基于位置敏感器件的液位檢測(cè)系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)處理

高永強(qiáng)，弓海霞

(1.無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214028；2.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江哈爾濱 150001)

0 引言

光固化立體成型(SLA，stereolithography)工藝?yán)靡簯B(tài)光敏樹(shù)脂作為原料，采用紫外激光分層填充固化和逐層疊加的方法，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維零件的制作，成型零件具有精度高、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度適中、后處理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品模型的制作。在光固化立體成型過(guò)程中，光敏樹(shù)脂液面位置的控制精度對(duì)制件的成型精度和固化質(zhì)量影響較大，成型時(shí)光敏樹(shù)脂的液面位置受工作臺(tái)升降擾動(dòng)、溫度變化、供液流量以及設(shè)備震動(dòng)等因素的影響而變化，如何準(zhǔn)確地測(cè)量液面位置是保證成型質(zhì)量的關(guān)鍵[2-3]。

光敏樹(shù)脂為腐蝕性強(qiáng)黏度高的液態(tài)樹(shù)脂，光固化立體成型工藝中分層層厚一般在0.05 mm以上，測(cè)量精度要高于最小層厚，因此在測(cè)量方式上通常利用位置敏感器件(PSD，position sensitive detector)和點(diǎn)激光光源，依據(jù)激光三角法測(cè)量原理實(shí)現(xiàn)光敏樹(shù)脂液位的檢測(cè)，此方案具有非接觸和精度高的優(yōu)點(diǎn)，且系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。在成型過(guò)程中，紫外激光不斷照射樹(shù)脂造成光線散射，設(shè)備工作環(huán)境中的照明光源也會(huì)有光線進(jìn)入到設(shè)備腔體內(nèi)，位置敏感器件是一種半導(dǎo)體光電敏感器件，外界雜散光對(duì)位置敏感器件的測(cè)量精度影響較大[4]。設(shè)計(jì)液位檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，不僅要考慮檢測(cè)系統(tǒng)自身的精度，也要考慮在檢測(cè)過(guò)程中外界因素對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)精度的影響。相關(guān)文獻(xiàn)在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)[5-6]，主要考慮了液位檢測(cè)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)和精度標(biāo)定，并沒(méi)有考慮使用環(huán)境對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響并做出相應(yīng)處理，在標(biāo)定精度時(shí)只是采用最小二乘法線性擬合，沒(méi)有充分考慮位置敏感器件的特點(diǎn)，程智從硬件電路和數(shù)據(jù)處理兩個(gè)方面進(jìn)行改善[7]，但對(duì)數(shù)據(jù)只是做了基本的均值濾波。本文在詳細(xì)設(shè)計(jì)基于位置敏感器件的激光液位檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化位置敏感器件的精度標(biāo)定方法，采用分段擬合的方法提高檢測(cè)系統(tǒng)的精度，在分析位置敏感器件誤差特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)每段誤差的特點(diǎn)，分別采用不同的數(shù)據(jù)處理算法來(lái)進(jìn)一步提高測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1 液位檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 位置敏感器件的工作原理

位置敏感器件是一種能檢測(cè)光點(diǎn)位置的光電器件，其工作原理為橫向光電效應(yīng)，一維PSD的斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由3層構(gòu)成，最上一層為P層，中間為高阻的I層，下層為N層，當(dāng)光照射在PSD光敏面上時(shí)，在光斑處產(chǎn)生比例于光能的光生電流I0,橫向光電效應(yīng)使得光生電流流過(guò)P層，從P層的兩個(gè)電極輸出電流，由于P層電阻是均勻的，因此，兩電極輸出的光電流I1和I2反比于入射光斑位置到各自電極間的距離X1和X2，且I0=I1+I2。若L為兩電極之間的距離，X1為電極1到光斑入射位置的距離，則通過(guò)式(1)可得到入射光斑的位置：

圖1 一維PSD端面結(jié)構(gòu)圖

(1)

因位置敏感器件光敏面上的阻性不均勻和邊緣效應(yīng)等因素，導(dǎo)致位置電流輸出存在非線性，越靠近邊緣區(qū)域非線性誤差越大，同時(shí)邊緣區(qū)域重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)的方差較中心區(qū)域大很多，如圖2所示[8]。

