路

在液位檢測(cè)時(shí)，PSD兩端輸出為微弱的光電流I1和I2，所以對(duì)光電流的提取是至關(guān)重要的.圖5所示為PSD信號(hào)處理電路的方框圖[9].信號(hào)處理電路分為前置運(yùn)放電路和后置處理電路2部分:前置運(yùn)放電路實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換；后置處理電路對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行相加和相減，最后相除，得到信號(hào).

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

在PSD信號(hào)處理電路中，運(yùn)算放大器選用OP37，它具有失調(diào)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(diǎn)，提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度，除法電路由模擬乘法器（AD633）和運(yùn)算放大器組成.電路中對(duì)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(hào)處理電路板上，增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力，提高檢測(cè)精度.

在液位檢測(cè)中，除了工作激光外，還有日光燈等雜散光都會(huì)引起PSD檢測(cè)的誤差，并且當(dāng)背景光較強(qiáng)時(shí)，信號(hào)光強(qiáng)度的變化也將影響檢測(cè)的結(jié)果.另外，當(dāng)沒(méi)有激光照射時(shí)，PSD兩電極有暗電流輸出，會(huì)帶來(lái)誤差和噪聲.在信號(hào)處理電路中，采用加反偏電壓的方法來(lái)消除背景光和暗電流對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高檢測(cè)精度，即先在沒(méi)有激光照射的情況下，通過(guò)加反偏電壓調(diào)零來(lái)抵消影響，再打開(kāi)激光器進(jìn)行檢測(cè).

2.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心是STC89C52單片機(jī)，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用AD7862-10.PSD信號(hào)處理電路處理后的模擬信號(hào)變化幅度在±10 V之間，因此選用AD7862-10芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，它是一款高速、低功耗、雙核12位模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的處理程序主要包括系統(tǒng)標(biāo)定和液位顯示2個(gè)部分:系統(tǒng)標(biāo)定是確定AD芯片轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)與實(shí)際位移的關(guān)系式；液位顯示實(shí)現(xiàn)位移值的輸出，包括采集系統(tǒng)中的LCD顯示和上位機(jī)顯示.

3 激光液位檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定

3.1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)采用高精度步進(jìn)電機(jī)控制的升降臺(tái)作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器，步進(jìn)電機(jī)升降臺(tái)的最小步距為0.4 μm[10]，實(shí)驗(yàn)中記錄升降臺(tái)移動(dòng)的距離（即液位高度）和AD7862-10輸入端的電壓信號(hào).

當(dāng)激光功率為2.5 mW、β=64°時(shí),升降臺(tái)托住裝有液態(tài)光敏樹(shù)脂的表面皿每次移動(dòng)0.1 mm.每個(gè)采集點(diǎn)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?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示.

表1 輸出電壓與液面高度的部分?jǐn)?shù)據(jù)列表Tab.1 Part data list of output voltage and liquid level height

針對(duì)PSD的線性輸出特性，采用最小二乘法分析PSD標(biāo)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(méi)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(dòng)的幅度較小，所以對(duì)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(gè)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(biāo)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(hào)直接轉(zhuǎn)換為液面相對(duì)零位的液位差值，從而顯示實(shí)際液位.

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和誤差分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按標(biāo)定方程（3）將計(jì)算液位的結(jié)果列入表1顯示液位欄中，誤差為擬合后的液位與實(shí)際液位之差.由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在PSD中心處的誤差最小，往兩端誤差呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，在-3～3 mm之間時(shí)，測(cè)量最大誤差為20.653 μm，滿足實(shí)驗(yàn)要求.

該系統(tǒng)中誤差源有PSD的非線性誤差、光路系統(tǒng)引起的誤差、信號(hào)處理電路引起的誤差、數(shù)據(jù)采集引起的誤差等.其中PSD的非線性誤差可以通過(guò)標(biāo)定的方法消除，其他的誤差在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝中應(yīng)盡可能的減小.

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)構(gòu)建了激光液位檢測(cè)系統(tǒng)，由PSD液位檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在量程為6 mm時(shí)，誤差僅為0.34%，滿足面曝光快速成形液位檢測(cè)精度要求，已成功應(yīng)用于面曝光快速成形系統(tǒng).

本液位檢測(cè)系統(tǒng)將一維PSD與信號(hào)處理電路集成有助于增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力，提高檢測(cè)精度；采用加反偏電壓來(lái)消除背景光和暗電流的方法，操作簡(jiǎn)單；A/D轉(zhuǎn)換芯片選用-10～+10 V的輸入范圍，方便數(shù)據(jù)采集；信號(hào)處理電路和數(shù)據(jù)采集電路都簡(jiǎn)單可靠；整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定且成本低廉，可應(yīng)用于各種高精度的非接觸激光液位檢測(cè)中，具有廣泛的應(yīng)用前景.

[1]胥光申.用于高精度小尺寸零件制作的光固化快速成型技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2004，23（10）:1223-1225.

[2]CHOI Jaewon，WICKER Ryan B.Cure depth control for complex 3D microstructure fabrication in dynamic mask projection micro-stereolithograph[J].Rapid Prototyping Journal，2009，15（1）:59-70.

[3]王大鵬.光纖成品油液位自動(dòng)測(cè)量裝置[D].哈爾濱:黑龍江大學(xué)，2008.

[4]任開(kāi)春，涂亞慶.20余種液位測(cè)量方法分析[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2003（5）:12-16.

[5]李國(guó)哲，于清旭.基于光纖受抑全內(nèi)反射原理的高精度液位傳感器研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2004（2）:50-51，54.

[6]何勇，莫健華，范準(zhǔn)峰，等.光固化快速成形中激光液位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].激光雜志，2007，28（4）:79-80.

[7]李曠野.基于PSD的高精度位移傳感器的研究[D].長(zhǎng)春:長(zhǎng)春理工大學(xué)，2010.

[8]游璞，于國(guó)萍.光學(xué)[M].北京:高等教育出版社，2008.

[9]莫偉.基于PSD的高速激光距離傳感器的信號(hào)檢測(cè)與處理[D].武漢:華中科技大學(xué)，2008.

[10]胡送橋.新型面曝光快速成形控制系統(tǒng)及系統(tǒng)軟件研究[D].西安:西安工程大學(xué)，2010.