一种激光调高器电容测量装置的制作方法

本发明涉及激光调高器领域，尤其涉及一种激光调高器电容测量装置。

背景技术：

在激光切割加工的过程中，为了保证切割质量，激光焦点一般应位于被加工工件表面以下厚度的1/3处，但是由于诸多原因会使激光焦点位置与理想位置发生偏移，造成激光切割头与工件间的距离变化不定且难以测量的问题，因此在切割过程中需要实时监测激光器与被加工板材对象的之间的电容值，继而确定对应的激光头Z轴位置关系，并加以实时调节。

请参阅图1，现有的调频式测量电路可实现电容的测量。

在调频电路中，电容传感器被接在振荡器的震荡回路中，其震荡频率f会随着传感器电容Ce的改变而发生相应的变化，从而实现由电容量到频率的转换。当传感器电容Ce改变时，振荡器的震荡频率也随之改变，经鉴频器的解调，频率的变化转换为与被测信号成比例的低频电压信号，就可以测得被测量的变化。振荡回路的固有频率为：

其中，C1位振荡回路固有频率，Ce为传感器标称电容，Cc为引线分布电容，L为振荡回路的谐波电感，当Ce产生变化时，振荡频率变化为：

这种测量电路为频率输出，易于与数字式仪表或者计算机连接，可以较容易的获取电容值。

然而这种调频式测量电路有以下缺点：

1.测量电路输出电压灵敏度受电源周期、幅值的影响；

2.光切割头传感器与工件间的电容为pf级，传送给控制器的信号可能会有读取误差；

3.可能受到电缆电容和温度的影响，振荡器振荡频率变化较大，且电路线路复杂，输出非线性较大，不适合高精度电容测量的设计；

4.测量出来的板间距离与电容值的关系有偏差。

因此，现有的调频式测量电路在测量电容时由于振荡器震荡频率变化较大，容易受到外界干扰是本领域技术人员需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种激光调高器电容测量装置，用于解决现有的调频式测量电路在测量电容时由于振荡器震荡频率变化较大，容易受到外界干扰的技术问题。

本发明实施例提供的一种激光调高器电容测量装置，包括：电容检测模块，所述电容检测模块包括信号激励源和充放电网络；

所述信号激励源连接所述充放电网络，用于提供脉冲方波信号至所述充放电网络；

所述充放电网络包括：第一二极管、第二二极管、第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容、待测电容、标定电容、测量计算单元；

所述第一二极管的正极连接所述信号激励源，所述第一二极管的负极连接所述第一电容的一端，所述第一电容的另一端接地；

所述第一电阻与所述第一二极管并联，所述标定电容与所述第一电容并联；

所述第二二极管的正极连接所述信号激励源，所述第二二极管的负极连接所述第二电容的一端，所述第二电容的另一端接地；

所述第二电阻与所述第二二极管并联，所述待测电容与所述第二电容并联；

所述测量计算单元连接所述第一电容的一端和所述第二电容的一端；

其中，所述充放电网络通过所述第一电阻和所述第二电阻对所述标定电容和所述待测电容进行周期性充电，通过所述第一二极管和所述第二二极管对所述标定电容和所述待测电容进行周期性放电，通过所述测量计算单元测量所述标定电容两端的电压和所述待测电容两端的电压的平均差值并根据所述平均差值与所述标定电容的电容值和所述待测电容的电容值的关系计算获得所述待测电容的电容值。

优选地，所述平均差值与所述标定电容的电容值和所述待测电容的电容值的关系具体可用第一公式表示为：

其中，ΔU为所述平均差值，V_cx为待测电容两端的电压，V_ref为标定电容两端的电压，U_gen为信号激励源输出的脉冲方波信号的电压幅值，R和C为充放电网络等效的电阻和电容，T为充放电网络的充放电周期，C_x为待测电容的电容值，C_ref为标定电容的电容值。

优选地，本发明实施例还包括电源电压模块；

所述电源电压模块连接所述信号激励源，用于将220v的交流电压，经电压转换得到所述信号激励源所需的稳定±15v或±5v稳幅电压并输送至所述信号激励源。

优选地，本发明实施例还包括信号放大模块；

所述信号放大模块连接所述充放电网路，用于将所述充放电网络输出的所述标定电容两端的电压和所述待测电容两端的电压的平均差值进行滤波放大。

优选地，所述信号放大模块包括：低通滤波器；

所述低通滤波器具体为二阶巴特沃思有源低通滤波器，所述低通滤波器连接所述电容检测模块，用于将所述电容检测模块输出交流信号中的基波及高次谐波滤除掉。

优选地，所述信号放大模块包括：信号放大电路；

所述信号放大电路连接所述低通滤波器，用于将所述低通滤波器输出的所述标定电容两端的电压和所述待测电容两端的电压的平均差值以差模方式进行放大。

优选地，所述信号放大模块包括：50Hz陷波电路；

所述50Hz陷波电路采用集成运放双T反馈选频放大器，所述50Hz陷波电路连接所述信号放大电路，用于将所述信号放大电路输出的差值信号中的以差模方式进入电路的工频干扰信号滤除。