圖2 一維PSD的輸出線性誤差和測(cè)量數(shù)據(jù)方差

1.2 激光三角法

液位檢測(cè)系統(tǒng)采用激光三角法原理檢測(cè)樹(shù)脂液面，激光三角法是通過(guò)反射激光來(lái)確定位置變化的測(cè)量方法，該方法利用光電技術(shù)對(duì)位移進(jìn)行非接觸測(cè)量，具有精度高、速度快和非接觸等特點(diǎn)，非常適合用來(lái)進(jìn)行樹(shù)脂液位的測(cè)量。由于樹(shù)脂液面為鏡面，采用斜射式激光三角法時(shí)，在角度合理的情況下，可以保證激光光束被反射的能量達(dá)到接收器件的工作條件，使接收器件輸出足夠大的信號(hào),以滿足測(cè)量要求。

反射式激光三角法測(cè)量原理如圖3所示，一束激光經(jīng)被測(cè)樹(shù)脂液面反射后照射到接收器件表面，當(dāng)樹(shù)脂液面高度H發(fā)生變化時(shí)，激光光斑在接收器件表面的位置L也相應(yīng)地發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量光斑在接收器件表面距離的變化后，由式(2)可得到液面高度的變化值，具體公式如下：

圖3 斜射式激光三角法測(cè)量原理圖

(2)

式中：ΔH為液面相對(duì)高度；θ為激光入射角；ΔL為光斑在接收器件上的相對(duì)位置。

1.3 液位檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.3.1 液位檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

液位檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，點(diǎn)激光源發(fā)出的激光束經(jīng)整形透鏡整形后，通過(guò)直徑為1 mm的光闌，然后照射到液面上，激光束被樹(shù)脂液面反射后通過(guò)濾波片照射到一維PSD傳感器的光敏面上，通過(guò)測(cè)量PSD兩端電極輸出電流,就可以利用式(1)和式(2)確定激光光斑在PSD表面上的位置，最后得到液面的高度位置。

圖4 液位檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

液位檢測(cè)系統(tǒng)所用FTS1-W104型一維PSD的光敏面長(zhǎng)為20 mm，寬為2 mm，光譜范圍：380～1 100 nm，位置分辨率為1 μm。當(dāng)入射角θ為60°時(shí)，傳感器的理論分辨率為3.46 μm,滿足設(shè)計(jì)提出的5 μm以內(nèi)的分辨率要求，此時(shí)液位檢測(cè)系統(tǒng)的最大量程為11 mm。激光束照射時(shí)，如光斑邊緣接近PSD光敏面的邊緣時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大測(cè)量誤差，光斑越靠近邊緣，誤差越大，為減小邊緣效應(yīng)，硬件設(shè)計(jì)上盡可能將光斑縮小，同時(shí)控制光斑照射于PSD光敏面中間位置。檢測(cè)系統(tǒng)用DI670-1-3型半導(dǎo)體紅外高準(zhǔn)直圓光斑激光器作為檢測(cè)光源，其波長(zhǎng)為670 nm,輸出功率為3.0 mW，出瞳孔徑為2 mm,使激光束通過(guò)光闌形成直徑為1 mm的平行光束，再照射到PSD中間位置。由于背景光對(duì)PSD輸出電流有較大的影響[9]，硬件上液位檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)添加濾波片減小背景光對(duì)器件的干擾，軟件上通過(guò)對(duì)采集的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高檢測(cè)精度。

1.3.2 電路原理

液位檢測(cè)系統(tǒng)為光固化立體成型設(shè)備中的一個(gè)子系統(tǒng)，用于在成型過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量樹(shù)脂液面的位置，液位檢測(cè)系統(tǒng)的電路構(gòu)成如圖5所示，數(shù)據(jù)采集部分利用C8051F020單片機(jī)作為控制單元，PSD產(chǎn)生的2路電流信號(hào)分別經(jīng)信號(hào)處理模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)定時(shí)讀取數(shù)據(jù)并將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)RS232串口發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)以工控機(jī)為核心，負(fù)責(zé)光固化立體成型設(shè)備的過(guò)程控制和相關(guān)數(shù)據(jù)處理，工控機(jī)接收到單片機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后，完成數(shù)據(jù)處理和位置顯示。

