CN103900481B - 基于偏振态检测的保偏平光纤耦合球微尺度传感器 - Google Patents

Abstract

基于偏振态检测的保偏平光纤耦合球微尺度传感器属于精密仪器制造及测量技术；该传感器包括激光器、半透半反棱镜、波片、探针、偏振态检测装置A、偏振态检测装置B、计算机，其中探针由平包层保偏光纤和耦合球组成，激光器、半透半反棱镜、波片、探针依次排列，所述激光器出射光分别经半透半反棱镜反射、透射，反射光进入偏振态检测装置A，透射光进入探针并经过耦合球实现光束反向传输由探针出射，出射光再次经过波片并由半透半反棱镜反射进入偏振态检测装置B，当偏振态检测装置B检测到的偏振态相对于偏振态检测装置A检测到的偏振态的差值发生变化时，即可判断探针与被测孔发生触测；本传感器精度高、速度快。

Description

基于偏振态检测的保偏平光纤耦合球微尺度传感器

技术领域

本发明属于精密仪器制造及测量技术，主要涉及一种基于偏振态检测的保偏平光纤耦合球微尺度传感器。

背景技术

随着航空航天工业、汽车工业、电子工业以及尖端工业等的不断发展，对于精密微小构件的需求急剧增长。由于受到空间尺度和待测微小构件遮蔽效应的限制以及测量接触力的影响，微小构件尺度的精密测量变得难以实现，尤其是测量微小内腔构件的深度难以提高，这些已然成为制约行业发展的“瓶颈”。为了实现更小尺寸测量、增加测量深度，最广泛使用的办法就是使用细长的探针深入微小构件的内腔进行探测，通过瞄准发讯的方式测量不同深度上的微小内尺寸。因此，目前微小构件尺寸的精密测量主要以坐标测量机结合具有纤细探针的瞄准发讯式探测系统为主，由于坐标测量机技术的发展已经比较成熟，可以提供精密的三维空间运动，因此瞄准触发式探针的探测方式成为微小构件尺寸探测系统设计的关键。

目前，微小构件尺寸测量的主要手段包括以下几种方法：

1.中国哈尔滨工业大学谭久彬教授和崔继文教授等人提出一种基于双光纤耦合的探针结构，把两根光纤通过末端熔接球连通，熔接球作为测头，一根较长光纤引入光线，另外一根较短导出光线，克服了微光珠散射法测量深度的局限，可以实现对直径不小于0.01mm、深径比不大于15∶1的微深孔测量时的精确瞄准。这种方法虽然在一定程度上克服了遮蔽效应，但耦合球实现的反向传输的光能量十分有限，测量深度难以进一步提升。

2.美国国家标准技术研究院使用了单光纤测杆结合微光珠的探针，通过光学设计在二维方向上将光纤测杆成像放大35倍左右，用2个面阵CCD分辨接收二维方向上光纤测杆所成的像，然后对接收到的图像进行轮廓检测，从而监测光纤测杆的在测量过程中的微小移动，进而实现触发式测量，该探测系统的理论分辨力可以达到4nm，探测系统的探针直径为Φ75μm，实验中测量了Φ129μm的孔径，其扩展不确定度概率值达到了70nm(k=2)，测量力为μN量级。这种方法探测分辨力高，测量精度高，使用的测头易于小型化，可以测量较大深径比的微孔。但在方法中探测光纤测杆的二维触测位移必须使用两套成像系统，导致系统结构比较复杂，测量数据计算量比较大，这些因素导致探测系统的实时性较差，系统构成比较复杂。

3.瑞士联合计量办公室研发了一个新型的坐标测量机致力于小结构件纳米精度的可追迹的测量。该测量机采用了基于并联运动学原理的弯曲铰链结构的新型接触式探针，该设计可以减小移动质量并且确保全方向的低硬度，是一个具有三维空间结构探测能力的探针。这一传感结构的测量力低于0.5mN，同时支持可更换的探针，探针直径最小到Φ100μm。探测系统结合了一个由Philips CFT开发的高位置精度的平台，平台的位置精度为20nm。该测量系统测量重复性的标准偏差达到5nm，测量结果的不确定度为50nm。该种方法结构设计复杂，同时要求测杆具有较高的刚度和硬度，否则难以实现有效的触测位移传感，这使得测杆结构难以进一步小型化，测量的深径比同时受到制约，探测系统的分辨力难以进一步提高。

