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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此系統(tǒng)具有測量速度快、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
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(jìn)行逐點(diǎn)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(jìn)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(shí)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(jì)算光敏面上的光點(diǎn)坐標(biāo)。檢測中除了目標(biāo)物發(fā)光外,還有其它雜散光經(jīng)反射射入PSD，如實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jìn)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(jì)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(jì)的液位檢測系統(tǒng)原理圖如圖1所示�；鶞�(zhǔn)5V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(yùn)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?biāo)準(zhǔn)方波信號，經(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(jìn)行加法運(yùn)算后反饋至PI調(diào)節(jié)器U6A的反相輸入端，用于對激光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

激光頻率調(diào)制
      采用SG3524芯片對激光頻率進(jìn)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(qiáng)度反饋調(diào)節(jié)
       運(yùn)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(zhǔn)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