CN102022980A - 一种基于光纤光栅的微深孔测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅的微深孔测量方法，涉及可深入微小内腔体进行尺寸测量的领域，所述方法主要为通过光纤光栅反射谱中心波长的漂移量反映出触壁小球与待测微孔内壁的接触状况，再辅以控制电路、三坐标测量机来实现对待测微孔孔径的三维测量。本发明所提供的基于光纤光栅的微深孔测量方法具有损耗低、光谱特性好、无零点漂移问题和精度高重复性好的优点；扩大了测量范围；将空间中的接触情况转换为光学频谱的变化，克服了以往通过CCD光斑位移法在测量待测微孔时由于衍射损耗所造成的限制，不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等条件的影响；不对待测微深孔造成损伤，光纤探针的使用寿命长。

Description

一种基于光纤光栅的微深孔测量方法

技术领域

本发明涉及可深入微小内腔体进行尺寸测量的领域，特别涉及一种基于光纤光栅的微深孔测量方法。

背景技术

随着机械，航天工业以及尖端工业的迅速发展，微小尺寸的零部件越来越多，如何实现对微孔和微深孔的精确测量便成为制约航空航天和汽车器件性能指标提高的关键，急需探索一种可操作性强的测量方法。

当前，在对外形尺寸测量方面已经实现了纳米量级的分辨率，但对内尺寸的测量水平却相对落后。精密微小内尺寸测量技术的发展受到了现有科技水平的限制。国内外学者对此进行了大量研究。最早出现的是基于坐标测量机测量法，它利用测球和孔壁接触，感受并存储测球的坐标值，通过数据处理而实现对孔的测量，当直径大于0.5mm的孔径，该方法是目前测孔方法中既能保证精度又能获得有关孔任意截面形貌的一种较好的方法。这种方法不但能测量通孔而且能够测量盲孔，精度可达到5um，并能实现自动测量。如果用标准环标定后，这种测量方法的精度会更高，但这种方法还存在着问题：在测小孔时，由干测杆的弯曲变形会造成较大的测量误差，而且测力不稳定更会加大这一误差。所以在测直径0.5mm以下的孔时，其测量性能明显下降。

应用气动量仪对细长小孔进行测量也是较精确的方法(刘笃喜，柴艳波，朱名铨.细长小孔超精密自动测量系统研究及其精度分析[J].液压与气动，2007，8：50-52)。气动测量仪具有非接触测量，测量精度高、结构简单和操作维护方便等优点，适于对细长小孔孔径的超精密测量。气动量仪是通过利用压缩空气的流量特性，把被测的尺寸变化量转换为气体物理参数的变化来实现测量。工件被测参数变化量经过气动量仪的测量喷嘴变换为气体参数的变化量，送指示装置显示。影响该方法测量精度的因素很多，主要包括：气动量仪误差、被测线和测量线不重合误差、导轨直线度误差以及测杆弯曲误差等。

光纤倾斜测量技术由美国National Institute of Standards and Technology(NIST)的Stone于2004年提出(1.Muralikrishnan B，Stone J A，VemuriS，etal.Fiber DeflectionProbe for Small Hole Measurement[C]//Proceedings of the ASPE Annual Mettmg.Orlando，USA，2004：24-27；2.Stone J A，Muralikrishnan B，Stoup J R.A Fiber for CMM Measurements of Small Features[J].SPIE，2005，5879：1-11；3.MuralikrishnanB，Stone J A，Stoup J R.Fiber Deflection Probe for Small Hole Metrology[J].Precision Engineering，2006，30：154-164)，此方法在作为悬臂的光纤另一端粘接一微球作为探针，微球伸入被测腔体内部接触腔体表面；激光器在距光纤微球适当位置处照明光纤，光纤的影像经物镜与目镜放大后成像于CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)相机上。但由测量原理易知，光纤作为一悬臂梁结构，当检测位置距微球下方越远时，微球移动较小距离时产生的光纤倾斜量也越小，从而使检测光纤倾斜量变得困难。

