CN105945420A - 主动屏蔽式电容随高测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数控机加工技术领域，为提供一种主动屏蔽式电容随高测量装置实现隔离环境变化对切割头、隔离环境对电缆的杂散电容，通过消除此两项主要误差源，且设计了残余杂散电容补偿电路，自动补偿和匹配电缆中的剩余杂散电容，较大地提高测量精度。本发明采用的技术方案是，主动屏蔽式电容随高测量装置，由连接件、电容测头组成，待割工件与连接件通过金属连接，导电为一个整体，作为平板电容的一极；电容测头是金属材料，与连接件之间用陶瓷做绝缘层，作为平板电容的另一极；还设置有主动屏蔽层、主动屏蔽式信号传输电缆、主动屏蔽驱动电路，主动屏蔽层紧贴、包裹在连接件外部。本发明主要应用于数控机加工场合。

Description

主动屏蔽式电容随高测量装置

技术领域

本发明涉及数控机加工技术领域，具体的说是用于激光切割设备加工头的一种随高测量装置。

背景技术

激光切割加工过程中，为了使切口处获得最大的激光功率，保证切口质量，激光焦点需位于工件表面约1/3板厚处。在激光切割加工板材的过程中，板材表面的弧度纹路、平整度、高温变形等不利因素，如果无法实时测量切割头与工件表面的距离并保持切割高度在恒定值，会导致切割效果比较差，甚至无法达到合格切割标准。

所以加工过程中被割工件表面到加工头的高度必须保持在一定值，一般在0.5mm-1.5mm之间，此高度称为切割高度。因此，切割设备必须配备一个高度测量装置，并通过电机控制加工头，使切割高度随工件变化而变化，此高度测量装置成为随高测量装置。

目前，普遍采用的随高测量方法基于电容测距原理。激光加工头与待切割板材之间形成一个微小的平板电容，该电容与极板间的距离即切割高度有关，通过测量极板间电容大小来获取切割高度信息。

现有电容随高测量装置都是同轴式，此方法的劣势在于：加工过程中，切割头、传输信号电缆所处环境的杂散电容变化都会直接影响电路噪声，造成测量误差，无法满足高速高精度测量要求，且对传输电缆的长短和质量要求高，需进行现场调试。另外，部分现有随高测量装置将微小电容转化数字频率信号进行传输，提高传输信号电缆的抗干扰能力，但在切割头部分仍容易受到环境噪声的影响。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种主动屏蔽式电容随高测量装置实现隔离环境变化对切割头、隔离环境对电缆的杂散电容，通过消除此两项主要误差源，且设计了残余杂散电容补偿电路，自动补偿和匹配电缆中的剩余杂散电容，较大地提高测量精度。本发明采用的技术方案是，主动屏蔽式电容随高测量装置，由连接件、电容测头组成，待割工件与连接件通过金属连接，导电为一个整体，作为平板电容的一极；电容测头是金属材料，与连接件之间用陶瓷做绝缘层，作为平板电容的另一极；还设置有主动屏蔽层、主动屏蔽式信号传输电缆、主动屏蔽驱动电路，主动屏蔽层紧贴、包裹在连接件外部，主动屏蔽层与连接件间设置有绝缘层；主动屏蔽式信号传输电缆是三同轴结构，包括芯线、内屏蔽层、外屏蔽层、内绝缘层、外绝缘层，芯线与内屏蔽层之间是内绝缘层，内屏蔽层与外屏蔽层之间是外绝缘层，芯线与电容测头相连以进行输出，内屏蔽层与主动屏蔽层相连，并连接至主动屏蔽驱动电路，外屏蔽层与连接件相连，主动屏蔽驱动电路用于使芯线与内屏蔽层、主动屏蔽层与测头之间等电位。

还包括信号处理电路，信号处理电路由驱动传感和信号接收、电容转换、残余杂散电容自动补偿、信号采集和输出控制、数字处理器几个部分组成；电容转换电路与所述芯线相连，用于将被测电容转换为电压信号；残余杂散电容自动补偿电路与电容转换电路相连，用于消除剩余的杂散电容影响；信号采集和输出控制电路采集来自电容转换电路输出的电压信号；数字处理器输出由所述电压信号代表的随高测量结果或直接根据随高测量结，采用相应PID算法，输出最终控制信号，控制信号用于电机控制器和驱动器，直接实现激光切割头的高度随动。

