激光切割中的焦點位置檢測方法研究
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3 切割過程中等離子云對焦點位置檢測系統(tǒng)的影響
在工件尚未被切穿的瞬間，激光和金屬相互作用，在噴嘴和加工對象之間產(chǎn)生云霧狀等離子體，改變電容極板之間的介質(zhì)，從而對電容傳感器產(chǎn)生干擾。在正常切割過程中，輔助氣體將等離子體從切縫中吹散，對電容傳感器產(chǎn)生影響較小。但如果加工速度太快和剛開始切割時，由于工件未被完全切穿，激光照射點附近會產(chǎn)生等離子體云，對電容傳感器產(chǎn)生干擾，嚴重時甚至使傳感器無法正常工作，嚴重影響加工質(zhì)量。圖4為等離子體干擾示意圖。
C=εS/h
式中ε---極板之間介電常數(shù))一般為(1)
S---極板相對有效面積
h---兩極板間距離
如果沒有等離子體的干擾，那么，根據(jù)式(1)所測到的電容就和極板（噴嘴和加工對象）之間距離成反比，由電容量可以方便求出兩極板間距離，進而求出焦點和被加工對象之間的相對位置。
但是，當噴嘴和被加工對象之間存在等離子體或噴渣時，電容極板之間的電介質(zhì)就不是空氣了，其介電常數(shù)就發(fā)生變化。由電容原理公式，此時兩個極板間電容量為：
C'=ε S1 /[(h-h1)+h1ε/ε1 ]+εS2/h (2)
式中ε1---等離子體的介電常數(shù)
h1---等離子體云的厚度
S1 + S2 =S分別為有等離子云或噴渣的區(qū)域和無等離子云或噴渣的區(qū)域的面積。
如果等離子云均勻分布于噴嘴和被加工對象之間的一定高度范圍之內(nèi)，則電容傳感器所測得的兩極板間距離為：
h'=(h-h1)+ h1ε/ε1 (3)
檢測的誤差理論值：
Δh = h'-h
= h1 (ε/ε1 -1) (4)
從式(4)可知，誤差的大小由極板間等離子體云的厚度及等離子體的介電常數(shù)決定。而等離子體介電常數(shù)具有非常大的值，可以達到105的數(shù)量級。所以由式(4)可以看出等離子云或噴渣對檢測結(jié)果的影響是非常大的，文獻[2～4]得出，如果等離子體云的厚度為1～2mm，則由電容傳感器檢測的兩極板間距離的理論誤差也達到1～2mm，顯然達不到激光焦點位置檢測的精度指標（為±0.2mm）。
4 傳感器優(yōu)化設(shè)計技術(shù)減少等離子云對檢測結(jié)果的影響
等離子體對電容傳感器的干擾是由于等離子體改變了電容兩極板之間的介質(zhì)。因此，為了消除等離子體對電容傳感器的干擾，就要使電容兩極板之間的介質(zhì)不受等離子體的影響，可以加大圓環(huán)形極板的中心小孔和將電容傳感器移至等離子云以外兩種方法來實現(xiàn)。
(1)要消除等離子體對電容量的影響，就要將等離子體置于電容傳感器的極板之外?？紤]到等離子云是沿切割點周圍分布的，因此可以如圖5所示：將圓環(huán)形極板的中心小孔直徑擴大至2～3mm并嵌入絕緣的耐高溫陶瓷材料，由于電容傳感器極板是空心的，在不考慮邊緣效應(yīng)的情況下，照射點附近的等離子體云對傳感器電容量和檢測值不產(chǎn)生影響，所以采用這種辦法能有效地減小等離子云的干擾影響。
5 結(jié)論
激光焦點位置檢測與控制是激光切割加工的關(guān)鍵技術(shù)之一，對于快速切割加工，焦點位置檢測精度和快速性將直接影響到焦點位置的控制精度和加工質(zhì)量，電容傳感器具有檢測靈敏度高、響應(yīng)快速的優(yōu)點，可以通過計算機系統(tǒng)的線性化來克服其非線性；
通過特殊的傳感器結(jié)構(gòu)來消除加工過程中產(chǎn)生的等離子云和噴渣對檢測結(jié)果的影響，提高其在激光切割加工系統(tǒng)中的使用效果。
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