光纤微力接触式测量技术由德国联邦物理技术研究院和天津大学于1997年至1998年联合提出(1.吉贵军.一种光学接触式测量方法和使用该方法的微型三维测头：中国，98115367.4[P].1998-06-30；2.吉贵军，Schwenke H，Trapet E等.发动机喷油嘴微小喷油孔尺寸和形状测量系统[J].内燃机学报，1998，16(4)：475-479；3.吉贵军，Schwenke H，Trapet E，等.光学接触式微型三维测量系统[J].仪器仪表学报，2000，21(1)：95-97)。该方法在光纤一端粘接上一微光珠并作为物体成像于CCD上，并把传感器在空间的横向位移量转化为微光珠在轴向的位移量，通过CCD捕捉到的图像信号亮度来检测。但通过光纤进入微光珠的光不能完全进入光学系统成像，CCD捕捉到的图像信号微弱，不利于图像处理；由于孔壁的遮挡效应使可测深度小。

双光纤耦合测量技术是由哈尔滨工业大学的崔继文等于2005年提出的(1.谭久彬，崔继文.双光纤耦合接触式微测量力瞄准传感器：中国，ZL200510072254.5[P].2005-05-27；2.谭久彬，崔继文，邹丽敏等.基于双光纤耦合的微小内腔体尺寸测量装置与方法：中国，ZL200510102478.6[P].2005-09-24；3.TanJiubin，CuiJiwen.Micro-cavity MeasuringEquipment and Method Based on Double Optical Fiber Coupling：European，06761505.4-2213[P].2008-01-25；4.崔继文，谭久彬，刘洋.基于双光纤耦合的微深孔测量方法[J].红外与激光工程，2009，38(1)：106-109.)，该方法通过耦合器实现光能量在双光纤间的耦合，完成光能量的反向传输，从而将光纤作为传感器，将横向微小位移转换为出射光纤导出光束的偏转。但由于出射光纤末端射出的光束发散导致衍射损耗，使捕获到的光斑图像信号变弱，限制了对超深孔的测量能力。

发明内容

为了解决上述问题，提高测量的精度和准确性、扩大测量范围，本发明提供了一种基于光纤光栅的微深孔测量方法，所述方法包括以下步骤：

(1)光源发出光束，所述光束经环行器的第一端口进入所述环形器；

(2)所述光束经所述环形器的第二端口传输至光纤探针，射向光纤探针顶部的光纤光栅；

(3)与光纤光栅反射谱中心波长相匹配的光波被反向回传，经所述环行器的第三端口导出，光谱检测装置接收与所述光纤光栅反射谱中心波长相匹配的光波；

(4)所述光谱检测装置测得光纤光栅反射谱中心波长；

(5)控制电路计算光纤光栅反射谱中心波长漂移量；

(6)所述控制电路判断所述光纤光栅反射谱中心波长漂移量是否等于接触临界值，如果是，则触壁小球已经与待测微孔内壁接触，光纤光栅发生弯曲形变，反射谱中心波长改变，执行步骤(7)；如果否，所述控制电路继续监测所述光纤光栅反射谱中心波长漂移量；