4.中国哈尔滨工业大学崔继文教授和杨福玲等人提出了一种基于FBG Bending的微孔尺寸测量装置及方法，该方法利用光纤光栅加工的探针和相应的光源、检测装置作为瞄准触发系统，配合双频激光干涉仪测长装置，可以获得不同截面的微孔尺度。该方法的微尺度传感器在触测变形时，探针的主要应力不作用于光纤光栅上，系统的分辨率很低，难以进一步提高。

综上所述，目前微小尺寸和坐标探测方法中，由于光纤制作的探针具有探针尺寸小、测量接触力小、测量的深径比大、测量精度高的特点而获得了广泛关注，利用其特有的光学特性和机械特性通过多种方式实现了一定深度上的微小尺寸的精密测量。现存测量手段主要存在的问题有：

1.探测系统的触测位移分辨力难以进一步提高。现存的探测系统的初级放大率较低，导致了其整体放大率较低，难以实现其触测位移分辨力的进一步提高。基于FBG Bending的微孔尺寸测量方法的光纤光栅探针不能将主要的微触测位移作用结果施加在光纤光栅上，进而转化为光谱信息的传感信号微弱，系统的分辨力很低。

2.探测系统实时性差，难以实现精密的在线测量。美国国家标准技术研究院采用的探测方法必须使用两路面阵CCD接收信号图像，必须使用较复杂的图像算法才能实现对光纤测杆触测位移的高分辨力监测，这导致测量系统需要处理的数据量大大增加，降低了探测系统的实时性能，难以实现微小内腔尺寸和二维坐标测量过程中瞄准发讯与启、止测量的同步性。

发明内容

为了克服上述已有技术的不足，以满足微小内腔尺、高精度、大深径比和快速测量的需求，本发明提出了一种可深入微深腔体内部将平包层保偏光纤耦合球与内腔体侧壁触测位置信息转化为光束偏振态信息的基于偏振态检测的保偏平光纤耦合球微尺度传感器。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于偏振态检测的保偏平光纤耦合球微尺度传感器，所述传感器包括激光器、半透半反棱镜、波片、探针、偏振态检测装置A、偏振态检测装置B、计算机，所述的探针由光纤和耦合球组成，所述光纤是平包层保偏光纤，光纤由平包层和纤芯构成，光纤的一端与耦合球固定连接，耦合球作为探针的触点；激光器、半透半反棱镜、波片、探针依次排列，其中激光器的出射光经半透半反棱镜透射的光束光轴与光纤的光轴重合，所述偏振态检测装置A位于激光器的出射光经半透半反棱镜反射后的反射光路光轴A上，偏振态检测装置B位于探针的出射光经半透半反棱镜反射后的反射光路光轴B上，通过数据线分别将偏振态检测装置A和偏振态检测装置B与计算机相连，探针置于被测孔内；以所述偏振态检测装置A检测到的光束的偏振态作为参考信号，以所述偏振态检测装置B检测到的光束的偏振态作为检测信号，当检测信号的偏振态相对于参考信号的偏振态的差值发生变化时，探针与被测孔发生触测。

本发明具有以下特点及良好效果：

1.传感器的探针对沿平包层保偏光纤截面长边方向的作用力敏感，即y方向作用力对出射光的偏振态有影响，因此可以实现二维空间位置信号的探测。

2.光学探测信号在光纤内部传输，不受微孔内壁的影响，测量最大深径比可达50∶1，满足大深径比微孔测量要求。

3.通过检测出射光偏振态的变化判断触测信号，精度高，处理速度快，满足工业需求。

4.该传感器中引入参考偏振光，可以消除环境因素对判断触测信号的影响，大大提高了传感器对环境的适应能力，可适用于工业现场测量。

附图说明

图1为基于偏振态检测的保偏平光纤耦合球微尺度传感器总体结构示意图；

图2是图1中A-A的剖面图。

图中：1、激光器，2、半透半反棱镜，3、波片，4、探针，5、光纤，6、耦合球，7、被测孔，8、偏振态检测装置A，9、偏振态检测装置B，10a、反射光路光轴，10b、反射光路光轴，11、计算机，12、平包层，13、纤芯。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

