一、引言

在機械系統中，回轉軸的旋轉穩定性直接影響設備的運行精度與可靠性。針對回轉軸同心度檢測及偏移量測量的需求，本文基于激光三角法原理，采用泓川科技 LTP030U 超寬光斑激光位移傳感器，構建了一套非接觸式動態測量方案，實現了對電機轉軸旋轉偏移量的高精度實時監測。

二、測量需求與挑戰

1. 同心度判定：確定轉軸旋轉時是否圍繞固定中心軸線運動。

2. 偏移量量化：若不同心，精確測量旋轉過程中的徑向偏移幅度。

傳統接觸式測量易引入機械磨損與附加應力，且動態響應不足。激光三角法憑借 μm 級精度、非接觸特性及高速測量能力，成為理想解決方案。

三、測量方案設計

（一）硬件選型

• 測量范圍：±5mm（量程 10mm）

• 重復精度：0.15μm（靜態）

• 線性度：±0.02%F.S.（F.S.=10mm）

• 采樣頻率：最高 160kHz（全量程縮小至 20% 時）

• 光斑特性：35×1100μm 超寬光斑，適配軸類曲面測量

• 接口能力：RS485、模擬量（0-5V/4-20mA）、外部觸發

（二）系統搭建

1. 安裝布局

• 傳感器與轉軸中心距離調整為 30mm（測量中心距離），確保光斑垂直投射于軸表面。

• 采用 M5 內六角螺釘固定傳感器，通過安裝孔（2×Φ5.0mm）保證機械穩定性，如圖 1 所示。
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  圖 1 傳感器安裝尺寸示意圖

2. 電氣連接

• 電源：DC 9-36V，配置過流 / 反向保護。

• 數據傳輸：選用 RS485 接口（波特率可配置），連接至工業計算機，通過配套 C++ 開發包實現數據實時采集。

• 觸發控制：接入外部電平信號，實現采樣保持與單脈沖觸發同步。

四、測量方法步驟

（一）預校準

1. 零點標定：使用標準陶瓷樣件（反射率匹配軸表面），在靜止狀態下對傳感器進行歸零，消除初始偏移。

2. 線性度驗證：通過納米級激光干涉儀標定，確認傳感器線性度滿足 ±0.02% F.S. 指標。

（二）動態測量流程

1. 參數配置

• 工作模式：獨立主機模式，無需額外控制器。

• 響應時間：選擇 40μs（LTP030U 最高配置），匹配轉軸旋轉頻率。

• 采樣策略：啟用 160kHz 高頻采樣（全量程壓縮至 2mm），確保每個旋轉周期采集≥1000 個數據點。

2. 數據采集

• 電機通電后，傳感器持續投射超寬激光光斑至軸表面，反射光經透鏡聚焦至光敏元件，實時計算光斑位置偏移。

• 通過 RS485 接口以數據包形式傳輸原始位移數據（單位：μm），同步記錄時間戳。

3. 觸發與同步：利用電機轉軸鍵相器輸出的脈沖信號觸發采樣，確保每個旋轉周期起始點對齊，便于后續角度域分析。

五、算法方式

（一）三角法原理算法

• $d$：被測物體位移

• $b$：激光源與透鏡間距（基線距離）

• $f$：透鏡焦距

• $\theta$：激光束與透鏡光軸夾角

• $s$：光斑在光敏元件上的偏移量

（二）動態數據處理算法

1. 數字濾波：采用 5 點滑動平均濾波，抑制高頻噪聲（如環境振動干擾）。

2. 特征提取

• 峰谷值計算：每個旋轉周期內，提取位移最大值與最小值之差，表征徑向跳動幅度。

• 軸心軌跡重建：基于鍵相脈沖同步數據，將位移信號分解為角度域坐標（θ, r (θ)），繪制軸心軌跡圖，定位偏心方向。

3. 誤差補償：內置溫度漂移補償算法，根據環境溫度（0-50℃）實時修正測量值，補償系數為 0.03% F.S./℃。

六、測試結果與分析

（一）實驗條件

• 被測對象：某伺服電機轉軸，直徑 Φ20mm，額定轉速 3000rpm（周期 20ms）。

• 環境參數：溫度 25℃，濕度 50% RH，無顯著振動。

（二）測試結果

1. 同心度判定：通過連續 3 個周期的軸心軌跡分析，發現軌跡呈橢圓狀，判定為非同心旋轉。

2. 偏移量量化

• 三次重復測試峰谷值分別為：0.115mm、0.117mm、0.116mm，平均值 0.116mm，重復性誤差≤1.7%。

• 頻譜分析顯示，主振動頻率與轉速頻率一致（50Hz），確認偏移由機械偏心引起。

（三）誤差來源

• 系統誤差：線性度誤差 ±0.02%×10mm=±2μm，溫度漂移 0.03%×10mm×(25℃)=7.5μm，合計≤9.5μm。

• 隨機誤差：主要來自激光散斑噪聲，通過高頻采樣與數字濾波控制在 ±5μm 以內。

七、結論