(7)所述控制电路产生光纤探针触壁信号，通过接口将所述光纤探针触壁信号传递给三坐标测量机的智能控制单元；

(8)所述三坐标测量机的智能控制单元接收所述光纤探针触壁信号，实现对所述待测微孔的三维测量。

所述方法还包括光纤探针的制作，具体为：

将普通单模光纤剥除涂敷层后经氢氧焰熔融拉锥处理，形成均匀光纤锥区；

通过单脉冲逐点扫描法或相位掩模法在所述光纤锥区写入光纤光栅，再利用熔接机放电电弧借助表面张力在所述光纤锥区的尾端形成触壁小球；

对所述光纤光栅进行聚四氟乙烯二次涂敷。

所述方法还包括光纤探针的封装，具体为：

将所述光纤光栅的尾纤穿过铜毛细管，通过所述铜毛细管侧壁的小孔注入低温焊锡；

在铜毛细管喇叭口点环氧树脂胶进行密封；

将所述光纤探针整体插入到锥形石英毛细管中；

在所述锥形石英毛细管的两端点环氧树脂胶进行密封。

所述环行器为耦合器。

所述光纤光栅为D型光纤光栅。

所述方法还包括对所述触壁小球做金属化处理。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

本发明提供了一种基于光纤光栅的微深孔测量方法，通过光纤光栅反射谱中心波长的漂移量反映出触壁小球与待测微孔内壁的接触状况，再辅以控制电路、三坐标测量机来实现对待测微孔孔径的三维测量。本发明提供的基于光纤光栅的微深孔测量方法具有损耗低、光谱特性好、无零点漂移问题和精度高重复性好的优点；扩大了测量范围；将空间中的接触情况转换为光学频谱的变化，克服了以往通过CCD光斑位移法在测量待测微孔时由于衍射损耗所造成的限制，不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等条件的影响；精度高、准确性好；不对待测微深孔造成损伤，光纤探针的使用寿命长。

附图说明

图1为本发明提供的基于光纤光栅的微深孔测量结构的示意图；

图2为本发明提供的探针结构示意图；

图3为本发明提供的基于光纤光栅的微深孔测量方法的流程图；

图4为本发明提供的环行器结构的示意图；

图5为本发明提供的光纤光栅结构的示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：光源；2：环形器；3：光纤探针；4：光谱检测装置；5：待测微孔；6：夹具；7：铜毛细管喇叭口；8：铜毛细管；9：锥形石英毛细管；10：光纤光栅；11：触壁小球；12：石英毛细管喇叭口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了解决上述问题，提高测量的精度和准确性、扩大应用的范围，本发明实施例提供了一种基于光纤光栅的微深孔测量方法，参见图1、图2和图3，详见下文描述：

101：光源1发出光束，该光束经环行器2的第一端口进入环形器2；

参见图4，环形器2属于三端口光无源器件，光束的传输路径有两条，即从第一端口至第二端口以及从第二端口至第三端口，第一端口和第三端口分别是输入端口和输出端口，第二端口是双向端口。

102：光束经环行器2的第二端口传输至光纤探针3，射向光纤探针3顶部的光纤光栅10；

参见图5，从图5中可以清楚的获知光纤光栅的结构，黑白相间的条纹表示折射率的阶跃变化。

103：与光纤光栅反射谱中心波长相匹配的光波被反向回传，经环行器2的第三端口导出，光谱检测装置4接收该与光纤光栅反射谱中心波长相匹配的光波；

其中，剩余的光波，即不与光纤光栅反射谱中心波长相匹配的光波透过光纤光栅10射向触壁小球11。

104：光谱检测装置4测得光纤光栅反射谱中心波长；

105：控制电路计算光纤光栅反射谱中心波长漂移量；

106：控制电路判断光纤光栅反射谱中心波长漂移量是否等于接触临界值，如果是，则触壁小球已经与待测微孔内壁接触，光纤光栅发生弯曲形变，反射谱中心波长改变，执行步骤107；如果否，控制电路继续监测光纤光栅反射谱中心波长漂移量；

其中，该步骤具体为：夹具6固定光纤探针3，当触壁小球11接触到待测微孔5内壁时，待测微孔5内壁将对光纤探针3产生阻碍限位作用，若触壁小球11继续沿原方向移动，在阻力的作用下光纤光栅10将发生微小弯曲，布拉格周期发生变化，反射谱中心波长将发生漂移；当光纤探针3中的触壁小球11未接触到待测微孔5的内壁时，光纤光栅10未发生弯曲形变，反射谱中心波长不变。

