电容采集放大器及使用放大器的激光头调整装置的制作方法

1.本发明属于激光切割技术领域，具体涉及电容采集放大器及使用放大器的激光头调整装置。


背景技术：

2.激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。激光切割属于热切割方法之一。
3.在激光切割加工过程中，为了保证最佳的切割质量与切割效率，激光焦点通常位于待切割工件表面以下固定位置，因此需要控制激光喷嘴与工件表面的距离保持一致，该距离也被称作切割高度，一般在0.2~3mm间。由于待切割工件表面可能不平整，以及切割过程中工件振动等因素，需要动态地调节激光喷嘴位置以保持其与待切割工件的高度一致，否则将使得切割质量低下甚至无法切割透工件。
4.为了达到动态调节激光喷嘴高度的目的，即设计一种随动控制系统来自动调节切割高度，需要测量激光喷嘴与工件表面的距离。目前行业内广泛使用的方法为基于电容的间接测量方法，具体为：激光喷嘴与待切割工件会构成电容器的两个极板，二者之间会形成一个1~100pf的电容。当激光喷嘴与待切割工件之间距离增加，该电容减小；反之电容增大。借助该电容的测量，可以间接地获得激光喷嘴与待切割工件之间的距离。
5.测量激光喷嘴与待切割工件之间的电容通常采用振荡器电路，基于lc振荡器原理，将激光喷嘴与待切割工件之间的电容转化为频率信号输出的部件称为电容采集放大器。
6.然而，现有的电容采集放大器存在如下问题：由于谐振电路通常由电感、电容、三极管、运算放大器等电子元件构成，所有的电子元器件均存在温漂，即随着环境温度变化电子元器件的参数将发生变化，具体为电感电容值变化、三极管增益变化等。进而会引起谐振频率的温漂，最终影响电容采集放大器的精度。在激光切割实际使用场景中，环境温度变化会影响电容采集放大器的精度，因此需要定期进行电容标定过程，影响了切割效率。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供电容采集放大器及使用放大器的激光头调整装置一种调理电路，包括两个运算放大器，第一运算放大器的反相输入端分别电性连接有并联的第二十电阻、第二十一电阻和第二十四电阻，所述第二十四电阻的另一端与第一运算放大器的输出端电性连接，第二十电阻的另一端电性连接有ntc热敏电阻，ntc热敏电阻的另一端与信号地端电性连接，所述第一运算放大器的正相输入端电性连接有并联的第二十二电阻和第二十三电阻，所述第二十三电阻的另一端与信号地端电性连接；第二运算放大器的反相输入端与第二十五电阻的一端电性连接，第二十五电阻的另一端与第一运算放大器的输出端电性连接，所述第二十五电阻上并联有依次串联的第二
十六电阻和第四十七电容，所述第二运算放大器的反相输入端、输出端分别与第四十九电容的两端电性连接，所述第四十九电容上并联有依次串联的第二十七电阻和第四十八电容，所述第二运算放大器的正相输入端电性连接有并联的第二十八电阻和第二十九电阻，第二十九电阻的另一端与信号地端电性连接。
8.基于上述调理电路，本发明还提出了一种芯片，所述芯片包括上述两个运算放大器。
9.基于上述芯片，本发明还提了一种tec控制器，包括芯片、供电电路、至少一个滤波电路、限流电路和调节电路；所述芯片，其用于电性连接供电电路、滤波电路、限流电路和调节电路；所述供电电路，其用于为电路不同模块供电；所述滤波电路，其用于滤除电源噪声；所述限流电路，其用于限制对tec温度补偿的电流量；所述调节电路，其用于对tec的电压进行调节，并将tec电压反馈至芯片内部。
10.为了向电路中的不同模块供电，供电电路包括串联的第七磁珠和第十四电阻，所述第七磁珠的另一端与电源电性连接，第十四电阻的另一端与芯片的引脚五电性连接，芯片的引脚十六电性连接于第七磁珠与第十四电阻之间的电路上。