圖5 液面檢測(cè)系統(tǒng)電路

PSD的輸出電流很微弱，在mW級(jí)功率激光的照射下，產(chǎn)生的光電流為幾十到幾百μA。常見(jiàn)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換是由運(yùn)算放大器和電阻構(gòu)成的電阻反饋式電路轉(zhuǎn)換，當(dāng)被檢測(cè)電流很小時(shí)，電阻反饋式轉(zhuǎn)換電路的反饋電阻阻值很大，將帶來(lái)很大的噪聲，影響系統(tǒng)的測(cè)量精度。而電容反饋式轉(zhuǎn)換電路采用積分形式進(jìn)行跨阻放大，電容在理論上沒(méi)有約翰遜噪聲，所以電容反饋比電阻反饋式轉(zhuǎn)換電路測(cè)量弱電流的噪聲低很多[10]。PSD信號(hào)處理模塊采用電容反饋式轉(zhuǎn)換電路放大PSD輸出的電流信號(hào)，如圖6所示，IVC102精密積分放大器將輸入的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成負(fù)電壓信號(hào)輸出，經(jīng)OPA1632通用運(yùn)算放大器組成的信號(hào)調(diào)理電路，將積分放大輸入的負(fù)電壓信號(hào)抬升2.5 V變?yōu)檎妷盒盘?hào)，并緩沖后送給ADS1271采集單元電路，再經(jīng)SPI接口將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，ADS1271為24 bit Σ-Δ高精度ADC，最高轉(zhuǎn)化速率為105 KSPS。單片機(jī)是數(shù)據(jù)采集部分的核心，主要任務(wù)有產(chǎn)生IVC102積分開(kāi)關(guān)時(shí)序，與ADS1271進(jìn)行通信采集信號(hào)電壓，并將采集的信號(hào)數(shù)據(jù)上傳給工控機(jī)。

圖6 信號(hào)處理模塊

1.4 液位檢測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定及數(shù)據(jù)處理

1.4.1 液位檢測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定

PSD光敏面的阻性不均勻和邊緣效應(yīng)導(dǎo)致光點(diǎn)移動(dòng)位置與輸出電流的非線性，位于PSD光敏面中間位置的線性度較好，越靠近邊緣位置線性度越差。為了充分利用PSD的有效工作區(qū)域，同時(shí)保證測(cè)量精度，根據(jù)PSD的輸出特征，液位檢測(cè)系統(tǒng)采用三段式標(biāo)定方式，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)及誤差波動(dòng)將工作區(qū)域分為3段，中間段線性度最高，采用最小二乘直線擬合，兩邊線性度差的部分，采用多項(xiàng)式曲線擬合。

(3)

1.4.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)處理

標(biāo)定液位檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)工作在理想的工作環(huán)境中，此時(shí)采集的數(shù)據(jù)受外界干擾小，準(zhǔn)確度高。而測(cè)量光敏樹(shù)脂液位高度的時(shí)候，設(shè)備工作環(huán)境中的光源及外界雜散光會(huì)對(duì)位置敏感器件產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，因此需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。從圖2可知，PSD邊緣區(qū)域重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)的方差較中心區(qū)域的大很多，中間區(qū)域的線性度好，且方差較小，因此，中間和兩邊分別采用不同的數(shù)據(jù)處理算法?？柭鼮V波算法是效率較高的遞歸濾波算法，該算法建立在線性最小方差估計(jì)的基礎(chǔ)上，可得到線性最優(yōu)的估計(jì)值，因此中間部分采用卡爾曼濾波算法；兩邊部分方差較大，可通過(guò)增加采樣數(shù)量來(lái)提高數(shù)據(jù)的可靠性，數(shù)據(jù)處理采用平均算法，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，去除最大最小值，然后求取剩余數(shù)據(jù)的平均值。

