CN101424522A - 光纤布拉格光栅fbg三维测头 - Google Patents

Abstract

光纤布拉格光栅FBG三维测头，其特征是采用具有端部测球的测杆，测杆以顶端固联在支架的中心，测杆与支架呈“T”形设置，支架是在同一平面上120°均匀分布的三根叉杆，构成柔性支撑系统的三根悬丝一端固定连接在所述支架的中心，另一端以120°的间隔固定连接在处在支架外周的支撑圈上，支架和支撑圈处在同一水平面上，光纤布拉格光栅FBG的一端固定连接在支架的叉杆端部，另一端固定连接在处在所述支架的正上方的水平固定架上。本发明利用均布悬丝的柔性支撑系统阻力小、对称性好，FBG的灵敏度高、质量轻，测针细等优点，提供了一种具有各向同性好、分辨力高、触发力小、畸变误差小的三维测头。

Description

光纤布拉格光栅FBG三维测头

技术领域

本发明涉及三维测头，更具体地说是一种应用于复杂形状测量机中的触发式测头。

背景技术

触发式测头是三维测头中应用最为广泛的测头，最早的触发测头是由英国Renishaw公司研制。触发测头的测量原理是：当测头测端与被测工件接触时，测头发出采样脉冲信号，并通过测量机的定位系统锁存此时测端球心的坐标值，以此来确定测端与被测工件接触点的坐标。已有的触发式测头采用弹簧力作用的机械结构，当测杆和工件接触产生的接触力可以抵消弹簧力时，触发机构的机械触点脱离接触，从而发出触发信号。由于采用不对称的结构，这种结构形式的测头在各方向的测量力不一样(各向异性)；由于采用弹簧力作用，使测头需要较大的触发力，给测杆带来很大的变形误差；由于传感系统采用机械触点式，分辨力低，因而大大限制了测头分辨力进一步提高。

一种基于“免形状测量原理”的复杂形状测量机，主要用于对复杂形状零件(如齿轮)的测量。测球直径不能太大，否则会带来很大的“畸变”误差；在一次测量中要从各个方向接触工件，所以对测头的各向灵敏度一致性要求很高；复杂形状测量机也用于测量细孔、槽类零件，因此测头的测杆不能太粗；而很细的测杆刚度小，因此测量力不能太大；为了达到高的测量精度，必须提高测头的分辨力。但是，针对这些要求，目前没有能满足的测头。

光纤布拉格光栅FBG是一种新型的传感元件。它具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、结构简单、尺寸小等特点。它的传感原理为宽带光源射入FBG时，符合FBG中心波长的光被反射回来，而其他波长的光透射过去。FBG的中心波长是由FBG的周期和折射率决定的，FBG的轴向应变能改变它的周期。因此，当FBG受到轴向应变时，它的中心波长发生变化，用相应的探测设备，能够分辨出这个变化。目前，FBG的应用在其他领域中已经广泛，如对大桥、大坝的健康以及航天设备的检测，但是，迄今为止，光纤布拉格光栅FBG还没有在三维测头中进行应用。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，利用均布悬丝柔性支撑系统的阻力小、对称性好，FBG的灵敏度高、质量轻，测针细等优点，提供一种具有各向同性好、分辨力高、触发力小、畸变误差小的光纤布拉格光栅FBG三维测头。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明光纤布拉格光栅FBG三维测头的结构特点是采用具有端部测球的测杆，测杆以顶端固联在支架的中心，测杆与支架呈“T”形设置，支架是在同一平面上120°均匀分布的三根叉杆，构成柔性支撑系统的三根悬丝一端固定连接在支架的中心，另一端以120°的间隔固定连接在处在支架外周的支撑圈上，支架和支撑圈处在同一水平面上，光纤布拉格光栅FBG的一端固定连接在所述支架的叉杆端部，另一端固定连接在处在支架的正上方的水平固定架上。

参照图2(a)，激光从宽带光源11出射，经过2×3耦合器12进入到三根传感FBG13中，从传感FBG13反射回来的光经过2×3耦合器12后，经过另一个2×2耦合器14进入匹配FBG15，从匹配FBG反射回来的光经过2×2耦合器14后进入探测器16，探测器结果由处理系统17进行处理。

参照图2(b)，当传感FBG和匹配FBG均未发生应变时，它们的中心波长一致，因此，探测器接收到的光强最强为E₁，当传感FBG发生应变，并且中心波长变化Δλ时，由于匹配FBG没有发生变化，所以，探测器接收到的光强为E₂，并且E₁>E₂。

