基于五芯光纖光柵的三維微尺度測量裝置及方法
【專利摘要】基于五芯光纖光柵的三維微尺度測量裝置及方法屬于精密儀器制造及測量【技術領域】；所述裝置包括寬頻光源、光譜分析儀、光環形器、控制計算機、多路光開關和外部參考光柵，五根單模光纖分別將多路光開關與五芯光纖扇出器連通，五芯光纖的一端連接在五芯光纖扇出器上，在五芯光纖的另一端部上通過探針夾持器固裝五芯光纖光柵探針，所述五芯光纖與五芯光纖光柵探針連接形成通路；所述方法是控制計算機控制多路光開關切換光路，使用光譜分析儀分別測量光纖光柵的反射光譜，并利用差分數據處理算法，實現無溫度耦合的三維微尺度測量。本發明具有精度高、接觸力小、不受遮蔽效應影響、探針使用壽命長的特點。
【專利說明】基于五芯光纖光柵的三維微尺度測量裝置及方法【技術領域】
[0001]本發明屬于精密儀器制造及測量【技術領域】，特別涉及一種基于五芯光纖光柵的三維微尺度測量裝置及方法。
【背景技術】
[0002]隨著航空航天工業、汽車工業、電子工業以及尖端工業等的不斷發展，對于精密微小構件的需求急劇增長。由于受到空間尺度和待測微小構件遮蔽效應的限制以及測量接觸力的影響，微小構件尺度的精密測量變得難以實現，尤其是測量微小內腔構件的深度難以提高，這些已然成為制約行業發展的“瓶頸”。為了實現更小尺寸測量、增加測量深度，最廣泛使用的辦法就是使用細長的探針深入微小構件的內腔進行探測，通過瞄準發訊的方式測量不同深度上的微小內尺寸。因此，目前微小構件尺寸的精密測量主要以坐標測量機結合具有纖細探針的瞄準發訊式探測系統為主，由于坐標測量機技術的發展已經比較成熟，可以提供精密的三維空間運動，因此瞄準觸發式探針的探測方式成為微小構件尺寸探測系統設計的關鍵。
[0003]目前，微小構件尺寸測量的主要手段包括以下幾種方法:
[0004]1.中國哈爾濱工業大學譚久彬教授和崔繼文教授等人提出一種基于雙光纖耦合的探針結構，把兩根光纖通過末端熔接球連通，熔接球作為測頭，一根較長光纖引入光線，另外一根較短導出光線，克服了微光珠散射法測量深度的局限，可以實現對直徑不小于
0.01mm、深徑比不大于15:1的微深孔測量時的精確瞄準。這種方法雖然在一定程度上克服了遮蔽效應，但耦合球實現的反向傳輸的光能量十分有限，測量深度難以進一步提升。
[0005]2.美國國家標準技術研究院使用了單光纖測桿結合微光珠的探針，通過光學設計在二維方向上將光纖測桿成像放大35倍左右，用2個面陣CCD分辨接收二維方向上光纖測桿所成的像，然后對接收到的圖像進行輪廓檢測，從而監測光纖測桿的在測量過程中的微小移動，進而實現觸發式測量，該探測系統的理論分辨力可以達到4nm，探測系統的探針直徑為Φ75μm，實驗中測量了 Φ 129 μ m的孔徑，其擴展不確定度概率值達到了 70nm(k =2)，測量力為μ N量級。這種方法探測分辨力高，測量精度高，使用的測頭易于小型化，可以測量較大深徑比的微孔。但該方法探測光纖測桿的二維觸測位移必須使用兩套成像系統，導致系統結構比較復雜，測量數據計算量比較大，這些因素導致探測系統的實時性較差，系統構成比較復雜。
[0006]3.瑞士聯合計量辦公室研發了一個新型的坐標測量機致力于小結構件納米精度的可追跡的測量。該測量機采用了基于并聯運動學原理的彎曲鉸鏈結構的新型接觸式探針，該設計可以減小移動質量并且確保全方向的低硬度，是一個具有三維空間結構探測能力的探針。這一傳感結構的測量力低于0.5mN，同時支持可更換的探針，探針直徑最小到Φ IOOym0探測系統結合了一個由Philips CFT開發的高位置精度的平臺，平臺的位置精度為20nm。該測量系統測量重復性的標準偏差達到5nm，測量結果的不確定度為50nm。該種方法結構設計復雜，同時要求測桿具有較高的剛度和硬度，否則難以實現有效的觸測位移傳感，這使得測桿結構難以進一步小型化，測量的深徑比同時受到制約，探測系統的分辨力難以進一步提聞。
[0007]4.中國哈爾濱工業大學崔繼文教授和楊福鈴等人提出了一種基于FBG Bending的微孔尺寸測量裝置及方法，該方法利用光纖光柵加工的探針和相應的光源、檢測裝置作為瞄準觸發系統，配合雙頻激光干涉儀測長裝置，可以獲得不同截面的微孔尺度。該方法的微尺度傳感器在觸測變形時，探針的主要應力不作用于光纖光柵上，系統的分辨率很低，難以進一步提聞。
[0008]綜上所述，目前微小尺寸和坐標探測方法中，由于光纖制作的探針具有探針尺寸小、測量接觸力小、測量的深徑比大、測量精度高的特點而獲得了廣泛關注，利用其特有的光學特性和機械特性通過多種方式實現了一定深度上的微小尺寸的精密測量。現存測量手段主要存在的問題有:
[0009]1.探測系統的觸測位移分辨力難以進一步提高。現存的探測系統的初級放大率較低，導致了其整體放大率較低，難以實現其觸測位移分辨力的進一步提高。基于FBGBending的微孔尺寸測量方法的光纖光柵探針不能將主要的微觸測位移作用結果施加在光纖光柵上，進而轉化為光譜信息的傳感信號微弱，系統的分辨力很低。
[0010]2.探測系統實時性差，難以實現精密的在線測量。美國國家標準技術研究院采用的探測方法必須使用兩路面陣CCD接收信號圖像，必須使用較復雜的圖像算法才能實現對光纖測桿觸測位移的高分辨力監測，這導致測量系統需要處理的數據量大大增加，降低了探測系統的實時性能，難以實現微小內腔尺寸和二維坐標測量過程中瞄準發訊與啟、止測量的同步性。
[0011]3.存在二維徑向觸測位移的耦合。基于FBGBending的微孔尺寸測量方法的探針具有各向性能一致，在徑向二維觸測位移傳感時存在耦合，而且無法分離，導致二維測量存在很大誤差，無法實現徑向二維觸測位移的準確測量。
[0012]4.不具備徑向和軸向探測的解耦能力。以上提到的探測方法或不具備軸向探測能力或不具備徑向和軸向探測的解耦能力，在進行微尺度測量時，測量步驟復雜、測量效率低。
【發明內容】
[0013]本發明的目的是克服現有技術中微小構件尺寸測量方法分辨力低、被測維度單一的弊端，提供一種適用于微小構件三維微尺度測量的裝置及方法，五芯光纖光柵探針在端部受觸測位移作用后，應力導致光纖光柵的參數發生改變，進而其反射光譜中心波長發生相應改變，采用多路光開關來切換測量光纖光柵的通道，以獲得相應反射光譜中心波長信息然后對其作差分數據處理，降低了溫度波動對測量結果的影響，大大提高了該裝置對環境的適應能力，從而實現一種全新的溫度無耦合三維微尺度測量。
[0014]本發明的技術方案是:一種基于五芯光纖光柵的三維微尺度測量裝置，包括寬頻光源、光譜分析儀、光環型器、控制計算機、多路光開關和外部參考光柵，所述寬頻光源和光譜分析儀分別與光環型器連接，光環形器與多路光開關、多路光開關與控制計算機、控制計算機與光譜分析儀、多路光開關與外部參考光柵連接形成通路，五根單模光纖分別將多路光開關與五芯光纖扇出器連通，五芯光纖的端連接在五芯光纖扇出器上，在五芯光纖的另一端部上通過探針夾持器固裝五芯光纖光柵探針，所述的五芯光纖與五芯光纖光柵探針連接形成通路。
[0015]一種基于五芯光纖光柵的三維微尺度測量方法如下:測量過程中，多路光開關在控制計算機的控制下切換不同的光路，使用光譜分析儀分別測量五芯光纖光柵探針內部的五根光纖光柵和外部參考光柵的反射光譜，數據處理中，對五芯光纖光柵探針中心外正交的兩組光纖光柵反射光譜中心波長做差分數據處理，可以解耦二維徑向觸測位移和溫漂，對五芯光纖光柵探針中心的光纖光柵和外部參考光柵反射光譜中心波長做差分數據處理，可以獲得無徑向觸測位移和溫漂耦合的軸向觸測位移，實現無溫度耦合的三維微尺度測量。
[0016]本發明的優點是:
[0017]1.基于五芯光纖光柵的三維微尺度測量裝置及方法具有精度高、接觸力小、不損傷被測構件表面、探針使用壽命長的特點。
[0018]2.光學探測信號僅在光纖光柵內部傳輸，將空間中的接觸轉化為反射光譜中心波長的變化，測量微尺度構件時不受構件遮蔽效應的影響，測量深徑比可達100:1，滿足了大深徑比微結構微尺度測量要求。
[0019]3.基于五芯光纖光柵的三維微尺度測量方法,使五芯光纖光柵探針具有二維徑向無耦合傳感能力，探針中心外正交的兩組光纖光柵可以分別測量該方向的觸測位移，實現了徑向正交觸測解耦。
[0020]4.基于五芯光纖光柵的三維微尺度測量方法可以同時實現徑向和軸向的無I禹合測量，使微尺度測量的步驟得到簡化，提高了微尺度測量的效率。
[0021]5.在探針內部設計了互為參考的差分補償系統，結合基于五芯光纖光柵的三維微尺度測量方法，消除了環境溫度變化對測量的影響，大大提高了傳感器對環境的適應能力，可以深入到傳統測量工具無法正常工作的空間和環境來進行精密測量，如狹小的半封閉空間及易燃易爆環境等，也適用于工業現場測量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是基于五芯光纖光柵的三維微尺度測量裝置結構示意圖；
[0023]圖2是圖1中A-A剖面圖；
[0024]圖3是圖1中五芯光纖光柵探針剖面放大圖；
