高温下紫外光能量在线检测方法与设计

王 辉,王 军,2,董兴法,陈海松

(1.苏州科技大学电子信息工程学院,江苏 苏州 215009；2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033)

1 引 言

目前,印刷行业以及UV(紫外)固化等行业不断发展,各胶黏剂生产商针对UV光固化特性,研制出用于粘接、密封、印刷等系列UV产品,并广泛应用于通讯、电子、光学、印刷等众多领域 。这些产品在UV光(特定波长及光能量) 照射下,会固化或硬化(聚合),但UV灯能量不足会导致固化效果不佳或印刷中油墨不干[1-3]。此外,UV固化炉大多使用汞灯,其灯管表面温度不低于170 ℃,长时间工作发热量大,温度高,现有仪器探头中光电二极管温度范围大多在100 ℃左右,长时间照射将会降低采集端器件的可靠性甚至造成探头损坏。工业上有时需要实时监测紫外光能量变化情况,分析光源参数变化和固化时间,从而达到更好的固化效果。市场上的紫外光能量检测仪存在测量精度低、紫外光辐射大、实时性差、现有仪器探头易损等。因此,在很多应用中需要一种能够耐高温且实时监测UV能量的仪器,针对以上情况,提出光纤导光的紫外光能量在线检测方法,该方法不仅提高测量精度和解决耐高温的问题,还避免测量时紫外光辐射的危害以及能够实时监测分析UV光能量。

2 能量检测系统设计

光纤导光的紫外能量计检测系统框图如图1所示,主要由UV光源、导光装置、光电信息处理模块、AD转换模块、主控制器以及上位机显示模块组成。紫外光能量计是将光信号通过全方位导光光纤传输至光电器件转换成电信号[4],再进行滤波放大处理转换为差分信号,主控制器通过驱动24位高精度ADC进行差分采集,并计算相应的能量值,最后通过RS485通信将数据编码传输至上位机进行紫外光能量实时显示[5]。

图1 能量检测系统框图Fig.1 Energy detection system block diagram

3 能量检测实现方案

3.1 导光传输处理方法

UV光照射会散发大量的热,造成周围温度过高,光电二极管长时间工作在高温下易损坏。由于光纤是SiO2材料具有耐高温性能,同时光纤外壳使用柔性不锈钢[6-7],其在高温环境下能正常工作,因此可以用光纤取光。在紫外光采集处,均匀打上通光孔,设计成圆型采光装置,保证在测试使用过程中沿光纤轴法线方向旋转移动也影响降到最小。其取光装置如图2所示,UV光照射到光纤轨迹如图3所示。

图2 光纤取光装置Fig.2 Fiber optic light extraction device diagram

图3 紫外光轨迹图Fig.3 Ultraviolet light trace

3.2 前端信号处理方法设计

该方案针对前端信号设计了一种基于双传感器减法电路滤除环境光中紫外光的处理方法,为了尽可能消除暗电流带来的热噪声的影响下[8],本方案采用图4(a)虚线框电流转换电路,输出噪声小,图中D1只接受环境光,D2正常采光(其中R5=R6,R8=R4),电路如图4所示。

图4 前端信号处理图Fig.4 Front-end signal processing diagram

图4(a)中电压与传感器D1输出电流Is关系为:

Vout=-(Is·Rc)

(1)

从噪声角度看(1 μA电流转1 V信号)时输出噪声为:

(2)

减法电路输出电压与双传感器输出电流关系式为:

(3)

式中,Is为正常采光产生的电路,为只接受环境光产生的电流,通过调整R8和R5比值进行信号放大。

3.3 差分采集与数据处理方法

A/D采集中使用单端采集较多,信号受干扰大,而差分信号变化较大,为了避免A/D采集中接地回路干扰以及环境引起的共模干扰的影响[9-10],所以选用差分采集。该方式采用内部含有3个差分模拟输入的24位高精度ADC采集芯片,其片内低噪声仪表放大器可通过编程控制放大倍数,可采集小信号。因此,在高精度采集中增加了单端转差分电路,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,在软件中使用改进的均值滤波算法,提高系统稳定性。电路如图5所示,前端输出信号Vout经运放OP295转成差分信号,然后主控制器通过SPI接口与AD7793进行差分信号采集和处理,A/D采集流程如图6所示。

图5 差分采集电路Fig.5 Differential acquisition circuit

图5中R2=R3;R1=R4;R6=R7;R5=R8。其中输入信号与差分信号之间关系式为:

V+=Vout+1.25

(4)

V-=-Vout+1.25

(5)