11.为了滤除电源噪声，滤波电路包括，第一滤波电路，芯片的引脚五电性连接有第三十电容，第三十电容的另一端与信号地端电性连接，所述第三十电容上并联有第三十一电容；第二滤波电路，芯片的引脚六电性连接有第三十二电容，第三十二电容的另一端与信号地端电性连接；第三滤波电路，芯片的引脚十六电性连接有第三十四电容，第三十四电容的另一端与功率地端电性连接，所述第三十四电容上并联有第三十五电容；第四滤波电路，芯片的引脚十六电性连接有第四十电容，第四十电容的另一端与功率地端电性连接，所述第四十电容上并联有第四十一电容、第四十二电容、第四十三电容、第四十四电容、第四十五电容和第四十六电容；第五滤波电路，芯片的引脚十九通过第三十三电容与引脚十七电性连接；第六滤波电路，芯片的引脚十六电性连接有第三十六电容，第三十六电容的另一端与功率地端电性连接，第三十六电容上并联有第三十七电容。
12.为了限制对tec温度补偿的电流量，限流电路包括，串联的第十六电阻、第十七电阻，所述第十六电阻的另一端与芯片的引脚六电性连接，第十七电阻的另一端与信号地端电性连接，芯片的引脚三电性连接于第十六电阻与第十七电阻之间的电路上；串联的第十八电阻、第十九电阻，所述第十八电阻的另一端与芯片的引脚六电性连接，第十九电阻的另一端与信号地端电性连接，芯片的引脚四电性连接于第十八电阻与第十九电阻之间的电路上。
13.为了对tec的电压进行调节，并将tec电压反馈至芯片内部，调节电路包括由电感、第三十八电容和第三十九电容组成的的buck电路，芯片的引脚十四与电感的一端电性连接，电感的另一端电性连接有并联的第三十八电容、第三十九电容，第三十八电容和第三十
九电容之间的电路上电性连接有功率地端；芯片的引脚十电性连接有第十五电阻，第十五电阻的另一端电性连接于电感、第三十八电容之间的电路上。
14.为了采集tec的信息，芯片的引脚十七与第三十三电容之间的电路上电性连接有tec的正极端，电感与第三十八电容之间的电路上电性连接有tec的负极端。
15.基于上述tec控制器，本发明还提出了一种电容采集放大器，所述电容采集放大器包括tec控制器，所述tec控制器与lc谐振电路、信号调理放大电路电性连接，电容采集放大器还具有传感器信号输出接口。
16.基于上述电容采集放大器，本发明还提出了一种激光头调整装置，所述激光头调整装置包括电容采集放大器，所述电容采集放大器与激光器主体电性连接，激光器主体与调整装置主体连接；电容采集放大器与激光器主体中的激光头电性连接，还与载物台电性连接；激光器主体，其用于对切割设备的载物台上的待切割工件进行激光切割；调整装置主体，其用于对激光器主体的位置进行调整。
17.为了对激光器主体的位置进行调整，调整装置主体为包括，第一伸缩杆，所述第一伸缩杆的固定端与辅助块连接，伸缩端连接有第一移动板；收容杆，收容杆的一端与第一伸缩杆套接，另一端通过通气件与固定杆的内部连通，固定杆的内部为空腔；所述收容杆上套接有固定套，所述固定套通过l型板与辅助块连接；第二伸缩杆，所述第二伸缩杆上套接有弹簧，所述弹簧的一端与第二移动板连接，另一端与固定杆的底壁连接；连接杆，所述连接杆的一端与第二移动板连接，另一端伸出固定杆与底板连接；为了对切割设备的载物台上的待切割工件进行激光切割，激光器主体通过第二安装板与第一安装板连接，所述激光器主体上连接有至少一个插入杆，所述第一安装板上连接有至少一个侧板，所述侧板上连接有与插入杆卡接的卡套。
18.所述第一安装板与底板连接，所述底板通过油封套与滑杆滑动连接，所述滑杆的顶端连接有与辅助块连接的辅助板。