残余杂散电容自动补偿电路中，漏电容补偿通过调整信号放大倍数电路实现，漏电阻补偿通过调整信号相位电路实现。

主动屏蔽层是导电金属薄膜或具有一定厚度导电金属件；主动屏蔽层与连接件之间的绝缘层是绝缘陶瓷或绝缘胶或绝缘塑料。

主动屏蔽驱动电路由电压跟随电路和电压驱动电路组成，电压跟随电路快速跟踪电容测头的交流电压变化，使电压幅值、相位完全一致，电压驱动电路提高电压跟随电路输出信号的驱动能力。

本发明的特点及有益效果是：

1)增加主动屏蔽层，克服电容测头与平板周围的环境变化，尤其是温湿度变化对精度的影响；

2)主动屏蔽式信号传输电缆克服了信号传输过程中温湿度、振动等环境变化导致的测量误差；

3)电路可自动补偿因工艺受限导致的电缆无法100％屏蔽的残余杂散电容，进一步减小噪声。

装置通过上述设计，与目前采用的传统方案相比，有效的减小了测量噪声，提高电容随高测量精度，精度可比现有产品提高1个数量级。

附图说明：

图1主动屏蔽式电容随高测量装置示意图。

图1中，1为激光切割头中的电容传感器测头，2为本发明设计的主动屏蔽层，3为主动屏蔽式信号传输电缆，4为信号测量电路，5绝缘层。

图2传统同轴式切割头电容随高测量示意图。

图2中，6为与连接件，与激光切割机螺纹连接，7指环境干扰，8为待割工件。

图3本发明设计的主动屏蔽式电容随高测量示意图(主动屏蔽层2起保护作用)。

图4主动屏蔽信号传输电缆结构示意图。

图5高精度信号处理电路原理框图。

图5中，9指电容测头传感驱动和信号接收电路，10指电容转换电路，11指主动屏蔽驱动电路，12指残余杂散电容补偿电路，13指信号采集和控制输出电路。

图6主动屏蔽驱动电路原理框图。

图6中，14指电压跟随电路，15指电压驱动电路。

图7残余杂散电容补偿电路原理框图。

图7中，16指漏电容提取电路，17为漏电容补偿电路，18为漏电阻提取电路，19为漏电阻补偿电路。

具体实施方式

本发明提供一种主动屏蔽式电容随高测量装置。该装置通过增添主动屏蔽层隔离了环境变化对切割头、增加主动屏蔽式信号传输电缆隔离环境对电缆的杂散电容，通过消除此两项主要误差源，且在信号处理电路中设计相应的主动屏蔽驱动电路、残余杂散电容补偿电路，自动补偿和匹配电缆中的剩余杂散电容，较大地提高了测量精度。

为实现上述目的，设计一种主动屏蔽式电容随高测量装置，包括：电容传感器测头1、主动屏蔽层2、主动屏蔽式信号传输电缆3和高精度信号处理电路4。

传统电容随高测量装置，见图2，待割工件与连接件通过金属连接，导电为一个整体，作为平板电容的一极(地)。电容测头是金属材料，与连接件之间用陶瓷做绝缘层，作为平板电容的另一极。当两极间的距离发生变化，电容值随之变化，信号处理电容可将电容值转换为模拟电压或数字信号输出，从而实现电容随高测量。其两极间的电场线如图2所示，环境干扰7，如空气温湿度，极易影响极板间的电场分布，也即被测电容。因此，实际测量中传统测量方式受环境温湿度影响大，导致聚焦不准确、切割质量下降。

