CN107246902A - 一种3d打印液体材料的液面高度检测方法和系统 - Google Patents

一种3d打印液体材料的液面高度检测方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种3D打印液体材料的液面高度检测方法和系统。该方法包括:在液体材料的液面上方,设置分光装置;在液体材料的液体表面,设置反射浮标,并使反射浮标与分光装置对齐;用激光照射分光装置,激光被分光装置分为相干的两束,一束由分光装置反射,另一束穿过分光装置由反射浮标反射,利用光探测器同时接收反射的这两束激光,获取激光干涉条纹;通过检测激光干涉条纹的变化,实时计算出液面的高度变化。通过利用激光干涉原理,通过设置在液面上方的分光装置和漂浮在液面上的反射浮标,反射两束相干激光,获取干涉条纹,通过检测相干激光的相位变化,实现对液面高度的高精度检测,并且对腐蚀等因素不敏感,精度稳定。

Description

一种3D打印液体材料的液面高度检测方法和系统
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域,特别涉及一种3D打印液体材料的液面高度检测方法和系统。
背景技术
在微纳3D打印机的加工过程中,升降台11升降运动,带动其上的固化样件13运动,当光源从上向下照射的时候,如1所示,为保证光敏树脂液体材料12的液面的高度与已固化的样件13表面的高度之差为设定的打印层高值,液面高度必须要能实时检测出来,否则会导致加工失败。而微纳3D打印要求层高设定0.5~1um,因此光敏树脂液位高度的高精密检测变得非常重要。
目前关于液面高度检测的方法常见的有以下3种:一、传统压力方式,在液体底部安装一只压力传感器,读取的压力值即可表示液面高度与液体密度之积,这种方式成本低,精度低,但无法满足使用要求;二、激光探测方法,测量原理为光源发出的光由发送光纤传输到被测液体的表面,并反射回来被接收光纤接收,其光强量与液面高度有关,采用该激光探测方法能得到相对较高的精度(几个微米量级),缺点是对光源、光纤、反射表面反射率、光在光纤中的传输损耗等变化非常敏感,容易引起较大的测量误差;三、电容式探测,需要两个感应电极,所测电容值是两个感应电极之间的电容量,但感应电极长时间放在液体中,感应电极表面容易发生腐蚀等影响量测结果。
因此,需要提出一种新的液面高度检测方法,对3D打印加工过程的液面高度进行高精密度的检测。
发明内容
鉴于现有技术3D打印过程中液体材料液面高度检测精度不高的问题,提出了本发明的一种3D打印液体材料的液面高度检测方法和系统,以便克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。
为了实现上述目的,本发明采用了如下技术方案:
依据本发明的一个方面,提供了一种3D打印液体材料的液面高度检测方法,该方法包括:
在所述液体材料的液面上方,设置分光装置;
在所述液体材料的液体表面,设置反射浮标,并使所述反射浮标与所述分光装置对齐;
用激光照射所述分光装置,所述激光被所述分光装置分为相干的两束,一束由所述分光装置反射,另一束穿过所述分光装置由所述反射浮标反射,利用光探测器同时接收反射的这两束激光,获取激光干涉条纹;
通过检测所述激光干涉条纹的变化,实时计算出所述液面的高度变化。
可选地,在设置所述反射浮标时,使所述反射浮标以固定的角度漂浮于所述液面上。
可选地,设置的所述反射浮标为平板状,在其下方一侧设置配重结构,通过所述配重结构使所述反射浮标以固定的角度漂浮于所述液面上。
可选地,该方法还包括,设置限位装置,用于限位所述反射浮标,使所述反射浮标始终与所述分光装置对齐。
可选地,所述限位装置采用如下方法实现:在盛放所述液体材料的液槽中设置限位板,令所述限位板包围的区域与所述分光装置对齐,将所述反射浮标置于所述限位板包围的区域内。
依据本发明的另一个方面,提供了一种3D打印液体材料的液面高度检测系统,该系统包括:激光光源、分光装置、反射浮标、光探测器和检测单元;
所述激光光源,用于提供射向所述分光装置的激光;
所述分光装置,设置在所述液体材料的液面上方,用于将所述激光光源发出的激光分为相干的两束,一束由所述分光装置反射,另一束穿过所述分光装置由所述反射浮标反射;
所述反射浮标,设置在所述液体材料的液体表面,并与所述分光装置对齐,用于反射穿过所述分光装置的激光束;
所述光探测器,用于同时接收所述分光装置和所述反射浮标反射的两束激光,获取激光干涉条纹;
所述检测单元,用于检测所述激光干涉条纹的变化,实时计算出所述液面的高度变化。