(4)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

標(biāo)定系統(tǒng)時(shí)，采用由光柵尺反饋位置的WN220TA50H型高精度直線模組驅(qū)動(dòng)的升降平臺(tái)來(lái)標(biāo)定測(cè)量?jī)x器，升降臺(tái)50 mm行程內(nèi)的絕對(duì)定位精度可以達(dá)到3 μm，分辨率為1 μm，將光敏樹(shù)脂槽放置在升降臺(tái)上，升降臺(tái)從下向上單向運(yùn)動(dòng)，每次移動(dòng)0.1 mm，系統(tǒng)控制單片機(jī)讀取5組數(shù)據(jù)，PSD的最大測(cè)量范圍為8 mm，上述過(guò)程重復(fù)3次，然后對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合時(shí)去除每組中的最大及最小值，以減小擬合誤差，再根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)和誤差波動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)分段，最后擬合獲得每段的函數(shù)方程，實(shí)驗(yàn)所得方程如下：

(5)

擬合曲線見(jiàn)圖7，PSD信號(hào)輸出的中間部分線性度較好，兩端部分的線性度逐漸變差，越靠近邊緣部分，線性度越差，因此，液位檢測(cè)系統(tǒng)只標(biāo)定PSD在3～17 mm范圍內(nèi)工作面，對(duì)應(yīng)液位檢測(cè)范圍為-4～+4 mm。

圖7 擬合曲線

模擬設(shè)備真實(shí)工作環(huán)境，按照標(biāo)定時(shí)的數(shù)據(jù)采集步驟和要求采集數(shù)據(jù)，對(duì)采集后的數(shù)據(jù)采用2種不同的數(shù)據(jù)處理方式處理：方式1，每個(gè)點(diǎn)讀取5個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)5個(gè)數(shù)據(jù)做平均處理；方式2，兩端每個(gè)點(diǎn)讀取9個(gè)數(shù)據(jù)，兩端的數(shù)據(jù)排序后去掉最大、最小值，然后取平均值，中間部分每個(gè)點(diǎn)讀取5個(gè)數(shù)據(jù)，采用卡爾曼濾波算法處理，處理后對(duì)比2種方式獲得的液位數(shù)據(jù)與擬合曲線計(jì)算數(shù)據(jù)的差值，圖中顯示誤差值放大20倍后的數(shù)值,如圖8和圖9所示。

圖8 中間部分不同數(shù)據(jù)處理方式的對(duì)比

圖9 上端部分不同數(shù)據(jù)處理方式的對(duì)比

從圖8可以看出，中間段2種數(shù)據(jù)處理方式所獲得的液位數(shù)據(jù)總體差別不大，但是采用卡爾曼濾波算法所獲得的數(shù)據(jù)組成的折線平滑，誤差小于0.27%；圖9為上端部分的液位數(shù)據(jù)，采用增加取樣點(diǎn)方式所得液位數(shù)據(jù)誤差小于0.4%，而取樣數(shù)據(jù)較少的方式1所得的液位數(shù)據(jù)偏差范圍較大，可見(jiàn)針對(duì)不同區(qū)域檢測(cè)系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)處理算法是有效的。曲線下端與上端的數(shù)據(jù)處理方法相同。

3 結(jié)論

本文研發(fā)了基于位置敏感器件的樹(shù)脂液位檢測(cè)系統(tǒng)，采用反射式激光三角法原理來(lái)測(cè)量樹(shù)脂液位的變化。為了提高檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度，針對(duì)位置敏感器件固有的特性，從硬件結(jié)構(gòu)、信號(hào)采集、檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理4個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化，硬件上采用增加光闌和濾波片來(lái)消除雜散光，信號(hào)采集上采用積分放大電路來(lái)降低噪聲對(duì)有效信號(hào)的干擾，數(shù)據(jù)處理上采用分段標(biāo)定和分段采用不同數(shù)據(jù)處理算法來(lái)提高精度。經(jīng)過(guò)測(cè)定，樹(shù)脂液位檢測(cè)系統(tǒng)在-4～+4 mm的測(cè)量范圍內(nèi)，兩端的誤差均小于0.4%，中間誤差小于0.27%，完全滿足光固化立體成型工藝的要求，并已成功應(yīng)用于相關(guān)設(shè)備上。