本发明在激光切割头中增加设计了主动屏蔽层，见图3，主动屏蔽层与连接件间增加绝缘层。主动屏蔽层可以是导电金属薄膜或具有一定厚度导电金属件。增加的绝缘层可以是绝缘陶瓷或绝缘胶、绝缘塑料。增加主动屏蔽层2后，电路通过主动屏蔽式信号传输电缆3中的内屏蔽层使主动屏蔽层2的电位与电容测头1的电位相等，则二者间无电场，两极板间的电场调整如图3所示。主动屏蔽层与待割工件产生保护电场，完全包裹了电容侧头与待测工件间的电场线。此时，环境干扰如温湿度变化只会影响主动屏蔽层与待割工件间的电场和电容，而不影响被测电场和电容。

本方明设计的主动屏蔽式信号传输电缆3，见图4，主动屏蔽信号传输电缆为三同轴结构，包括芯线、内屏蔽层、外屏蔽层、内绝缘层、外绝缘层。其中芯线与电容测头相连，并连接至电容测头传感驱动和信号接收电路，内屏蔽层与主动屏蔽层相连，并连接至主动屏蔽驱动电路。外屏蔽层与连接件相连，并连接至信号处理电路的板上地。由于内屏蔽层信号电位始终与芯线相同(等电位)，二者间不存在电容，因此外界的环境变化如(温湿度、振动)不影响被测信号的传输，降低了测量噪声。

所述的高精度信号处理电路，见图5，主要实现电容传感器信号的处理和输出控制功能。它包括电容测头驱动传感和信号接收、电容转换、主动屏蔽驱动、残余杂散电容自动补偿、信号采集和输出控制5个模块单元。电容转换电路将被测电容转换为电压信号。信号采集和输出控制电路可根据激光切割机的控制系统要求输出随高测量结果，电路板上的CPU可直接根据测量结果，采用相应PID算法，输出最终控制信号，提供给电机控制器和驱动器，直接实现激光切割头的高度随动。因此，信号采集和输出控制电路可采用但不仅限于单片机、DSP、FPGA等集成处理器实现信号采集和控制输出功能。

其中，主动屏蔽驱动电路实现主动屏蔽层与电容测头的等电位保护。主动屏蔽驱动电路由电压跟随电路和电压驱动电路组成，电压跟随电路快速跟踪电容测头的交流电压变化，使电压幅值、相位完全一致。电压驱动电路提高电压跟随电路输出信号的驱动能力。电压跟随电路采用运放跟随电路或电压反馈跟随电路，电压驱动电路采用驱动芯片或变压器。

其中，残余杂散电容自动补偿电路消除可能的剩余的杂散电容影响(实际三同轴电缆不能实现100％屏蔽)，表现为信号中含有漏电容和漏电阻信号。补偿电路提取其中的漏电容和漏电阻信号并通过相应的电路进行补偿。漏电容补偿电路通过调整信号放大倍数实现，漏电阻补偿电路通过调整信号相位实现。

下面结合附图和具体实例进一步详细说明本发明。

设计一种主动屏蔽式电容随高测量装置，包括：电容传感器测头1、主动屏蔽层2、主动屏蔽式信号传输电缆3和高精度信号处理电路4。

主动屏蔽层与连接件间增加绝缘层。主动屏蔽层采用导电金属薄膜或具有一定厚度的导电金属件。增加的绝缘层采用绝缘陶瓷或绝缘胶、绝缘塑料。增加主动屏蔽层2后，电路通过主动屏蔽式信号传输电缆3中的内屏蔽层使主动屏蔽层2与电容测头1等电位，消除二者间电容。同时主动屏蔽层与待割工件产生保护电场，完全包裹了电容侧头与待测工件间的电场。则环境干扰如温湿度变化只会影响主动屏蔽层与待割工件间的电场和电容，而不影响被测电场和电容。

主动屏蔽式信号传输电缆3为三同轴结构，包括芯线、内屏蔽层、外屏蔽层、内绝缘层、外绝缘层。其中芯线与电容测头相连，并连接至电容测头传感驱动和信号接收电路，内屏蔽层与主动屏蔽层相连，并连接至主动屏蔽驱动电路。外屏蔽层与连接件相连，并连接至信号处理电路的板上地。由于内屏蔽层信号电位始终与芯线相同(等电位)，二者间不存在电容，因此外界的环境变化如(温湿度、振动)不影响被测信号的传输，降低了测量噪声。