19.为了对激光器主体的位置进行调整，所述调整装置主体为包括，第一伸缩杆，所述第一伸缩杆的固定端与辅助块连接，伸缩端连接有第一移动板；收容杆，收容杆的一端与第一伸缩杆套接，另一端通过通气件与固定杆的内部连通，固定杆的内部为空腔，所述收容杆上套接有固定套，所述固定套通过l型板与辅助块连接；第二伸缩杆，所述第二伸缩杆上套接有弹簧，所述弹簧的一端与第二移动板连接，另一端与固定杆的底壁连接；连接杆，所述连接杆的一端与第二移动板连接，另一端伸出固定杆与底板连接；所述固定杆上连通有至少一个气阀，所述气阀的出气端连接有第一连接管，所述第一连接管上连接有至少一个朝向固定杆的第二连接管。
20.本发明的有益效果是：该电容采集放大器及使用放大器的激光头调整装置1、利用tec大幅提升电容采集放大器的稳定性。tec控制器会实时稳定电容采集放大器的电路模块温度，变化的环境温度将不会对电容采集放大器造成影响，可以大幅降低
电容采集放大器温漂引起的测量误差，大幅提升系统的稳定性，进而降低电容标定操作的使用频率，最终提高了切割效率。
21.2、进一步的，tec控制器通过ntc热敏电阻获得电容采集放大器电路模块的温度，并自动控制tec进行制冷或者制热，最终控制电容采集放大器电路模块的温度达到预设温度并保持稳定；3、更进一步的，由于ntc热敏电阻的阻值与温度呈现非线性关系，通过两个运算放大器的两级调理功能可以将温度与输出电压调节为近似线性关系，有助于提升控制性能。
22.4、通过电容采集放大器对激光头与载物台上工件表面形成的电容进行测量，间接测量激光头与工件之间的距离，从而控制第一伸缩杆移动，进而动态调整激光头的高度，有利于提高激光切割的准确性；5、进一步的，通过第一伸缩杆的移动而改变收容杆和固定杆内部的压强，从而带动第二伸缩杆移动，能够提高激光头移动的稳定性和准确性，通过气动调节，能够提高激光头高度调节的精度，避免直接通过电动伸缩杆的调节而产生较大的误差。
附图说明
23.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1是本发明的调理电路的电路图；图2是本发明的限流电路的电路图；图3是本发明的芯片与tec连接的电路图；图4是本发明的供电电路的电路图；图5是本发明的滤波电路的电路图；图6是本发明的激光头调整装置结构示意图；图7是本发明的结构示意图6中a处放大图；图8是本发明的调整装置主体内部结构的侧视图；图9是本发明的调整装置主体内部另一种结构的侧视图；图10是本发明的电容采集放大器与激光头连接的结构示意图。
24.图中标记为：1、激光器主体；2、调整装置主体；201、第一伸缩杆；202、收容杆；203、第一移动板；204、固定杆；205、通气件；206、第二伸缩杆；207、弹簧；208、第二移动板；209、连接杆；210、气阀；211、第一连接管；212、第二连接管；3、辅助块；4、l型板；5、固定套；6、辅助板；7、滑杆；8、油封套；9、底板；10、第一安装板；11、第二安装板；12、插入杆；13、侧板；14、卡套；30、激光头；40、载物台。
具体实施方式
25.实施例一如图1所示，一种调理电路，包括两个运算放大器，通过两个运算放大器实现两级调理功能，第一运算放大器的反相输入端分别电性连接有并联的第二十电阻、第二十一电阻和第二十四电阻，所述第二十四电阻的另一端与第一运算放大器的输出端电性连接，第二十电阻的另一端电性连接有ntc热敏电阻，ntc热敏电阻的另一端与信号地端电性连接，
ntc热敏电阻可紧贴于tec表面，也可集成于tec的内部；tec为半导体制冷器。所述第一运算放大器的正相输入端电性连接有并联的第二十二电阻和第二十三电阻，所述第二十三电阻的另一端与信号地端电性连接；第二运算放大器的反相输入端与第二十五电阻的一端电性连接，第二十五电阻的另一端与第一运算放大器的输出端电性连接，所述第二十五电阻上并联有依次串联的第二十六电阻和第四十七电容，所述第二运算放大器的反相输入端、输出端分别与第四十九电容的两端电性连接，所述第四十九电容上并联有依次串联的第二十七电阻和第四十八电容，所述第二运算放大器的正相输入端电性连接有并联的第二十八电阻和第二十九电阻，第二十九电阻的另一端与信号地端电性连接。
