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激光切割电容式Z浮微小电容检测系统的研究

作　者: 严琼
导　师: 朱晓
学　校: 华中科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 激光切割 Z浮电容传感器微小电容检测三层屏蔽结构
分类号: TN249
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

激光切割电容式Z浮用于在切割过程中实时检测工件表面高度变化,使切割头能跟随工件表面起浮做出相应位移调整,始终保证焦点处于理想位置,维持切割过程中离焦量恒定,从而控制切口形状,提高切口表面平整度。目前,国外已经开发出带有自动聚焦系统的激光切割机头,但其价格不菲。针对我国激光切割行业对相关技术的迫切需求,以及国内装备在中低端产品市场的巨大优势,开发出具有Z浮检测功能的高性价比的适用于中低端市场的激光切割设备无疑显得意义重大。Z浮通常由位移传感器、信号检测电路、微机系统、伺服电机四部分组成。衡量Z浮工作性能好坏的技术指标主要有定位精度、线性度、灵敏度、重复性、分辨力、迟滞以及漂移等,而这些大都与传感器本身的结构设计和微小电容信号检测电路的性能相关。因此,传感器结构的稳定性以及信号检测电路的测量精度直接关系到Z浮工作性能的好坏。本论文设计了激光切割用Z浮电容传感器结构以及微小电容检测系统,其主要内容如下:首先,对Z浮用平行板电容传感器工作原理进行分析,综合高低频时电容传感器特性,在此基础上确定了2MHz激励源信号工作频率以及充放电网络的检测电路。其次,针对激光切割的实际环境,对影响电容传感器工作性能的各种因素进行理论分析,比如Z浮用电容传感器边缘效应,寄生电容,材料绝缘性能以及切割过程中等离子体,喷渣各种影响,从结构设计上提出消除或尽量减小各种影响的方法。本课题摒弃了传统的切割头喷嘴采用全铜材质的方法,设计了具有创新性的“三层”结构:外屏蔽层、内屏蔽层(保护环)、感应层的传感器感应极板。最后对微小电容系统的整体电路进行参数选择,器件选型,电路的建模与仿真及硬件设计,包括信号激励源设计,电容充放电网络,低通滤波器设计,信号放大电路,50HZ陷波电路以及光电隔离电路,经过电路的调试和系统的标定,分别引进传感器等效电容组合模块和Z浮电容传感器模块进行实验测量,对检测系统中各种干扰和误差因素进行了分析,评定其微小电容检测系统的各项性能指标。实验证明,该Z浮微小电容检测系统能较好的满足电容式Z浮的设计要求。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-13
  1.1 选题背景及研究意义  9-11
  1.2 课题的技术要求  11
  1.3 本课题研究内容  11-13
2 激光切割电容式Z 浮基本工作原理  13-25
  2.1 激光切割电容式Z 浮整体工作流程  13-14
  2.2 平行板电容传感器工作原理  14-19
  2.3 几种测微电路的基本测量电路  19-24
  2.4 本章小结  24-25
3 Z 浮电容传感器的结构优化设计  25-34
  3.1 Z 浮电容传感器的各种影响因素分析及结构设计  25-31
  3.2 Z 浮电容传感器的结构及尺寸参数  31-32
  3.3 本章小结  32-34
4 微小电容检测系统的设计  34-48
  4.1 微小电容检测系统的方案设计  34-35
  4.2 系统的具体电路构成  35-44
  4.3 系统中的干扰分析及解决措施  44-47
  4.4 本章小结  47-48
5 实验结果与关键问题分析  48-61
  5.1 传感器静态测试参数  48-49
  5.2 系统的测量实验  49-60
  5.3 本章小结  60-61
6 全文总结  61-63
致谢  63-65
参考文献  65-67

激光切割电容式Z浮微小电容检测系统的研究

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