可选地,所述反射浮标以固定的角度漂浮于所述液面上。
可选地,所述反射浮标为平板状,其下方一侧设置有配重结构,所述反射浮标通过所述配重结构以固定的角度漂浮于所述液面上。
可选地,该系统还包括限位装置,所述限位装置用于限位所述反射浮标,使所述反射浮标始终与所述分光装置对齐。
可选地,所述限位装置为设置在盛放所述液体材料的液槽中的限位板,所述限位板包围的区域与所述分光装置对齐,所述反射浮标置于所述限位板包围的区域内。
综上所述,本发明的技术方案通过利用激光干涉原理,通过设置在液面上方的分光装置和漂浮在液面上的反射浮标,反射两束相干激光,获取干涉条纹,通过检测相干激光的相位变化,实现对液面高度的高精度检测,并且对腐蚀等因素不敏感,精度稳定。
附图说明
图1为微纳3D打印的原理示意图;
图2为本发明一个实施例提供的一种3D打印液体材料的液面高度检测方法的流程示意图;
图3为本发明一个实施例提供的一种3D打印液体材料的液面高度检测系统的结构示意图;
图4为本发明一个实施例提供的反射浮标限位装置俯视示意图;
图5为本发明一个实施例提供的反射浮标的配重结构示意图。
图中:11、升降台;12、液体材料;13、样件;31、激光光源;32、分光装置;33、反射浮标;34、光探测器;35、液槽;36、限位板;37、配重球。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明的技术构思是:基于激光干涉原理,利用设置在3D打印液体材料中的反射浮标和液面上方的分光装置,获取干涉条纹,检测相干激光的相位变化,精确检测液面高度。
图2为本发明一个实施例提供的一种3D打印液体材料的液面高度检测方法的流程示意图,如图2所示,该方法包括如下步骤:
步骤S110,在液体材料的液面上方,设置分光装置。
该分光装置,例如是通过镀膜等方式制作的分束器。
步骤S120,在液体材料的液体表面,设置反射浮标,并使反射浮标与分光装置对齐。
反射浮标漂浮在液体表面上,随液面高度变化而上升或下降,该反射浮标的高度变化,即可表示液面的高度变化。并且,设置反射浮标对激光进行反射,而不是直接利用液面进行反射,还可以避免由于光敏树脂液体材料透光率极高,造成的反射激光较少的问题,从而提高信噪比,保证检测精度。
步骤S130,用激光照射分光装置,使得该激光被分光装置分为相干的两束,一束由分光装置反射,另一束穿过分光装置,照射至反射浮标并由反射浮标反射,利用光探测器同时接收分光装置和反射浮标反射的两束激光,获取激光干涉条纹。
步骤S140,通过检测激光干涉条纹的变化,实时计算出液面的高度变化。
本发明的技术方案通过利用激光干涉原理,通过设置在液面上方的分光装置和漂浮在液面上的反射浮标,反射两束相干激光,获取干涉条纹,通过检测相干激光的相位变化,实现对液面高度的高精度检测,探测精度能达到激光波长和亚波长量级,如几百纳米;并且只需要考虑反射浮标高度变化,对腐蚀等因素不敏感,精度稳定。
优选地,在设置反射浮标时,使反射浮标以固定的角度漂浮于液面上。设置反射浮标以固定的角度漂浮于液面上,从而便于反射激光照射至光探测器上,便于获取干涉条纹。
优选地,例如可以设置反射浮标为平板状,在其下方一侧设置配重结构,通过配重结构使反射浮标以固定的角度漂浮于液面上。
优选地,本方法还包括设置限位装置,用于限位反射浮标,使反射浮标始终与分光装置对齐。
具体地,限位装置可以采用如下方法实现:在盛放液体材料的液槽中设置限位板,令限位板包围的区域与分光装置对齐,将反射浮标置于限位板包围的区域内。
对应与上述方法,本发明还公开了一种3D打印液体材料的液面高度检测系统,该系统的结构示意图如图3所示,包括:激光光源31、分光装置32、反射浮标33、光探测器34和检测单元(未图示)。
激光光源31,用于提供射向分光装置32的激光。
分光装置32,设置在液体材料的液面上方,用于将激光光源31发出的激光分为相干的两束,一束由分光装置32反射,另一束穿过分光装置32由反射浮标33反射。该分光装置32例如是通过镀膜制作而成的分光束。
反射浮标33,设置在液体材料的液体表面,并与分光装置32对齐,用于反射穿过分光装置32的激光束。反射浮标33的反射面采用镜面反射,而且使用反射率较高的材料镀层,例如银等,且反射浮标33的主体以密度较小的材料制作,从而漂浮在液面上。
光探测器34,用于同时接收分光装置32和反射浮标33反射的两束激光,获取激光干涉条纹。
检测单元,用于检测激光干涉条纹的变化,实时计算出液面的高度变化。
上述液面高度检测系统达到的效果与前述方法相同,在此不再赘述。