26.其中ntc热敏电阻的阻值与温度呈现非线性关系，通过两个运算放大器的两级调理功能可以将温度与输出电压调节为近似线性关系，有助于提升控制性能。
27.如图1和图3所示，一种芯片，包括上述调理电路。两个运算放大器集成于该芯片中，调理电路的第一运算放大器的反相输入端为引脚二十二，正相输入端为引脚二十三，输出端为引脚二十一；第二运算放大器的反相输入端为引脚一，正相输入端为引脚二十四，输出端为引脚二；芯片的引脚一电性连接有并联的第二十电阻、第二十一电阻和第二十四电阻，所述第二十电阻的另一端电性连接有ntc热敏电阻，ntc热敏电阻的另一端与信号地端电性连接；第二十一电阻的另一端与引脚六电性连接；第二十四电阻的另一端与引脚二十一电性连接；芯片的引脚二十一电性连接有第二十五电阻，第二十五电阻的另一端与引脚一电性连接，所述第二十五电阻上并联有依次串联的第二十六电阻和第四十七电容，引脚一与引脚二之间的电路上电性连接有第四十九电容，所述第四十九电容上并联有依次串联的第二十七电阻和第四十八电容，引脚二十四电性连接有并联的第二十八电阻和第二十九电阻，第二十八电阻的另一端与引脚六电性连接，第二十九电阻的另一端与信号地端电性连接。
28.基于上述芯片，本发明还提出了一种tec控制器，包括芯片、供电电路、至少一个滤波电路、限流电路和调节电路；所述芯片，其用于电性连接供电电路、滤波电路、限流电路和调节电路；芯片的引脚十五和引脚十六分别为芯片内部不同模块供电；引脚十五与引脚十六均为5v供电，因此，本发明中电性连接引脚十六的端口均可改为与引脚十五电性连接；芯片的引脚七与引脚二十五均与信号地端电性连接；芯片的引脚二十为信号输出端；当电容采集放大器的电路温度达到阈值时，芯片的引脚二十输出高电平，当引脚二十输出低电平时，即表示电容采集放大器的温度异常；芯片的引脚十二、引脚十三、引脚十八和引脚十九均与功率地端电性连接；如图5所示，所述功率地端与信号地端之间通过第一磁珠电性连接。
29.如图4所示，供电电路，其用于为电路不同模块供电；所述供电电路包括串联的第七磁珠和第十四电阻，所述第七磁珠的另一端与电源电性连接，第十四电阻的另一端与芯片的引脚五电性连接，芯片的引脚十六电性连接于第七磁珠与第十四电阻之间的电路上。
30.如图5所示，滤波电路，其用于滤除电源噪声；所述滤波电路包括，
第一滤波电路，芯片的引脚五电性连接有第三十电容，第三十电容的另一端与信号地端电性连接，所述十八电容上并联有第三十一电容。
31.第二滤波电路，芯片的引脚六电性连接有第三十二电容，第三十二电容的另一端与信号地端电性连接。
32.第三滤波电路，芯片的引脚十六电性连接有第三十四电容，第三十四电容的另一端与功率地端电性连接，所述第三十四电容上并联有第三十五电容。
33.第四滤波电路，芯片的引脚十六电性连接有第四十电容，第四十电容的另一端与功率地端电性连接，所述第四十电容上并联有第四十一电容、第四十二电容、第四十三电容、第四十四电容、第四十五电容和第四十六电容。
34.第五滤波电路，芯片的引脚十九通过第三十三电容与引脚十七电性连接，第五滤波电路如图3所示。
35.第六滤波电路，芯片的引脚十六电性连接有第三十六电容，第三十六电容的另一端与功率地端电性连接，第三十六电容上并联有第三十七电容。
36.如图2所示，限流电路，其用于限制对tec温度补偿的电流和电压；所述限流电路包括，串联的第十六电阻、第十七电阻，所述第十六电阻的另一端与芯片的引脚六电性连接，第十七电阻的另一端与信号地端电性连接，芯片的引脚三电性连接于第十六电阻与第十七电阻之间的电路上；串联的第十八电阻、第十九电阻，所述第十八电阻的另一端与芯片的引脚六电性连接，第十九电阻的另一端与信号地端电性连接，芯片的引脚四电性连接于第十八电阻与第十九电阻之间的电路上。
