基于泓川科技宽光斑激光位移传感器的锂电池电极厚度精密测量技术

无锡泓川科技 20250514

一、引言

在锂电池生产中，电极厚度是影响电池性能的关键参数。基片涂覆活性物质后形成的粗糙表面，使用传统点光斑传感器测量时易受表面微观形貌影响，导致数据波动大、测量精度不足。本文针对这一问题，提出采用两台 LTP030U 宽光斑激光位移传感器对射测量方案，结合其独特的光学设计与高精度特性，实现锂电池电极厚度的稳定精确测量。

二、应用挑战与传感器选型依据

（一）测量难点分析

锂电池电极基片涂粉后，表面粗糙度可达数微米至数十微米，传统点光斑传感器（光斑直径≤50μm）仅能捕捉单点反射信号，易受表面凹坑、颗粒分布不均等因素干扰，导致测量值出现 ±10μm 以上的波动，无法满足 2-3μm 的精度要求。此外，生产线上的振动、温度变化（0-50℃）及高速运动（需响应时间≤50μs）进一步加剧了测量难度。

（二）LTP030U 传感器技术优势

宽光斑光学设计
LTP030U 采用超宽光斑（35×1100μm），横向覆盖范围达 1.1mm，单次测量可采集数千个微观表面点的综合反射信号，通过统计平均效应有效抑制局部粗糙度干扰，相比点光斑传感器（如 LTP030 聚焦光斑 Φ35μm），信号稳定性提升 80% 以上。
亚微米级精度保障
传感器静态重复精度达 0.15μm（测量标准陶瓷样件，均方根偏差），线性度 ±0.02% F.S.（F.S.=10mm），温度漂移仅 0.03% F.S./℃，配合对射测量架构，可抵消共模误差（如温度引起的机械形变），满足高精度厚度测量需求。
工业级适应性
支持 DC 9-36V 宽电压输入、IP67 防护等级，抗 55Hz 振动（X/Y/Z 方向 2 小时），适应产线复杂环境；提供 RS485/TCP/IP 接口及 50kHz 全量程采样频率，兼容高速数据采集与实时控制。

三、对射测量原理与系统架构

（一）测量原理

采用 “双传感器对射式” 架构（如图 1 所示）：两台 LTP030U 分别垂直安装于电极两侧，发射超宽激光束覆盖被测区域（宽度≥1mm）。上传感器测量上表面至探头的距离D1，下传感器测量下表面至探头的距离D2，电极厚度T由公式计算：

其中L为两台传感器的固定安装间距（参考距离），通过精密机械结构（如大理石基座）确保L的稳定性（误差≤±1μm）。

（二）硬件设计要点

光路校准

利用配套测控软件进行光斑对齐，确保上下光斑中心偏差＜50μm，覆盖区域重合度＞90%。
安装孔采用 M5 内六角螺钉固定（建议公差 ±0.02mm），配合角度调节支架（精度 ±0.1°），保证激光束与被测表面垂直（偏差＜1°）。

环境补偿

集成温度传感器实时监测环境温度，通过软件补偿公式修正温度漂移：
对振动敏感场景，增加阻尼减振装置，将振动幅值控制在≤0.5mm（55Hz）。

四、信号处理与精度优化策略

（一）抗干扰算法

滑动平均滤波
对原始信号进行 16 点滑动平均（采样频率 50kHz 时，等效响应时间 320μs），滤除高频噪声（如粉尘颗粒瞬时遮挡），使数据波动≤±0.3μm（RMS）。
动态阈值判别
设定光斑能量阈值（如初始值的 80%），当信号能量低于阈值时（提示表面污染或遮挡），触发激光关闭与自动校准功能，避免异常数据干扰。

（二）标定与校准流程

基准片标定
使用厚度已知的标准片（精度 ±1μm）进行两点校准：

空载状态（无被测物）校准参考距离L；
放置标准片校准厚度值，修正传感器线性误差。

实时漂移补偿
每 10 分钟自动采集空气数据（无被测物时的D1、D2），计算零点漂移并修正，确保长期测量精度稳定。

五、实际应用效果

在某锂电池生产线实测中，针对粗糙度 Ra=5μm 的涂粉电极（基片厚度 80μm，涂层厚度 120±5μm），采用 LTP030U 宽光斑方案对比传统点光斑传感器：

数据波动
：点光斑方案波动 ±8.2μm（RMS），宽光斑方案降至 ±1.5μm（RMS），满足 2-3μm 精度要求；
测量效率
：支持 160kHz 高频采样（量程缩小至 20% 时），适应生产线速度≤30m/min；
长期稳定性
：8 小时连续测量漂移≤±2μm，优于行业同类方案（±5μm）。

六、结论

LTP030U 宽光斑激光位移传感器通过扩大光斑覆盖面积、优化信号处理算法及对射测量架构，有效解决了锂电池电极粗糙表面的厚度测量难题，其亚微米级精度、强抗干扰能力及工业级适应性，为高端电池制造提供了可靠的在线检测方案。未来可进一步结合机器视觉技术，实现电极表面缺陷与厚度的多参数融合检测，推动锂电池生产智能化升级。

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