优选地，本发明实施例还包括光电隔离模块；

所述光电隔离模块连接所述信号放大模块，用于通过高线性度模拟光耦器件将所述信号放大模块输出的电信号转化为光信号。

优选地，所述测量计算单元还可通过测量光电隔离模块输出的光信号并转换成信号放大模块输出的电信号的电压U₀，并根据第二公式计算出待测电容的电容值；

所述第二公式为：

其中，ΔU为所述平均差值，V_cx为待测电容两端的电压，V_ref为标定电容两端的电压，U_gen为信号激励源输出的脉冲方波信号的电压幅值，R和C为充放电网络等效的电阻和电容，T为充放电网络的充放电周期，C_x为待测电容的电容值，C_ref为标定电容的电容值，A为低通滤波器的增益倍数，G为信号放大电路的放大倍数。

本发明实施例提供一种激光调高器，包括所述激光调高器电容测量装置，用于根据所述激光调高器电容测量装置输出的待测电容的电容值与激光头的位置之间的对应关系计算出激光头的位置。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供的一种激光调高器电容测量装置，采用充放电网络通过第一电阻和第二电阻对标定电容和待测电容进行周期性充电，通过第一二极管和第二二极管对标定电容和待测电容进行周期性放电，通过测量计算单元测量标定电容两端的电压和待测电容两端的电压的平均差值并根据平均差值与标定电容的电容值和待测电容的电容值的关系计算获得待测电容的电容值，因而不会受到振荡器震荡频率对测量造成的不稳定的影响，解决了现有的调频式测量电路在测量电容时由于振荡器震荡频率变化较大，容易受到外界干扰的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例用于说明现有的调频式测量电路的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种激光调高器电容测量装置的一个实施例的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种激光调高器电容测量装置的另一个实施例的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种激光调高器电容测量装置的另一个实施例中充放电网络的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种激光调高器中的显示高度和电容的关系曲线图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种激光调高器电容测量装置，用于解决现有的调频式测量电路在测量电容时由于振荡器震荡频率变化较大，容易受到外界干扰的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图2，本发明实施例提供的一种激光调高器电容测量装置的一个实施例，包括：电容检测模块，电容检测模块包括信号激励源和充放电网络；

信号激励源连接充放电网络，用于提供脉冲方波信号至充放电网络；

充放电网络包括：第一二极管、第二二极管、第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容、待测电容、标定电容、测量计算单元；

第一二极管的正极连接信号激励源，第一二极管的负极连接第一电容的一端，第一电容的另一端接地；

第一电阻与第一二极管并联，标定电容与第一电容并联；

第二二极管的正极连接信号激励源，第二二极管的负极连接第二电容的一端，第二电容的另一端接地；

第二电阻与第二二极管并联，待测电容与第二电容并联；

测量计算单元连接第一电容的一端和第二电容的一端；

其中，充放电网络通过第一电阻和第二电阻对标定电容和待测电容进行周期性充电，通过第一二极管和第二二极管对标定电容和待测电容进行周期性放电，通过测量计算单元测量标定电容两端的电压和待测电容两端的电压的平均差值并根据平均差值与标定电容的电容值和待测电容的电容值的关系计算获得待测电容的电容值。

图2中R1为第一电阻，R2为第二电阻，D1为第一二极管，D2为第二二极管，Cs1为第一电容，Cs2为第二电容，Cref为标定电容，Cx为待测电容，Ugen为信号激励源输出的脉冲方波，Vref为标定电容两端的电压，Vcx为待测电容两端的电压。

平均差值与标定电容的电容值和待测电容的电容值的关系具体可用第一公式表示为：

其中，ΔU为平均差值，V_cx为待测电容两端的电压，V_ref为标定电容两端的电压，U_gen为信号激励源输出的脉冲方波信号的电压幅值，R和C为充放电网络等效的电阻和电容，T为充放电网络的充放电周期，C_x为待测电容的电容值，C_ref为标定电容的电容值。

本发明实施例提供的一种激光调高器电容测量装置，采用充放电网络通过第一电阻和第二电阻对标定电容和待测电容进行周期性充电，通过第一二极管和第二二极管对标定电容和待测电容进行周期性放电，通过测量计算单元测量标定电容两端的电压和待测电容两端的电压的平均差值并根据平均差值与标定电容的电容值和待测电容的电容值的关系计算获得待测电容的电容值，因而不会受到振荡器震荡频率对测量造成的不稳定的影响，解决了现有的调频式测量电路在测量电容时由于振荡器震荡频率变化较大，容易受到外界干扰的技术问题。

