一种激光调高仪电容测量技术

广东工业大学自动化学院 阮亚文 王钦若 陆啸天

一种激光调高仪电容测量技术

广东工业大学自动化学院 阮亚文 王钦若 陆啸天

本文采用充放电微电容检测电路来检测激光切割头的电容式位移传感器的电容，从而可以保持切割头与板材的距离不变，保证切割的质量。本文对电容式传感器、充放电微电容检测原理进行分析，从而达到控制距离良好的精度。

激光切割；微型电容检测

1.引言

为了保证最好的切割效果，要求激光束焦点在板材以下1/3厚度的位置保持不变。但是由于各种的原因（工件、环境、机身等等）很容易会导致激光头与板材之间的距离发生变化，这就使得这个距离控制成为激光切割中的一个关键技术点。由但是要测量的电容传感器的电容值很小（pf级别），这里通常是需要设计电路来把电容的变化值给测量出来。常见的检测电路有很多，例如运算放大器检测电路、调频式检测电路[1]、AC电桥法、充放电小电容测量电路等等。本文采取的是充放电电容测量电路。

2.电容调高仪整体框架

目前主流的做法是把电容传感器和激光切割头是组合在一起进行设计的。 切割头剖面图如图1[2]所示：

传感器的构成是由两层锥形金属层之间通过陶瓷绝缘物质隔离，金属的外壳和地相连（屏蔽）， 内层下部连接一个金属片与板材之间构成可变电容的两个极板。

电容调高仪的整体工作流程[3]如图2所示：

（1）切割头与实际板间距离经电容传感器转换为电容信号。

（2）信号检测电路检测电容信号，并把电容信号转换成电流或者电压信号，并进过A/D模块的转换送到中央处理器进行处理。

（3）中央处理器对数字信号进行处理后通过D/A转换模块的信号来控制伺服电机，最终达到恒定距离的目的。

图1 切割头剖面图

图2 电容调高仪整体工作流程

3.电容传感器和充放电小电容测量原理

激光切割头处用电容式位移传感器，检测所得的电容量由两部分组成，一部分是传感器本身的固有电容Cfixed，其大小是不变的，另一部分是动极板与定极板构成的可变电容[4]，其相应的关系式为：

式中：

C—电容传感器检测的电容量；

ε—极板间介质的介电常数；

S—两极板的有效面积；

X—两极板间的间距（高度）；而介电常数ε是真空介电常数ε0（约为）与εr（相对介电常数）的乘积：

由公式(2)可知，介电常数和极板的有效面积都是确定的，影响电容量的是两极板的间距，即电容变化量只是与极板间距的变化量有关。

从而可得：

变化量为：

化简可得：

可以知道，总的电容量与极板间距的关系如图3所示：

图3 总电容和极板间距的关系

测量电容是通过图4所示的示意电路[5]所示：

图4 充放电示意图

图4所示中，K1和K2为模拟开关，由单片机产生的PWM波来控制该开关的通断，C1为测量电容，C2为参考电容，两个恒流源相等，可分别给测量电容和参考电容充电。

在进行充电时，模拟开关是断开的，在充电一定时间后，参考电容和被测电容都被充电到电源电压U0，根据电容和电压的关系式：

可得：

由公式(8)可以知道，C2电容是参考电容，测量出被测电容的充电时间t1即可知道被测电容C1的值，从而通过公式(6)可以知道其变化的高度，来控制激光的离焦量。

4.结论

本激光调高仪电容测量方法采用的充放电模式获得的激光头与板材之间的电容的值具有良好的精度，比其他方法更具快速响应、稳定性高、抗干扰、零漂移等特点；获得的电容与板材之间的距离特性曲线满足一定的要求。

[1]张晓辉,马殿光,徐青菁,唐厚君.数控切割机调高器系统的微电容测量电路设计[J].电气自动化,2016(04):30-32+48.

[2]彭珍.基于DSP的激光切割机高度跟踪系统的研究[D].华中科技大学,2012.

[3]缪震华.激光切割机电容式Z浮的研究[D].华中科技大学,2005.

[4]陶克勇.激光切割高度跟随器的开发[D].华中科技大学,2014.

[5]王海,张李超,周伟光.PCAP01与STM8的激光头电容测距传感器设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2016(08):43-45+49.

阮亚文（1991—），男，广东英德人，硕士研究生，现就读于广东工业大学，主要研究方向：现代自动化装备与控制技术。

王钦若（1958—），男，海南儋县人，硕士，教授，博士生导师，主要研究方向：机电一体化，现代自动化装备与控制技术。

陆啸天（1992—），男，江苏启东人，硕士研究生，现就读于广东工业大学，主要研究方向：现代自动化装备与控制技术。