高精度信号处理电路包括电容测头驱动传感和信号接收9、电容转换10、主动屏蔽驱动11、残余杂散电容自动补偿12、信号采集和输出控制13共5个模块单元。电容转换电路10将被测电容转换为电压信号。信号采集和输出控制电路13采集电压信号，板上数字处理器根据激光切割机的控制系统要求输出随高测量结果或直接根据测量结果，采用相应PID算法，输出最终控制信号。控制信号可用于电机控制器和驱动器，直接实现激光切割头的高度随动。数字处理器可采用但不仅限于单片机、DSP、FPGA等集成处理器。

主动屏蔽驱动电路实现主动屏蔽层的等电位保护和电缆内屏蔽层的等电位保护。主动屏蔽驱动电路由电压跟随电路14和电压驱动电路15组成，电压跟随电路14快速跟踪电容测头的交流电压变化，使电压幅值、相位完全一致。电压驱动电路15提高电压跟随电路输出信号的驱动能力。电压跟随电路14可采用运放跟随电路或电压反馈跟随电路，电压驱动电路15可采用驱动芯片或变压器。

残余杂散电容自动补偿电路消除可能的剩余的杂散电容影响(实际三同轴电缆不能实现100％屏蔽)，表现为信号中含有漏电容和漏电阻信号。补偿电路提取其中的漏电容16和漏电阻信号18并通过相应的电路进行补偿。漏电容补偿电路17通过调整信号放大倍数实现，漏电阻补偿电路19通过调整信号相位实现。

Claims (5)

1.一种主动屏蔽式电容随高测量装置，其特征是，由连接件、电容测头组成，待割工件与连接件通过金属连接，导电为一个整体，作为平板电容的一极；电容测头是金属材料，与连接件之间用陶瓷做绝缘层，作为平板电容的另一极；还设置有主动屏蔽层、主动屏蔽式信号传输电缆、主动屏蔽驱动电路，主动屏蔽层紧贴、包裹在连接件外部，主动屏蔽层与连接件间设置有绝缘层；主动屏蔽式信号传输电缆是三同轴结构，包括芯线、内屏蔽层、外屏蔽层、内绝缘层、外绝缘层，芯线与内屏蔽层之间是内绝缘层，内屏蔽层与外屏蔽层之间是外绝缘层，芯线与电容测头相连以进行输出，内屏蔽层与主动屏蔽层相连，并连接至主动屏蔽驱动电路，外屏蔽层与连接件相连，主动屏蔽驱动电路用于使芯线与内屏蔽层、主动屏蔽层与测头之间等电位。

2.如权利要求1所述的主动屏蔽式电容随高测量装置，其特征是，还包括信号处理电路，信号处理电路由驱动传感和信号接收、电容转换电路、残余杂散电容自动补偿电路、信号采集和输出控制电路、数字处理器几个部分组成；电容转换电路与所述芯线相连，用于将被测电容转换为电压信号；残余杂散电容自动补偿电路与电容转换电路相连，用于消除剩余的杂散电容影响；信号采集和输出控制电路采集来自电容转换电路输出的电压信号；数字处理器输出由所述电压信号代表的随高测量结果或直接根据随高测量结，采用相应PID算法，输出最终控制信号，控制信号用于电机控制器和驱动器，直接实现激光切割头的高度随动。

3.如权利要求2所述的主动屏蔽式电容随高测量装置，其特征是，残余杂散电容自动补偿电路中，漏电容补偿通过调整信号放大倍数电路实现，漏电阻补偿通过调整信号相位电路实现。

4.如权利要求1所述的主动屏蔽式电容随高测量装置，其特征是，主动屏蔽层是导电金属薄膜或具有一定厚度导电金属件；主动屏蔽层与连接件之间的绝缘层是绝缘陶瓷或绝缘胶或绝缘塑料。

5.如权利要求1所述的主动屏蔽式电容随高测量装置，其特征是，主动屏蔽驱动电路由电压跟随电路和电压驱动电路组成，电压跟随电路快速跟踪电容测头的交流电压变化，使电压幅值、相位完全一致，电压驱动电路提高电压跟随电路输出信号的驱动能力。