37.如图3所示，调节电路，其用于对tec的电压进行调节，并将tec电压反馈至芯片内部；所述调节电路包括由电感、第三十八电容和第三十九电容组成的的buck电路，芯片的引脚十四与电感的一端电性连接，电感的另一端电性连接有并联的第三十八电容、第三十九电容，第三十八电容和第三十九电容之间的电路上电性连接有功率地端；芯片的引脚十电性连接有第十五电阻，第十五电阻的另一端连接于电感、第三十八电容之间的电路上。
38.如图3所示，为了采集tec的信息，芯片的引脚十七与第三十三电容之间的电路上电性连接有tec的正极端，电感与第三十八电容之间的电路上电性连接有tec的负极端。
39.基于上述tec控制器，本发明还提出了一种电容采集放大器，包括tec控制器，所述tec控制器与lc谐振电路、信号调理放大电路电性连接，电容采集放大器还具有传感器信号输出接口。其中，lc谐振电路、信号调理放大电路均与现有的电容采集放大器中对应的电路原理相同，在此不做赘述。
40.其中，附图3、附图5中的tp端口为电路调试测试端口，无实际意义。
41.基于上述电容采集放大器，本发明还提出了一种激光头调整装置，该激光头调整装置包括电容采集放大器，所述电容采集放大器与激光器主体1电性连接，激光器主体1与调整装置主体2连接。
42.如图10所示，电容采集放大器与激光器主体1中的激光头30电性连接，还与载物台40电性连接，此时，激光头30与载物台40表面的待切割工件之间形成电容，测量该电容的参数即可间接得到激光头30与载物台40上工件之间的距离。
43.如图6、图8所示，调整装置主体2，其用于对激光器主体1的位置进行调整，所述调整装置主体2包括，第一伸缩杆201，所述第一伸缩杆201的固定端与辅助块3连接，伸缩端连接有第一移动板203，第一伸缩杆201为电动伸缩杆，根据电容采集放大器采集的波形信号进行调整；收容杆202，收容杆202的一端与第一伸缩杆201套接，另一端通过通气件205与固定杆204的内部连通，固定杆204的内部为空腔；所述收容杆202上套接有固定套5，所述固定套5通过l型板4与辅助块3连接，通过固定套5与l型板4之间的相互配合，将固定套5与辅助块3连接，便于提高第一伸缩杆201与固定杆204的稳定性；第二伸缩杆206，所述第二伸缩杆206上套接有弹簧207，所述弹簧207的一端与第二移动板208连接，另一端与固定杆204的底壁连接，第二伸缩杆206为了提高弹簧207的稳定性，避免弹簧207左右晃动；该激光头调整装置处于初始位置时，弹簧207处于平衡状态，当第一伸缩杆201的伸缩端向下移动时，由于气压作用，弹簧207的顶端向下压缩，带动底板9、激光器主体1移动，实现调节激光头30与载物台40上工件之间间距的目的。
44.连接杆209，所述连接杆209的一端与第二移动板208连接，另一端伸出固定杆204与底板9连接，通过连接杆209将第二移动板208与底板9连接，便于第二移动板208带动底板9移动，从而带动激光头30移动。
45.其中，第一移动板203、第二移动板208相当于活塞，用于保障收容杆202、固定杆204中的气密性。
46.如图6、图7所示，激光器主体1，其用于对切割设备的载物台40上的待切割工件进行激光切割；所述激光器主体1通过第二安装板11与第一安装板10连接，所述激光器主体1上连接有至少一个插入杆12，所述第一安装板10上连接有至少一个侧板13，所述侧板13上连接有与插入杆12卡接的卡套14，通过插入杆12与卡套14之间的套接，提高激光器主体1与调整装置主体2之间的连接稳定性；所述第一安装板10与底板9连接，所述底板9通过油封套8与滑杆7滑动连接，所述滑杆7的顶端连接有与辅助块3连接的辅助板6，通过油封套8与滑杆7之间的套接作用，进一步提高激光器主体1移动的稳定性。
