激光切割調高器微距測量傳感器設計

李正昊

摘 ?要：該文針對現(xiàn)有的激光切割調高技術需求，提出一種基于電容器原理的非接觸式微距測量方法，該方法是通過克拉潑振蕩電路將激光切割噴嘴與工件之間形成的電容器電容信號調制轉化為一定頻率的高頻正弦波信號，并基于電流反饋型的運算放大器和波形轉化電路實現(xiàn)高精度、無失真、極低時滯的信號放大與波形轉化。最后通過實驗分析，該傳感器滿足信號輸出穩(wěn)定、重復性良好、分辨率高和量程合適等要求，達到激光切割調高技術需求的理想測距效果。

關鍵詞：激光切割調高技術；微距測量；信號調制；傳感器；波形轉化

中圖分類號：TG485 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）18-0059-04

Abstract： This paper proposes a micro-distance measurement method based on the capacitor principle for addressing the technical requirements of laser cutting height adjustment. This method transforms the capacitance signal formed between the laser cutting nozzle and the workpiece into a high frequency sine wave signal with a certain frequency through the Clapp oscillator circuit. Based on the current feedback operational amplifier and waveform conversion circuit， the signal amplification and waveform conversion with high precision， no distortion and very low time delay are realized. Finally， through experimental analysis， the sensor meets the requirements of stable signal output， good repeatability， high resolution and suitable measuring range， and achieves the ideal ranging effect of laser cutting height adjustment technology.

Keywords： laser cutting height adjustment technology; macro measurement; signal modulation; sensor; waveform conversion

在激光切割加工過程中，自動調高技術是實現(xiàn)實時調節(jié)激光切割頭高度，保證激光焦點聚焦在最佳工作位置從而提高加工質量的一項關鍵性技術[1]。用于高度檢測傳感器系統(tǒng)相當于自動調高系統(tǒng)的“眼睛”，是實現(xiàn)激光加工過程中高度自動調節(jié)的首要環(huán)節(jié)，后續(xù)調高伺服系統(tǒng)工作的開展都依據(jù)于此。因此高度檢測傳感器必須具備較高的測距精度、較快的動態(tài)響應速度、較強的抗擾性能[2-3]。常見的非接觸式傳感器有光電式、電容式、電渦流式。

本文依據(jù)測距性能需求，設計了一種基于電容器原理的非接觸式微距測量傳感器，并通過調制、放大、波形轉化電路將傳感器信號處理成可被計算機處理的數(shù)字信號。

1集成式電容測距傳感器測距原理

從激光切割調高技術的需求出發(fā)，傳感器任務是實時監(jiān)測激光噴嘴到加工件表面的距離。光電式測距傳感器存在安裝位置與激光噴嘴有一定空間差異，不能夠真實反饋特定的距離信息。而電容式傳感器可以巧妙解決這個問題：金屬激光噴嘴與金屬工件之間可分別做為電容器的上下極板，滿足電容式測距傳感器的結構要求，直接將傳感器集成在激光切割頭中，如圖1所示。

根據(jù)電容器的基本物理特性，有電容值與極板間距關系式

式中：？著為介電常數(shù)，在同一環(huán)境中保持不變。S為極板正對面積，主要取決于激光噴嘴的形狀大小，在不更換其型號的前提下可認為是常量。因此得出電容值Ｃ與板間距d成反比例函數(shù)關系。從而根據(jù)傳感器的電容值Ｃ推導出板間距d。

除了工件與激光噴嘴能構成可變電容器，信號傳輸電纜、PCB線路與板層、金屬連接器以及極板與周圍導體都能構成電容器，從而加大原始電容值，這種無法通過定量測算的干擾性電容被稱為寄生電容。所以單純地依據(jù)傳感器的輸出信號頻率與振蕩電路的頻率特性以及理想的平行板電容計算公式不能夠直接反向推導出準確的距離數(shù)據(jù)。為此，本文采取電容式傳感器預先標定方法，生成頻率-距離離線數(shù)據(jù)表，主控制器頻率數(shù)據(jù)直接依據(jù)生成好的離線數(shù)據(jù)表直接查詢，相對于一般的在線公式推算距離，不僅能夠減少計算量加快傳感器響應速率，并且能夠大大提高測距的準確性。