以上是对本发明实施例提供的一种激光调高器电容测量装置的一个实施例进行详细的描述，以下将对本发明实施例提供的一种激光调高器电容测量装置的另一个实施例进行详细的描述。

请参阅图3，本发明实施例提供的一种激光调高器电容测量装置的另一个实施例，包括：电容检测模块，电容检测模块包括信号激励源和充放电网络；

信号激励源连接充放电网络，用于提供脉冲方波信号至充放电网络；

充放电网络包括：第一二极管、第二二极管、第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容、待测电容、标定电容、测量计算单元；

第一二极管的正极连接信号激励源，第一二极管的负极连接第一电容的一端，第一电容的另一端接地；

第一电阻与第一二极管并联，标定电容与第一电容并联；

第二二极管的正极连接信号激励源，第二二极管的负极连接第二电容的一端，第二电容的另一端接地；

第二电阻与第二二极管并联，待测电容与第二电容并联；

测量计算单元连接第一电容的一端和第二电容的一端；

其中，充放电网络通过第一电阻和第二电阻对标定电容和待测电容进行周期性充电，通过第一二极管和第二二极管对标定电容和待测电容进行周期性放电，通过测量计算单元测量标定电容两端的电压和待测电容两端的电压的平均差值并根据平均差值与标定电容的电容值和待测电容的电容值的关系计算获得待测电容的电容值。

信号激励源采用由石英晶体和阻容元件组成的有源晶振，通过电源输入端加上由电容和电感构成的PI型滤波网络进行电源滤波，提供频率稳定的激励响应，继而产生2MHZ的脉冲方波信号，供后续充放电网络进行电容值的检测，这样容易将电容传感器电容值转化为方便处理的电压信号。

充放电网络的主要作用是用于电容值的检测，由电容传感器电容、杂散电容、二极管及电阻组成，电流通过电阻R(阻值为330k)对传感器电容进行周期性充电，通过二极管对电容进行周期性放电。为解决放电时间长的问题，采用快恢复二极管FR104作为放电回路。

请参阅图4，充放电网络通过对电容进行充放电进而测出电容。图4中R1为第一电阻，R2为第二电阻，D1为第一二极管，D2为第二二极管，Cs1为第一电容，Cs2为第二电容，Cref为标定电容，Cx为待测电容，Ugen为信号激励源输出的脉冲方波，Vref为标定电容两端的电压，Vcx为待测电容两端的电压。具体地，U_gen为信号激励源输出的占空比为1/2的高频脉冲方波信号的电压幅值。

平均差值与标定电容的电容值和待测电容的电容值的关系具体可用第一公式表示为：

其中，ΔU为平均差值，V_cx为待测电容两端的电压，V_ref为标定电容两端的电压，U_gen为信号激励源输出的脉冲方波信号的电压幅值，R和C为充放电网络等效的电阻和电容，T为充放电网络的充放电周期，C_x为待测电容的电容值，C_ref为标定电容的电容值。

本发明实施例还包括电源电压模块；

电源电压模块连接信号激励源，用于将220v的交流电压，经电压转换得到信号激励源所需的稳定±15v或±5v稳幅电压并输送至信号激励源。

电源电压模块负责给电容信号检测系统提供稳定的直流电源，将220v的交流电压，经电压转换得到检测系统所需的稳定±15v，±5v稳幅电压。采用AC-DC-DC稳压技术，由220v电压经过交流整流桥转换为±15v电压，通过LM7805稳压芯片进行稳压得到±5v电压。

本发明实施例还包括信号放大模块；

信号放大模块连接充放电网路，用于将充放电网络输出的标定电容两端的电压和待测电容两端的电压的平均差值进行滤波放大。

信号放大模块由低通滤波器、信号放大电路以及50Hz陷波电路组成。通过低通滤波器，可以将电容检测模块输出交流信号中的基波及高次谐波滤除掉，得到包含电容传感器与工件间正对距离信息的直流电压信号，经过信号放大电路以及50HZ陷波电路滤除工频干扰，得到便于后续计算机处理较为稳定的直流电压信号。