AD采集参考源VREF选用外部2.5 V基准源,最大模拟电压设定2 V,其对应功率设为1 W,故紫外光能量密度与AD采集的数字量之间关系为:

E=500T(VREF·Code-2N-GAIN)

(6)

式中,E为紫外光能量密度,单位mJ/cm2;T为能量密度累积的时间,其中能量密度主要有两方面作用,第一通过时间累积获得的光能量密度,是减小测量误差的一种手段,另外也是衡量光源稳定性的指标,为光源应用提供一种可靠性评价标准,Code为AD采集的数字量,GAIN为内部增益设为1,由芯片手册知GAIN=1时,分辨率N≈20。

图6 A/D采集流程图Fig.6 A/D acquisition flow chart

3.4 数字滤波方法

在进行数据采集时,会遇到数据的随机误差,随机误差是由随机干扰引起的,可以通过数字滤波方法,来提高测量精度以及信号稳定性[11-12]。数字滤波原理是将输入信号转换成另一组输出信号序列,设数字滤波器的输入信号为X(t),输出信号为Y(t),则输入与输出信号可用差分方程表示为:

(7)

其中,X(t)可以是A/D转换后的数字序列,也可以是计算机输出信号。由差分方程式组成的滤波器称为递归滤波器。如果将公式中bk取为0,则可得非递归型数字滤波器。本方法使用改进的滑动平均滤波法对采集的数据进行数字滤波处理,其中取i(当i>49999时,i取10)为采样次数,当i=9时,将采样值存放于新建数组a[10]中,此后每次采样的新数据取代数组元素中a[m]的数据,然后对当前数组进行平均处理,获得新的滤波结果。此算法表示为:

(8)

式中,Yl为第l次采样经过滤波处理后的输出值；t≠m,m=i%10,此方法与传统的滑动平均滤波相比,每次计算只需改变一个元素,大大提高了运算速度,此方法流程如图7所示。

图7 数字滤波流程图Fig.7 Digital filter flow chart

4 系统软件设计方法

4.1 主控制器系统设计

下位机程序流程图如图8(a)所示,主控制器先进行初始化命令,开启定时器,触发AD采集命令,微控制器通过SPI接口与AD7793进行通信,对差分信号采集和处理,并将采集到的数据进行编码,等待上位机获取命令并根据协议判断获取命令准确性和功能,最后通RS485发送到上位机。

4.2 上位机系统设计

上位机监测系统流程,如图8(b)所示,上位机先检查RS485连接是否异常并记录,然后对一些函数模块初始化以后,发送获取命令,接收到数据后根据相应的协议进行判断帧格式并进行解码,计算出相应的能量和温度值,在显示屏上实时显示,同时将参数存储在数据库中[13-15],获取各能量均匀度曲线拟合图,检测测量数据稳定性。

5 实验测试结果与分析

设计的实物制版如图9(a),外形尺寸95 mm×135 mm,图9(b)是实验室中使用UV LED365NM面光源进行标定的光纤测

试环境图,取光头全方位入光,图9(c)是整个系统应用于合作企业产线上位机实测图,整个系统运行稳定,紫外能量数据波动最大10 mJ/cm2,经光纤导光至光电二极管处温度较小,能够满足工业产线需求,图10(a)是单传感器波形图,杂光干扰大约46 mV,且纹波较多,图10(b)是双传感器波形图,杂光幅值只有3.2 mV,且纹波较少。图10(c)差分信号仿真图,由图可看出V++V-=2.5V。表1是中一路测量的数据,其测量光源选用UV LED365NM面光源,发光强度是2 W/cm2,测量高度为5 cm,时间为2 s,通过手动调节其输出光强百分比测量数据如表1,从表中可以看出波动范围在11 mJ/cm2以内,且紫外光发光强度越小,其数据越稳定,发光强度越大,光源温度越高,然而经光纤导光后光电二极管处温度较低,且变换较慢。

图8 软件程序流程图Fig.8 Software program flow chart

图9 实物制版及测量图Fig.9 Physical plate making and measurement

图10 电路测量波形图Fig.10 Circuit measurement waveform

表1 实验测量数据Tab.1 Experimental measurement data

6 结 论

紫外光能量检测在测量方式、高温下、显示等方面进行了很大的改进。设计的前端处理电路,不仅滤除环境光,还降低了噪声,提高了测量精度；光纤导光方式避免了光电传感器高温直射,且光电传感器环境温度较低,变化缓慢；在线式显示避免了强紫外光对人体辐射的问题；而且系统稳定性好,波动范围在1.5 %以内,能够实时检测紫外光能量大小。因此,该设计可广泛应用于工业紫光检测领域。