2 ?基于克拉潑振蕩器的電容信號處理電路

2.1 ?克拉潑振蕩電路設計

計算機系統(tǒng)沒有專用的電容測量模塊，所以需通過特定電路將電容轉化為數(shù)字信號[4-5]。常見的電容信號測量電路有3類：運算放大器式、脈沖式、調制式測量電路[6-7]。運算放大器式、脈沖式均因動態(tài)響應性和抗擾性而不適用于此。調制式電路靈感來源于無線電射頻電路[8]。常見信號調制電路有克拉潑振蕩電路，如圖2所示。

原理是通過電容與電感諧振生成高頻正弦波信號，計算機只需檢測信號頻率f并依據(jù)關系式（2）以及電路中其他元器件參數(shù)便可獲取電容值。

根據(jù)克拉潑振蕩器原理設計的電路圖如圖3所示。

圖中R4、R6對應圖2中Rb1、Rb2。R5、R7對應Rc、 Re。C13、C14對應C1、C2，L2對應L，C17與外部待測電容CRF（由射頻接口接入）并聯(lián)對應Cx。根據(jù)式（2），在不接入待測電容情況下，可計算得設計電路的理論頻率值f≈4.247 MHz。

振蕩電路輸出端接電壓跟隨器電路，為了增強LC振蕩電路的信號輸出強度以及隔離后級電路串擾。該電路前后放大倍數(shù)

2.2 ?基于電流反饋型運放兩級信號放大電路設計

實際測量振蕩信號幅值約為200 mV，難以被測量，因此需構建放大電路將微小信號進行等頻率、無時滯的放大操作。本文基于電流反饋型運放（CFA）構建。與一般的電壓反饋運放（VFA）對比，電流反饋型運放控制的是電流信號，CFA擁有更高帶寬和壓擺率。內部結構簡圖如圖4所示。

有CFA的閉環(huán)控制增益A（s）表達式

式中：Ｚ（s）為放大器前向增益，Rf為反饋電阻，Rg為外部電阻。由上式可知，Rf決定了選頻段的帶寬大小，Rf與Rg共同決定了最終增益大小。依據(jù)運放數(shù)據(jù)手冊，反饋電阻Rf取值470 ？贅，負載電阻Rl取值50 ？贅，放大倍數(shù)A（s）=1+Rf /Rg，振蕩電路產(chǎn)生的正弦波頻率為3～5 MHz，通頻帶在10 MHz以內，使放大器工作在線性區(qū)。設計出如圖5所示的二級信號放大電路。

具體電壓放大倍數(shù)數(shù)值為A（s）=（1+R16/R13）×（1+R18/R17）≈15，表示可以將前級振蕩信號振幅放大15倍左右，同時保證前后信號頻率一致、無時滯。

2.3 ?波形轉化電路設計

數(shù)字處理器對正弦信號處理仍有一定困難，因此本文在傳感器最后添加了TLV3501波形轉化電路，將信號轉化為等頻率的方波信號。該芯片固有4.5 ns信號時滯、6 mV磁滯，最大輸出切換頻率為80 MHz，電壓上升/下降時間為1.5 ns。輸入信號存在噪聲抖動易造成轉化方波錯誤跳變。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊可知，可通過正反饋電路增加額外磁滯。波形轉化電路設計圖如圖6所示。

設計電路的總磁滯為

由式可知外部反饋引入了額外25 mV磁滯，現(xiàn)總磁滯為31 mV，相比芯片原固有磁滯提升了5倍。表示當只有過渡電壓差值高于31 mV時芯片才會輸出切換，抗噪性提升。

3 ?實驗驗證

該實驗平臺包含一個傳感器測試PCB、激光噴嘴與金屬板、導程為5 mm的精密滾珠絲杠移動平臺、伺服電機套件以及示波器。

將射頻接口連接固定在滾珠絲杠直線移動平臺上的激光噴嘴陶瓷環(huán)的銅針上，取另一固定的平面金屬板模擬加工件，并與測試電路板共地，讓激光噴嘴正對金屬板并保持固定間距，兩者構成可變電容。將模擬信號接口與數(shù)字信號接口及示波器探頭相連，在示波器中顯示振蕩電路輸出波形，如圖7所示。