测量原理：

FBG波长λ_B取决于光栅周期Λ和纤芯有效折射率n_eff。

λ_B＝2n_effΛ

应力引起FBG中心波长漂移可由下式描述：

Δλ_B＝2n_effΔΛ+2Δn_effΛ

式中ΔΛ为光纤本身在应力作用下的弹性形变

Δn_eff—光纤的弹光效应引起的有效折射率的变化

当光纤布拉格光栅FBG受到轴向应变时，中心波长将发生变化，中心波长的变化导致探测器接收到的能量变化，根据探测器的输出结果，系统作出是否发讯的判断。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明中采用光纤布拉格光栅FBG作为传感元件，对轴向应变灵敏度高，可以从根本上提高测头的分辨力；

2、本发明中具有端部测球的测杆为细杆件，直径仅为0.5mm，能有效的减小测球带来的“畸变”误差，并满足细孔和槽零件的测量；

3、本发明因采用均布的悬丝支撑系统，结构具有的力学对称性，各向同性精度得到提高；

4、本发明中柔性支撑系统阻力小，因而减小了测头的触发力，减小因测杆和支架变形带来的误差；采用的柔性支撑系统质量轻，测头动态响应好。

附图说明

图1为本发明测头结构原理图。

图2a为本发明测头传感系统简图；图2b为本发明传感原理简图。

图3a为本发明X、Y向测量过程示意图；图3b为本发明Z向测量过程示意图。

图4为本发明整体结构图。

图5a为本发明测力实验示意图；图5b为本发明测力实验结果示意图。

图6本发明测头分辨力实验结果图。

图7a本发明测头结构重复性示意图；图7b为本发明测头传感系统重复性实验结果示意图。

以下通过具体实施方式，结合附图对本发明作进一步说明。

图中标号：1测杆、2支撑圈、3三根悬丝、4水平支架、5光纤布拉格光栅FBG、6固定架、7外壳、8连杆、9限位机构、10限位螺钉、11宽带光源、12为2×3耦合器、13传感FBG、14为2×2耦合器、15匹配FBG、16探测器、17处理系统、18被测工件、22圆柱体、23细线、24砝码、25激光器、26反射镜、27光路。

具体实施方式

参见图1、图4，采用具有端部测球的测杆1，测杆1以顶端固联在支架4的中心，测杆1与支架4呈“T”形设置，支架4是在同一平面上120°均匀分布的三根叉杆，构成柔性支撑系统的三根悬丝3一端固定连接在支架4的中心，另一端以120°的间隔固定连接在处在支架4外周的支撑圈2上，支架4和支撑圈2处在同—水平面上，光纤布拉格光栅FBG5的一端固定连接在支架4的叉杆端部，另一端固定连接在处在支架4的正上方的水平固定架6上。

如图4所示，具体实施中，支撑圈2通过螺钉和固定架6连接，固定架6通过螺钉和外壳7连接，外壳7通过螺钉和连杆8连接，连杆8和测量机连接。支架4的偏摆范围由限位机构9限止，限位机构9为“口型”组合件，限位功能通过调整螺钉10调整，限位机构通过螺钉和支撑圈2连接。测杆顶端测球直径为0.5mm，测杆长度为25mm。

支架4和悬丝3组成的柔性支撑是测头结构的关键，它保障测头系统稳定性、重复性和灵敏度。测头构件如支架、测杆、测球等零件要求刚度好、质量轻。采用有限元分析软件Ansys对测杆、支架、悬丝组成的柔性支撑系统进行受力分析，使各零件参数满足测量需要。制作中，采用重物悬挂的方式，先采用较轻物体悬挂，粘贴悬丝，用SIOS干涉仪对测头结构复位性进行测量，评定复位性是否符合要求，如果结果不满意，适当改变物体重量，再次粘贴、测量，直到取得很好的效果。

由于采用光纤布拉格光栅FBG为传感元件，FBG的机械强度有限，限位机构和支架之间的上、下距离最大为0.1mm，上、下距离通过调整螺钉进行调整。

参照图2b，当传感FBG和匹配FBG均未发生应变时，它们的中心波长一致，因此，探测器接收到的光强最强为E₁，当传感FBG发生应变，并且中心波长变化Δλ时，由于匹配FBG没有发生变化，所以，探测器接收到的光强为E₂，并且E₁>E₂。

采用匹配FBG做为解调方式要求两FBG参数匹配即中心波长一致，但是由于FBG的制造方面原因，导致FBG中心波长有一定偏差，因此，选用FBG中心波长差在20pm内；FBG在测头中呈竖直，其上端粘贴在固定的固定架6上，下端粘贴在支架4上。FBG对轴向的拉、压应变都具有很高的灵敏度，能够探测到测杆在三维方向的测量；探测器采用InGaAs高灵敏度光接收组件。