一种基于偏振态检测的保偏平光纤耦合球微尺度传感器，所述传感器包括激光器1、半透半反棱镜2、波片3、探针4、偏振态检测装置A8、偏振态检测装置B9、计算机11，所述的探针4由光纤5和耦合球6组成，所述光纤5是平包层保偏光纤，光纤5由平包层12和纤芯13构成，光纤5的一端与耦合球6固定连接，耦合球6作为探针4的触点；激光器1、半透半反棱镜2、波片3、探针4依次排列，其中激光器1的出射光经半透半反棱镜2透射的光束光轴与光纤5的光轴重合，所述偏振态检测装置A8位于激光器1的出射光经半透半反棱镜2反射后的反射光路光轴A10a上，偏振态检测装置B9位于探针4的出射光经半透半反棱镜2反射后的反射光路光轴B10b上，通过数据线分别将偏振态检测装置A8和偏振态检测装置B9与计算机11相连，探针4置于被测孔7内；以所述偏振态检测装置A8检测到的光束的偏振态作为参考信号，以所述偏振态检测装置B9检测到的光束的偏振态作为检测信号，当检测信号的偏振态相对于参考信号的偏振态的差值发生变化时，探针4与7发生触测。

本发明的工作过程如下：

激光器1发出S光作为入射光，一部分S光经过半透半反棱镜2反射进入偏振态检测装置A8，其偏振态作为参考偏振态，另一部分S光透过半透半反棱镜2，再通过波片3进入单光纤4，经过耦合球6实现光线的反向传输并由探针4出射，出射光再次经过波片3并由半透半反棱镜2反射进入偏振态检测装置B9。由于两次经过波片3，理论上反射的偏振光的偏振态将变成为P光。在探针4受y方向作用力发生触测变形时，将破坏保偏光纤的偏振保持特性，光纤中传输的光信号的偏振态会随形变量的大小而向其他偏振态转换，偏振态检测装置B9所接收到光束的偏振态发生变化，即该光束的偏振态相对于偏振态检测装置A8检测到的参考偏振态的差值发生变化，将该变化作为测量信号，用于移动装置或实现测量装置测长。

Claims (1)

1.一种基于偏振态检测的保偏平光纤耦合球微尺度传感器，其特征在于：所述传感器包括激光器(1)、半透半反棱镜(2)、波片(3)、探针(4)、偏振态检测装置A(8)、偏振态检测装置B(9)、计算机(11)，所述的探针(4)由光纤(5)和耦合球(6)组成，所述光纤(5)是平包层保偏光纤，光纤(5)由平包层(12)和纤芯(13)构成，光纤(5)的一端与耦合球(6)固定连接，耦合球(6)作为探针(4)的触点；激光器(1)、半透半反棱镜(2)、波片(3)、探针(4)依次排列，其中激光器(1)的出射光经半透半反棱镜(2)透射的光束光轴与光纤(5)的光轴重合，所述偏振态检测装置A(8)位于激光器(1)的出射光经半透半反棱镜(2)反射后的反射光路光轴A(10a)上，偏振态检测装置B(9)位于探针(4)的出射光经半透半反棱镜(2)反射后的反射光路光轴B(10b)上，通过数据线分别将偏振态检测装置A(8)和偏振态检测装置B(9)与计算机(11)相连，探针(4)置于被测孔(7)内；以所述偏振态检测装置A(8)检测到的光束的偏振态作为参考信号，以所述偏振态检测装置B(9)检测到的光束的偏振态作为检测信号，当检测信号的偏振态相对于参考信号的偏振态的差值发生变化时，探针(4)与被测孔(7)发生触测。