信号放大模块包括：低通滤波器；

低通滤波器具体为二阶巴特沃思有源低通滤波器，低通滤波器连接电容检测模块，用于将电容检测模块输出交流信号中的基波及高次谐波滤除掉。

低通滤波器采用二阶巴特沃思有源低通滤波器，以最平幅度滤波电路。

信号放大模块包括：信号放大电路；

信号放大电路连接低通滤波器，用于将低通滤波器输出的标定电容两端的电压和待测电容两端的电压的平均差值以差模方式进行放大。

信号放大电路将电容传感器与参考电容输出的信号以差模方式进行放大，本方法采用AD620放大器，整个信号放大电路的放大倍数约为20倍左右。

信号放大模块包括：50Hz陷波电路；

50Hz陷波电路采用集成运放双T反馈选频放大器，50Hz陷波电路连接信号放大电路，用于将信号放大电路输出的差值信号中的以差模方式进入电路的工频干扰信号滤除。

采用集成运放双T反馈选频放大器构成50HZ陷波电路，由于工频信号干扰非常严重的原因，虽然前置放大器电路对共模干扰有较强的抑制作用，但是必须滤除有部分以差模方式进入电路的工频干扰信号。

本发明实施例还包括光电隔离模块；

光电隔离模块连接信号放大模块，用于通过高线性度模拟光耦器件将信号放大模块输出的电信号转化为光信号。

光电隔离模块通过将电信号转化为光信号，采用TI公司的高线性度模拟光耦器件TIL300对微小电容检测系统进行隔离与检测，将产生干扰信号的干扰源与后续数字处理系统隔离开来，很好的实现了模拟信号与数字信号间的隔离。

测量计算单元还可通过测量光电隔离模块输出的光信号并转换成信号放大模块输出的电信号的电压U₀，并根据第二公式计算出待测电容的电容值；

第二公式为：

其中，ΔU为平均差值，V_cx为待测电容两端的电压，V_ref为标定电容两端的电压，U_gen为信号激励源输出的脉冲方波信号的电压幅值，R和C为充放电网络等效的电阻和电容，T为充放电网络的充放电周期，C_x为待测电容的电容值，C_ref为标定电容的电容值，A为低通滤波器的增益倍数，G为信号放大电路的放大倍数。

经过以上4个模块的处理，充放电网络输出的信号经过低通滤波器得到包含电容传感器两极板间距离信息的直流电压信号，通过后续的放大电路，可以得到电容传感器标定电容与待测电容间的差值信号，从而检测电容传感器实际板件距离与标定距离的变化值，设低通滤波器的增益倍数为A，经过放大倍数为G的放大电路，其输出电压U₀为：

即检测输出信号和电容传感器实时电容相对于参考电容间的变化量成正比例关系，再通过A/D转化采集数据后就可以算出板间电容值，继而算出板间距离X，为后续激光调高控制打下基础。

本发明实施例的激光调高电容测量装置能够适应激光切割的实际环境，提高激光切割加工的焦点位置控制的精度，并使得其他系统误差、迟滞、重复度、漂移等指标符合要求。当激光切割头与板材的相对位置发生变化时，及时响应电容的变化值，提出通过充放电网络、信号检测滤波放大电路的方法，完成电容的高精度测量任务；并且可以通过激光头与板材之间电容值与相应高度距离之间对应的曲线关系验证测量的电容值的准确性，达到激光自动调高的效果。

以上是对本发明实施例提供的一种激光调高器电容测量装置的一个实施例进行详细的描述，以下将对本发明实施例提供的一种激光调高器的一个实施例进行详细的描述。

本发明实施例还提供的一种激光调高器，包括上述的激光调高器电容测量装置，用于根据所述激光调高器电容测量装置输出的待测电容的电容值与激光头的位置之间的对应关系计算出激光头的位置。

为了验证测量的电容值的准确性，需要进行浮头标定，目的是测量激光浮头与板材之间的电容与位置的对应关系，具体步骤如下：

(1)先控制激光调高器进行激光头Z轴位置的变换，使得激光浮头靠近板面(与板面距离大约1～5mm)，并保持机台静止，不要振动，得到此时电容与位置X之间的初始值关系f(C₀,X₀)；

(2)然后控制激光头Z轴缓慢下降运动到检测碰板，碰到板后向上移动一段距离，检测传感器的稳定度；

(3)浮头第二次缓慢向下运动检测碰板，碰到板后，向上移动设定的标定距离，得到一定范围内的电容值C与距离X的曲线关系f(C₀,X₀)以及检测传感器的平滑度；

通过以上几个步骤可以得到一条显示高度和电容的关系曲线，请参阅图5，正常的曲线应该是平滑的；若曲线不平滑，有起伏或者毛刺，该结果不理想，需要重新测量。因此可以通过判断该曲线是否符合要求来判断上述电容的测量方法是否正确。

1.本发明实施例精度高、实时性好、稳定性强、无接触；

2.电容测量放大电路动态范围大、测量灵敏度高、低噪声、抗杂散性等要求，输出稳定的直流电压信号；

3.信号滤波完善，调高精度良好；

4.能够通过板间距离与电容的曲线关系来验证测量电容的准确性。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。