47.本实施例的工作过程为：在信号采集过程中：当电容采集放大器上电后，tec控制器通过ntc热敏电阻获得电容采集放大器中电路模块的温度，并控制tec进行制冷或制热，从而调节电容采集放大器的温度处于阈值并保持；当tec控制器读取到电容采集放大器中电路模块的温度达到误差范围以内时，tec控制器则发出代表“温度达到预设”的信号，即芯片的引脚二十输出为高电平；当激光头调整装置检测到高电平信号后，则开始采集用于提取电容信息的波形信号；若激光头调整装置检测到低电平信号，则该激光头调整装置处于等待状态，等待tec进行温度补偿；当激光头调整装置处于工作状态时，若检测到芯片的引脚二十输出为低电平信号，则表示电容采集放大器温度异常，此时，该激光头调整装置提示报警信息，并适时停止工作，等待高电平信号。
48.其中，tec控制器的输出信号具备两种使用方式：
方式一：用于使能电容采集放大器中的lc谐振电路以及信号调理放大电路；方式二：通过电容采集放大器的传感器信号输出端口告知后续采集单元。
49.当使用方式一时，只有电容采集放大器中的各电路模块达到预设温度时，电容采集放大器才有信号输出，否则无输出；当使用方式二时，电容采集放大器的后续采集单元可以根据“温度达到预设”信号获知此时传感器达到预设温度。
50.无论采用何种方式，均可以确保采集单元采集到的信号为电容采集放大器温度稳定后的信号。tec控制器会实时稳定电容采集放大器的电路模块温度，变化的环境温度将不会对电容采集放大器造成影响，可以大幅降低电容采集放大器温漂引起的测量误差，大幅提升系统的稳定性，进而降低电容标定操作的使用频率，最终提高了切割效率。
51.在激光头调整装置的工作过程中：激光头调整装置接收到芯片引脚二十的高电平信号后，则开始采集用于提取电容信息的波形信号，该工作原理与现有调高器的工作原理相同，在此不做赘述，根据电容信息的波形信号，实时启动第一伸缩杆201，通过第一伸缩杆201带动第一移动板203移动，从而通过气压对第二移动板208进行作用，使弹簧207受力压缩，从而带动底板9和激光器主体1移动，实现实时控制激光头30位置的功能，从而保障激光头30与载物台40上待切割工件之间的距离基本不变。
52.实施例二如图9所示，本实施例与实施例一的不同之处在于，本实施例所述调整装置主体2和实施一不同，其他的工作方式均和实施一相同，本实施例的调整装置主体2包括，第一伸缩杆201，所述第一伸缩杆201的固定端与辅助块3连接，伸缩端连接有第一移动板203；收容杆202，收容杆202的一端与第一伸缩杆201套接，另一端通过通气件205与固定杆204的内部连通，固定杆204的内部为空腔，所述收容杆202上套接有固定套5，所述固定套5通过l型板4与辅助块3连接；第二伸缩杆206，所述第二伸缩杆206上套接有弹簧207，所述弹簧207的一端与第二移动板208连接，另一端与固定杆204的底壁连接；连接杆209，所述连接杆209的一端与第二移动板208连接，另一端伸出固定杆204与底板9连接；所述固定杆204上连通有至少一个气阀210，所述气阀210的出气端连接有第一连接管211，所述第一连接管211上连接有至少一个朝向固定杆204的第二连接管212，通过气阀210、第一连接管211和第二连接管212之间的相互作用，将固定杆204内部的空气排出后，依靠产生的气流对固定杆204进行喷气降温处理，能够降低因第二移动板208与固定杆204内壁摩擦而产生的热量。
53.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。