其中，具体实现时，可以通过材料力学推算，对反射谱中心波长漂移量进行计算，预先获取触壁小球11和待测微孔5之间的接触临界值，该接触临界值表示触壁小球11和待测微孔5之间处于可靠接触的临界状态。本发明实施例通过试验得到触壁小球11和待测微孔5之间的接触临界值为10uN，即当触壁小球11和待测微孔5之间的弹性应变力为10uN时，触壁小球11和待测微孔5之间处于可靠接触的临界状态。

107：控制电路产生光纤探针触壁信号，通过接口将光纤探针触壁信号传递给三坐标测量机的智能控制单元；

108：三坐标测量机的智能控制单元接收光纤探针触壁信号，实现对待测微孔5的三维测量。

通过图2可以获知采用光纤光栅10感知测力的变化，由于光纤光栅反射谱中心波长的漂移量与应力、应变等有良好的线性关系，因此可以做出具有可靠重复性的光纤光栅10。

进一步地，光纤探针3的制作方法具体为：

1、将普通单模光纤剥除涂敷层后经氢氧焰熔融拉锥处理，形成均匀光纤锥区；

2、通过单脉冲逐点扫描法或相位掩模法在光纤锥区写入光纤光栅10，再利用熔接机放电电弧借助表面张力在光纤锥区的尾端形成触壁小球11；

3、对光纤光栅10进行聚四氟乙烯二次涂敷。

其中，对光纤光栅10进行聚四氟乙烯二次涂敷时需要根据实际的应用情况来控制涂敷层的厚度，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。通过上述的步骤可以实现对光纤光栅10的保护，增加了光纤光栅10的弹性和韧性，实现了光纤光栅10与空气中水分的隔离。

进一步地，光纤探针3的封装方法具体为：

1、将光纤光栅10的尾纤穿过铜毛细管8，通过铜毛细管8侧壁的小孔注入低温焊锡；

2、在铜毛细管喇叭口7点环氧树脂胶进行密封；

3、将光纤探针3整体插入到锥形石英毛细管9中；

4、在锥形石英毛细管9的两端点环氧树脂胶进行密封。

其中，石英毛细管采用锥状结构方便地将光纤探针3插入待测微孔5中，增加了光纤探针3的强度，延长了使用寿命。在锥形石英毛细管9的两端点环氧树脂胶具体为：在锥形石英毛细管喇叭口12以及锥形石英毛细管9的另一端(和锥形石英毛细管喇叭口12相对的一端)点环氧树脂胶。

其中，光纤光栅反射谱的传递函数可等效为光域的窄带陷波滤波器。光源1具体为LED(Light Emitting Diode，发光二极管)宽带光源、ASE(Amplified spontaneous emission，放大自发辐射)光源、可调谐半导体激光器或可调谐光纤激光器中的一种。光谱检测装置4具体为台式光谱仪、微型模块化光谱仪、CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing，粗波分复用)边缘滤波器、光功率计、F-P可调谐光纤滤波器或光功率计中的一种。

进一步地，为了降低成本，环行器2可以为耦合器，通过实验验证，采用耦合器代替环形器降低了生产成本，但增加了约6dB的插入损耗。

进一步地，为了提高弯曲灵敏度，光纤光栅10可以为D型光纤光栅，通过实验验证，采用D型光纤光栅将弯曲灵敏度提高了80倍。

进一步地，为了增加触壁小球11的强度，可以对触壁小球11做金属化处理。

本发明实施例中光纤光栅反射谱中心波长可以通过多种光谱检测方式实现，第一种方式：宽带光源结合窄带接收机，宽带光源可以是LED光源或ASE光源，窄带接收机可以是台式光谱仪或微型模块化光谱仪；第二种方式：窄带光源结合宽带接收机，窄带光源可以采用可调谐半导体激光器或可调谐光纤激光器，宽带接收机可选用精密光功率计；第三种方式：宽带光源可调谐滤波器结合宽带接收机，其中可调谐滤波器可以采用PZT(锆钛酸铅)压电陶瓷调谐或MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)技术调谐；第四种方式：采用CWDM边缘滤波器结合光功率计来检测光纤光栅反射谱中心波长的漂移，该CWDM边缘滤波器传递函数的单值边沿比较宽(十几到几十纳米)且斜率恒定，因而光纤光栅反射谱(谱宽一般为0.2nm)很窄，CWDM边缘滤波器传递函数和光纤光栅反射谱在频域相乘(对应时域卷积)产生的输出功率将随着光纤光栅反射谱中心波长的移动而线性变化，因而可根据功率的变化推断出触壁小球11的触壁情况。经过实验验证采用第四种方式为成本最低的解调方案。

