泓川科技激光三角位移传感器LTP在回转轴偏移量精密测量中的技术应用案例

一、引言

在机械系统中，回转轴的旋转稳定性直接影响设备的运行精度与可靠性。针对回转轴同心度检测及偏移量测量的需求，本文基于激光三角法原理，采用泓川科技 LTP030U 超宽光斑激光位移传感器，构建了一套非接触式动态测量方案，实现了对电机转轴旋转偏移量的高精度实时监测。

二、测量需求与挑战

1. 同心度判定：确定转轴旋转时是否围绕固定中心轴线运动。

2. 偏移量量化：若不同心，精确测量旋转过程中的径向偏移幅度。

传统接触式测量易引入机械磨损与附加应力，且动态响应不足。激光三角法凭借 μm 级精度、非接触特性及高速测量能力，成为理想解决方案。

三、测量方案设计

（一）硬件选型

• 测量范围：±5mm（量程 10mm）

• 重复精度：0.15μm（静态）

• 线性度：±0.02%F.S.（F.S.=10mm）

• 采样频率：最高 160kHz（全量程缩小至 20% 时）

• 光斑特性：35×1100μm 超宽光斑，适配轴类曲面测量

• 接口能力：RS485、模拟量（0-5V/4-20mA）、外部触发

（二）系统搭建

1. 安装布局

• 传感器与转轴中心距离调整为 30mm（测量中心距离），确保光斑垂直投射于轴表面。

• 采用 M5 内六角螺钉固定传感器，通过安装孔（2×Φ5.0mm）保证机械稳定性，如图 1 所示。
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  图 1 传感器安装尺寸示意图

2. 电气连接

• 电源：DC 9-36V，配置过流 / 反向保护。

• 数据传输：选用 RS485 接口（波特率可配置），连接至工业计算机，通过配套 C++ 开发包实现数据实时采集。

• 触发控制：接入外部电平信号，实现采样保持与单脉冲触发同步。

四、测量方法步骤

（一）预校准

1. 零点标定：使用标准陶瓷样件（反射率匹配轴表面），在静止状态下对传感器进行归零，消除初始偏移。

2. 线性度验证：通过纳米级激光干涉仪标定，确认传感器线性度满足 ±0.02% F.S. 指标。

（二）动态测量流程

1. 参数配置

• 工作模式：独立主机模式，无需额外控制器。

• 响应时间：选择 40μs（LTP030U 最高配置），匹配转轴旋转频率。

• 采样策略：启用 160kHz 高频采样（全量程压缩至 2mm），确保每个旋转周期采集≥1000 个数据点。

2. 数据采集

• 电机通电后，传感器持续投射超宽激光光斑至轴表面，反射光经透镜聚焦至光敏元件，实时计算光斑位置偏移。

• 通过 RS485 接口以数据包形式传输原始位移数据（单位：μm），同步记录时间戳。

3. 触发与同步：利用电机转轴键相器输出的脉冲信号触发采样，确保每个旋转周期起始点对齐，便于后续角度域分析。

五、算法方式

（一）三角法原理算法

• $d$：被测物体位移

• $b$：激光源与透镜间距（基线距离）

• $f$：透镜焦距

• $\theta$：激光束与透镜光轴夹角

• $s$：光斑在光敏元件上的偏移量

（二）动态数据处理算法

1. 数字滤波：采用 5 点滑动平均滤波，抑制高频噪声（如环境振动干扰）。

2. 特征提取

• 峰谷值计算：每个旋转周期内，提取位移最大值与最小值之差，表征径向跳动幅度。

• 轴心轨迹重建：基于键相脉冲同步数据，将位移信号分解为角度域坐标（θ, r (θ)），绘制轴心轨迹图，定位偏心方向。

3. 误差补偿：内置温度漂移补偿算法，根据环境温度（0-50℃）实时修正测量值，补偿系数为 0.03% F.S./℃。

六、测试结果与分析

（一）实验条件

• 被测对象：某伺服电机转轴，直径 Φ20mm，额定转速 3000rpm（周期 20ms）。

• 环境参数：温度 25℃，湿度 50% RH，无显著振动。

（二）测试结果

1. 同心度判定：通过连续 3 个周期的轴心轨迹分析，发现轨迹呈椭圆状，判定为非同心旋转。

2. 偏移量量化

• 三次重复测试峰谷值分别为：0.115mm、0.117mm、0.116mm，平均值 0.116mm，重复性误差≤1.7%。

• 频谱分析显示，主振动频率与转速频率一致（50Hz），确认偏移由机械偏心引起。

（三）误差来源

• 系统误差：线性度误差 ±0.02%×10mm=±2μm，温度漂移 0.03%×10mm×(25℃)=7.5μm，合计≤9.5μm。

• 随机误差：主要来自激光散斑噪声，通过高频采样与数字滤波控制在 ±5μm 以内。

七、结论