系统用数据采集卡、LABVIEW软件对探测器的输出电压进行分析。LABVIEW程序主要么包括：数据采集程序、信号频谱分析程序、信号均值计算、信号比较程序、发讯程序。数据处理系统通过对采集的数据进行均值计算，把均值和阈值进行比较，当所得均值低于阈值时，产生触发信号。

数据采集、处理系统中对信号接地处理，可以有效的消除信号噪声；对采集的信号分组求均值，均值作为评定值，阈值的设定以均值为标准。

测头测量过程

水平方向的测量过程

参照图3(a)，当测头在沿水平方向触碰工件18时，测球发生ΔX的偏移，通过测杆1、支架4和悬丝组成的机构使FBG 5也发生相应的应变，左侧FBG被拉长ΔZ₁，右侧FBG被压缩ΔZ₂，FBG拉长和压缩都会引起它的布拉格波长的变化。当测头从X-Y平面内任意方向触碰工件时，三根FBG中总是有某些受拉，另一些受压，从而引起FBG的布拉格波长变化。此时，受拉FBG的应变大小为

受压FBG的应变大小为

垂直方向测量过程

参照图3(b)，当测头沿垂直方向接触工件18时，测球发生ΔZ的偏移，三根FBG5被压缩，且都发生ΔZ的应变量，导致FBG布拉格波长的变化。此时三根FBG的应变大小为

实验效果

各向同性及测量力实验结果

实验目的：验证测头各向同性及测量力是否符合要求。

实验方法：参考图5，用细线23把测杆1和砝码24连接，细线绕过光滑圆柱体22，使砝码24处于垂直；测杆另一边粘贴反射镜26，用干涉仪测量测杆的偏移量，测量光经过光路27到达反射镜26，然后返回干涉仪25。读取干涉仪读数的同时读取测头传感系统的电压值。实验示意图如图5(a)，图5(b)所示为5mN测力时，测杆各向偏摆量。从图上可以看出，测杆在各个方向上的偏移量基本一致，因此大大提高测头的各向同性精度；当采用5mN的测力时，测杆的偏移量达到2μm，说明测头对测力的灵敏度是很高的。

测头分辨力的实验

实验目的：标定测头系统灵敏度。

实验方法：把测头固定微动台架上，利用微动台架驱动机构，干涉仪测量系统，测头传感、信号处理系统。当微动机构给测杆一定偏移量时，干涉仪测量系统能测量精确的偏移量，测头输出电压有所变化，记录这个偏移量和测头输出电压，得出系统的分辨力，由图6可知，测头的最小分辨力小于0.1um。

测头结构复位性测量

实验目的：验证测杆在测量中撤去外力后能否返回原来位置。

实验方法：在测杆顶端粘贴小反射镜(用于SIOS干涉仪测量)，把测头固定在微动台架上，使激光能照射到反射镜上并能反射回激光孔，适当调整位置，使干涉仪处于测量状态。用微力使测杆偏摆，并立即撤去力，读取干涉仪的数据，对数据进行处理分析，验证测头结构的复位性。实验利用干涉仪测量测杆在变化前后的单方向位置偏差，是评定结构复位性指标的有效方法，改变测量方向，以得到测杆各向复位性指标。由于本发明结构具有很高的对称性，各向复位性一致。实验结果如图7(a)，测头结构复位性精度为20nm。

测头传感系统重复性实验

实验目的：验证当测杆返回初始位置时，传感系统是否能返回原来的状态。

实验方法：把测头系统装夹在微动台架上，用微动台架的驱动系统触碰测杆，并立即返回，读取数据采集系统的数据，同时也可以采用干涉仪测量测杆的偏移量作为参考。本实验是在测头结构复位性很好的前提下进行的，测头结构的高复位性，说明测杆在触碰前、后位于同一位置，本实验的主要目的是验证当测杆返回初始位置时，传感系统是否能返回原来的状态。实验结果如图7(b)，测头传感系统重复性为0.2mV。

Claims (1)

1、光纤布拉格光栅FBG三维测头，其特征是采用具有端部测球的测杆(1)，所述测杆(1)以顶端固联在支架(4)的中心，测杆(1)与支架(4)呈“T”形设置，所述支架(4)是在同一平面上120°均匀分布的三根叉杆，构成柔性支撑系统的三根悬丝(3)一端固定连接在所述支架(4)的中心，另一端以120°的间隔固定连接在处在支架(4)外周的支撑圈(2)上，所述支架(4)和支撑圈(2)处在同一水平面上，光纤布拉格光栅FBG(5)的一端固定连接在所述支架(4)的叉杆端部，另一端固定连接在处在所述支架(4)的正上方的水平固定架(6)上。

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