時漂是指傳感器輸出在時間尺度上的不穩(wěn)定性變化，這種現(xiàn)象可能是由多種因素引起的，比如工作環(huán)境溫度變化、電源電壓電流波動、電子元器件老化等。時漂會產(chǎn)生系統(tǒng)測量誤差，所以需要去測量并定量分析其影響?，F(xiàn)進行時漂誤差測量實驗，保持板間距與周圍環(huán)境不變，每隔10 min記錄一次傳感器輸出頻率，記錄時間為1.5 h，總共記錄10組數(shù)據(jù)，詳見表1。

在1.5 h的測試時間內，單個測試時段的最大時漂是380 Hz，那么此電容式測距傳感器的最大平均時漂是38 Hz/min，這個誤差數(shù)值與傳感器高達幾兆赫茲的輸出頻率相比很小，在可以接受的范圍內。

重復性是指在短時間內，周圍環(huán)境無變化的情況下，激光切割頭來回移動過程中，每當激光噴嘴與加工件都保持一個特定間距時，每次測得傳感器輸出的信號頻率值不一樣的程度，該性能也反映了傳感器預先標定的可靠性。接下來進行重復性實驗。利用0.1 mm厚度的不銹鋼塞尺以0.1 mm為移動步長，以0.1～4.0 mm為移動行程逐步調節(jié)激光切割噴嘴到金屬板的距離，記錄下3次正反行程的頻率與距離關系，并使用計算機繪制出頻率-距離離散數(shù)據(jù)，如圖8所示。

由離散數(shù)據(jù)圖可知，3次測量行程中的最大重復性偏離方差為290.63，重復度性誤差δ=0.085‰。板間距在0.1～1.1 mm時。頻率變化量在2 500 Hz以上；當板間距在1.2～2.0 mm時頻率變化量在1 600 Hz以上；當板間距在2.1～3.2 mm時，頻率變化量在900 Hz以上；當板間距在3.3～4.0 mm時，頻率變化量在350 Hz左右。此結果也表明了測距傳感器與測試金屬板之間距離越大，電容式測距傳感器所受到的外界干擾程度就越大。因3.3～4.0 mm距離區(qū)間的頻率變化量已經(jīng)接近于重復性誤差，所以在此區(qū)間內傳感器已經(jīng)無法分辨出最小位移距離0.1 mm。因此本文設計的電容式傳感器最佳量程范圍在0.1～3.2 mm，此量程內的分辨率達到了0.1 mm，基本滿足激光切割調高系統(tǒng)的微距測距需求。

4 ?結束語

本文基于電容原理與克拉潑振蕩器等信號處理電路，成功設計出一種非接觸式微電容測量傳感器，并搭建了相關實驗平臺進行性能試驗。試驗表明該傳感器的信號輸出具有良好的時間穩(wěn)定性。在測距性能上，分辨率可達0.1 mm，量程范圍為0.1～3.2 mm，最大重復性誤差δ=0.085‰，保證了測距的精度，且通過傳感器預先標定的算法可以提高距離計算效率和精準度。滿足了激光切割調高技術中高度檢測需求。同時該傳感器還可以應用于其他精確的非接觸式微小測距的場景。

參考文獻：

[1] 李建新.激光切割機切割頭位置檢測與調高控制系統(tǒng)設計[J].激光雜志，2012，33（4）：33-34.

[2] FIERET J， TERRY M J， WARD B A. Aerodynamic Interactions During Laser Cutting[C]//International Society for Optics and Photonics， 1986： 53-62.

[3] 李明.激光切割頭與工件距離檢測系統(tǒng)的研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2010.

[4] 楊放瓊.激光切割焦點位置的微機控制[J].中國有色金屬學報，1996（2）：148-152.

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

[6] 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2001.

[7] 于士誠.調頻式電容位移傳感器中若干關鍵技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2010.

[8] 高如云，陸曼茹，張企民，等.通信電子線路[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.