一種激光調(diào)高儀電容測量技術(shù)

廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 阮亞文 王欽若 陸嘯天

一種激光調(diào)高儀電容測量技術(shù)

廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 阮亞文 王欽若 陸嘯天

本文采用充放電微電容檢測電路來檢測激光切割頭的電容式位移傳感器的電容，從而可以保持切割頭與板材的距離不變，保證切割的質(zhì)量。本文對(duì)電容式傳感器、充放電微電容檢測原理進(jìn)行分析，從而達(dá)到控制距離良好的精度。

激光切割；微型電容檢測

1.引言

為了保證最好的切割效果，要求激光束焦點(diǎn)在板材以下1/3厚度的位置保持不變。但是由于各種的原因（工件、環(huán)境、機(jī)身等等）很容易會(huì)導(dǎo)致激光頭與板材之間的距離發(fā)生變化，這就使得這個(gè)距離控制成為激光切割中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。由但是要測量的電容傳感器的電容值很小（pf級(jí)別），這里通常是需要設(shè)計(jì)電路來把電容的變化值給測量出來。常見的檢測電路有很多，例如運(yùn)算放大器檢測電路、調(diào)頻式檢測電路[1]、AC電橋法、充放電小電容測量電路等等。本文采取的是充放電電容測量電路。

2.電容調(diào)高儀整體框架

目前主流的做法是把電容傳感器和激光切割頭是組合在一起進(jìn)行設(shè)計(jì)的。 切割頭剖面圖如圖1[2]所示：

傳感器的構(gòu)成是由兩層錐形金屬層之間通過陶瓷絕緣物質(zhì)隔離，金屬的外殼和地相連（屏蔽）， 內(nèi)層下部連接一個(gè)金屬片與板材之間構(gòu)成可變電容的兩個(gè)極板。

電容調(diào)高儀的整體工作流程[3]如圖2所示：

（1）切割頭與實(shí)際板間距離經(jīng)電容傳感器轉(zhuǎn)換為電容信號(hào)。

（2）信號(hào)檢測電路檢測電容信號(hào)，并把電容信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流或者電壓信號(hào)，并進(jìn)過A/D模塊的轉(zhuǎn)換送到中央處理器進(jìn)行處理。

（3）中央處理器對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理后通過D/A轉(zhuǎn)換模塊的信號(hào)來控制伺服電機(jī)，最終達(dá)到恒定距離的目的。

圖1 切割頭剖面圖

圖2 電容調(diào)高儀整體工作流程

3.電容傳感器和充放電小電容測量原理

激光切割頭處用電容式位移傳感器，檢測所得的電容量由兩部分組成，一部分是傳感器本身的固有電容Cfixed，其大小是不變的，另一部分是動(dòng)極板與定極板構(gòu)成的可變電容[4]，其相應(yīng)的關(guān)系式為：

式中：

C—電容傳感器檢測的電容量；

ε—極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；

S—兩極板的有效面積；

X—兩極板間的間距（高度）；而介電常數(shù)ε是真空介電常數(shù)ε0（約為）與εr（相對(duì)介電常數(shù)）的乘積：

由公式(2)可知，介電常數(shù)和極板的有效面積都是確定的，影響電容量的是兩極板的間距，即電容變化量只是與極板間距的變化量有關(guān)。

從而可得：

變化量為：

化簡可得：

可以知道，總的電容量與極板間距的關(guān)系如圖3所示：

圖3 總電容和極板間距的關(guān)系

測量電容是通過圖4所示的示意電路[5]所示：

圖4 充放電示意圖

圖4所示中，K1和K2為模擬開關(guān)，由單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波來控制該開關(guān)的通斷，C1為測量電容，C2為參考電容，兩個(gè)恒流源相等，可分別給測量電容和參考電容充電。

在進(jìn)行充電時(shí)，模擬開關(guān)是斷開的，在充電一定時(shí)間后，參考電容和被測電容都被充電到電源電壓U0，根據(jù)電容和電壓的關(guān)系式：

可得：

由公式(8)可以知道，C2電容是參考電容，測量出被測電容的充電時(shí)間t1即可知道被測電容C1的值，從而通過公式(6)可以知道其變化的高度，來控制激光的離焦量。

4.結(jié)論

本激光調(diào)高儀電容測量方法采用的充放電模式獲得的激光頭與板材之間的電容的值具有良好的精度，比其他方法更具快速響應(yīng)、穩(wěn)定性高、抗干擾、零漂移等特點(diǎn)；獲得的電容與板材之間的距離特性曲線滿足一定的要求。

[1]張曉輝,馬殿光,徐青菁,唐厚君.數(shù)控切割機(jī)調(diào)高器系統(tǒng)的微電容測量電路設(shè)計(jì)[J].電氣自動(dòng)化,2016(04):30-32+48.

[2]彭珍.基于DSP的激光切割機(jī)高度跟蹤系統(tǒng)的研究[D].華中科技大學(xué),2012.

[3]繆震華.激光切割機(jī)電容式Z浮的研究[D].華中科技大學(xué),2005.

[4]陶克勇.激光切割高度跟隨器的開發(fā)[D].華中科技大學(xué),2014.

[5]王海,張李超,周偉光.PCAP01與STM8的激光頭電容測距傳感器設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2016(08):43-45+49.

阮亞文（1991—），男，廣東英德人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于廣東工業(yè)大學(xué)，主要研究方向：現(xiàn)代自動(dòng)化裝備與控制技術(shù)。

王欽若（1958—），男，海南儋縣人，碩士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：機(jī)電一體化，現(xiàn)代自動(dòng)化裝備與控制技術(shù)。

陸嘯天（1992—），男，江蘇啟東人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于廣東工業(yè)大學(xué)，主要研究方向：現(xiàn)代自動(dòng)化裝備與控制技術(shù)。