其中，具体实现时，本发明实施例提供的方法不但适用于传统的微孔测量方法所应用的领域，尤其还适用于微深腔体的内尺寸测量领域及在“亚宏观”领域对微小尺寸的精密测量。

综上所述，本发明实施例提供了一种基于光纤光栅的微深孔测量方法，通过光纤光栅反射谱中心波长的漂移量反映出触壁小球与待测微孔内壁的接触状况，再辅以控制电路、三坐标测量机来实现对待测微孔孔径的三维测量。本发明实施例实现了损耗低、光谱特性好、无零点漂移问题和稳定性好；待测微孔的最小微孔直径可达10微米，扩大了测量范围；将空间中的接触情况转换为光学频谱的变化，克服了以往通过CCD光斑位移法在测待测微孔时由于衍射损耗造成的限制(即当发光小球进入到孔的深处后，由于传递出来的光线非常微弱，在CCD上所成的像变模糊甚至感测不到)，不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等条件的影响，准确性高；不对待测微深孔造成损伤，延长了光纤探针的使用寿命。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于光纤光栅的微深孔测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)光源发出光束，所述光束经环行器的第一端口进入所述环行器；

(2)所述光束经所述环形器的第二端口传输至光纤探针，射向光纤探针顶部的光纤光栅；

(3)与光纤光栅反射谱中心波长相匹配的光波被反向回传，经所述环行器的第三端口导出，光谱检测装置接收与所述光纤光栅反射谱中心波长相匹配的光波；

(4)所述光谱检测装置测得光纤光栅反射谱中心波长；

(5)控制电路计算光纤光栅反射谱中心波长漂移量；

(6)所述控制电路判断所述光纤光栅反射谱中心波长漂移量是否等于接触临界值，如果是，则触壁小球已经与待测微孔内壁接触，所述光纤光栅发生弯曲形变，反射谱中心波长改变，执行步骤(7)；如果否，所述控制电路继续监测所述光纤光栅反射谱中心波长漂移量；

(7)所述控制电路产生光纤探针触壁信号，通过接口将所述光纤探针触壁信号传递给三坐标测量机的智能控制单元；

(8)所述三坐标测量机的智能控制单元接收所述光纤探针触壁信号，实现对所述待测微孔的三维测量。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的微深孔测量方法，其特征在于，所述方法还包括光纤探针的制作，具体为：

将普通单模光纤剥除涂敷层后经氢氧焰熔融拉锥处理，形成均匀光纤锥区；

通过单脉冲逐点扫描法或相位掩模法在所述光纤锥区写入光纤光栅，再利用熔接机放电电弧借助表面张力在所述光纤锥区的尾端形成触壁小球；

对所述光纤光栅进行聚四氟乙烯二次涂敷。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的微深孔测量方法，其特征在于，所述方法还包括光纤探针的封装，具体为：

将所述光纤光栅的尾纤穿过铜毛细管，通过所述铜毛细管侧壁的小孔注入低温焊锡；

在铜毛细管喇叭口点环氧树脂胶进行密封；

将所述光纤探针整体插入到锥形石英毛细管中；

在所述锥形石英毛细管的两端点环氧树脂胶进行密封。

4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的微深孔测量方法，其特征在于，所述环行器为耦合器。

5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的微深孔测量方法，其特征在于，所述光纤光栅为D型光纤光栅。

6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的微深孔测量方法，其特征在于，所述方法还包括：对所述触壁小球做金属化处理。

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