[0025]圖中:1.寬頻光源，2.光譜分析儀，3.光環形器，4.控制計算機，5.多路光開關，
6.單模光纖，7.外部參考光柵,8.五芯光纖扇出器,9.五芯光纖，10.探針夾持器，11.五芯光纖光柵探針。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對本發明【具體實施方式】作進一步詳細描述:
[0027]—種基于五芯光纖光柵的三維微尺度測量裝置，包括寬頻光源1、光譜分析儀2、光環型器3、控制計算機4、多路光開關5和外部參考光柵7，所述寬頻光源I和光譜分析儀2分別與光環型器3連接，光環形器3與多路光開關5、多路光開關5與控制計算機4、控制計算機4與光譜分析儀2、多路光開關5與外部參考光柵7連接形成通路，五根單模光纖6分別將多路光開關5與五芯光纖扇出器8連通,五芯光纖9的一端連接在五芯光纖扇出器8上，在五芯光纖9的另一端部上通過探針夾持器10固裝五芯光纖光柵探針11，所述的五芯光纖9與五芯光纖光柵探針11連接形成通路。
[0028]一種基于五芯光纖光柵的三維微尺度測量方法如下:測量過程中，多路光開關5在控制計算機4的控制下切換不同的光路，使用光譜分析儀2分別測量五芯光纖光柵探針11內部的五根光纖光柵和外部參考光柵7的反射光譜，數據處理中，對五芯光纖光柵探針11中心外正交的兩組光纖光柵反射光譜中心波長做差分數據處理，可以解耦二維徑向觸測位移和溫漂，對五芯光纖光柵探針11中心的光纖光柵和外部參考光柵7反射光譜中心波長做差分數據處理，可以獲得無徑向觸測位移和溫漂耦合的軸向觸測位移，實現無溫度耦合的三維微尺度測量。
[0029]本發明的工作過程如下:
[0030]寬頻光源I產生的寬頻光，經過光環形器3進入多路光開關5，多路光開關5在控制計算機4的控制下，光譜分析儀2分別測量五芯光纖光柵探針11中五根光纖光柵和外部參考光柵7的反射光譜中心波長。當五芯光纖光柵探針11與待測構件發生觸測，五芯光纖光柵探針11內光纖光柵的反射光譜中心波長將會發生改變。五芯光纖光柵探針11中心外的四根光纖光柵，可以按所處的兩條正交的對角線分成兩組，任意一個徑向觸測位移可以分解成沿著正交對角線的兩個觸測位移分量，對兩組對角的光纖光柵的反射光譜中心波長分別作差分數據處理，可以獲得兩組對角方向上的觸測位移，并利用上述兩組對角方向的觸測位移合成實際的徑向觸測位移，實現無溫度耦合的徑向觸測位移測量；對五芯光纖光柵探針11中心的光纖光柵與外部參考光柵7的反射光譜中心波長作差分數據處理，可以獲得無徑向觸測位移和溫漂耦合的軸向觸測位移。
[0031]綜合徑向和軸向觸測位移信息，最終實現待測構件的三維微尺度測量。
【權利要求】
1.一種基于五芯光纖光柵的三維微尺度測量裝置，包括寬頻光源(I)、光譜分析儀(2)、光環型器(3)、控制計算機(4)、多路光開關(5)和外部參考光柵(7)，所述寬頻光源(I)和光譜分析儀(2)分別與光環型器(3)連接，光環形器(3)與多路光開關(5)、多路光開關(5)與控制計算機(4)、控制計算機(4)與光譜分析儀(2)、多路光開關(5)與外部參考光柵(7)連接形成通路，其特征在于五根單模光纖(6)分別將多路光開關(5)與五芯光纖扇出器(8)連通,五芯光纖(9)的一端連接在五芯光纖扇出器(8)上,在五芯光纖(9)的另一端部上通過探針夾持器(10)固裝五芯光纖光柵探針(11)，所述的五芯光纖(9)與五芯光纖光柵探針(11)連接形成通路。
2.一種基于五芯光纖光柵的三維微尺度測量方法，其特征在于測量過程中，多路光開關(5)在控制計算機(4)的控制下切換不同的光路，使用光譜分析儀(2)分別測量五芯光纖光柵探針(11)內部的五根光纖光柵和外部參考光柵(7)的反射光譜，數據處理中，對五芯光纖光柵探針(11)中心外正交的兩組光纖光柵反射光譜中心波長做差分數據處理，可以解耦二維徑向觸測位移和溫漂，對五芯光纖光柵探針(11)中心的光纖光柵和外部參考光柵(7)反射光譜中心波長做差分數據處理，可以獲得無徑向觸測位移和溫漂耦合的軸向觸測位移，實現無溫度耦合的三維微尺度測量。
【文檔編號】G01B11/02GK103759653SQ201410030740
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月17日 優先權日:2014年1月17日
【發明者】崔繼文, 馮昆鵬, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