优选地,反射浮标33以固定的角度漂浮于液面上。
具体地,如图5所示,反射浮标33为平板状,其下方一侧设置有配重结构,本实施例中采用配重球37。反射浮标33通过配重结构以固定的角度漂浮于液面上。
优选地,该系统还包括限位装置,限位装置用于限位反射浮标33,使反射浮标33始终与分光装置32对齐。
具体地,如图4所示,所示限位装置采用如下方式实现:在盛放液体材料的液槽35中设置限位板36,限位板36包围的区域与分光装置32对齐,反射浮标33置于限位板36包围的区域内。在图4中,限位板36设置在液槽35的内壁上,包围了反射浮标33的左右两侧,其包围的区域与液槽35连通,从而反射浮标33可以在其内随液面变化而上升或下降。本实施例中,反射浮标33为方形,限位板36还能够防止反射浮标33转动。当然,还可以采用三面环绕的限位板36,实现更准确的限位。另外,图4中仅是本发明限位装置的一种示意性实施例,其他可以限定反射浮标33位置的结构均可作为本发明的限位装置,在此不再赘述。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,在本发明的上述教导下,本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白,上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的,本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种3D打印液体材料的液面高度检测方法,其特征在于,该方法包括:
在所述液体材料的液面上方,设置分光装置;
在所述液体材料的液体表面,设置反射浮标,并使所述反射浮标与所述分光装置对齐;
用激光照射所述分光装置,所述激光被所述分光装置分为相干的两束,一束由所述分光装置反射,另一束穿过所述分光装置由所述反射浮标反射,利用光探测器同时接收反射的这两束激光,获取激光干涉条纹;
通过检测所述激光干涉条纹的变化,实时计算出所述液面的高度变化。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,在设置所述反射浮标时,使所述反射浮标以固定的角度漂浮于所述液面上。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,设置的所述反射浮标为平板状,在其下方一侧设置配重结构,通过所述配重结构使所述反射浮标以固定的角度漂浮于所述液面上。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,该方法还包括,设置限位装置,用于限位所述反射浮标,使所述反射浮标始终与所述分光装置对齐。
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于,所述限位装置采用如下方法实现:在盛放所述液体材料的液槽中设置限位板,令所述限位板包围的区域与所述分光装置对齐,将所述反射浮标置于所述限位板包围的区域内。
6.一种3D打印液体材料的液面高度检测系统,其特征在于,该系统包括:激光光源、分光装置、反射浮标、光探测器和检测单元;
所述激光光源,用于提供射向所述分光装置的激光;
所述分光装置,设置在所述液体材料的液面上方,用于将所述激光光源发出的激光分为相干的两束,一束由所述分光装置反射,另一束穿过所述分光装置由所述反射浮标反射;
所述反射浮标,设置在所述液体材料的液体表面,并与所述分光装置对齐,用于反射穿过所述分光装置的激光束;
所述光探测器,用于同时接收所述分光装置和所述反射浮标反射的两束激光,获取激光干涉条纹;
所述检测单元,用于检测所述激光干涉条纹的变化,实时计算出所述液面的高度变化。
7.如权利要求6所述的系统,其特征在于,所述反射浮标以固定的角度漂浮于所述液面上。
8.如权利要求7所述的系统,其特征在于,所述反射浮标为平板状,其下方一侧设置有配重结构,所述反射浮标通过所述配重结构以固定的角度漂浮于所述液面上。
9.如权利要求6所述的系统,其特征在于,该系统还包括限位装置,所述限位装置用于限位所述反射浮标,使所述反射浮标始终与所述分光装置对齐。
10.如权利要求9所述的系统,其特征在于,所述限位装置为设置在盛放所述液体材料的液槽中的限位板,所述限位板包围的区域与所述分光装置对齐,所述反射浮标置于所述限位板包围的区域内。
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