CN103900466A - 基于偏振态检测的温度自补偿双光纤耦合球微尺度传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于偏振态检测的温度自补偿双光纤耦合球微尺度传感器属于精密仪器制造及测量技术；传感器包括偏振光发生装置、半透半反棱镜、波片、测量探针、偏振态检测装置、温度补偿装置、计算机，其中偏振光发生装置、半透半反棱镜、波片、测量探针依次排列，偏振光发生装置的出射光光轴与测量探针的入射光光轴重合，偏振态检测装置A位于测量探针的出射光经半透半反棱镜后的反射光路光轴A上，偏振态检测装置B位于参考探针的出射光经反射镜B反射后的反射光路光轴B上，当偏振态检测装置A检测到的光束的偏振态相对于偏振态检测装置B检测到的偏振态的差值发生变化时，测量探针与待测微孔发生触测；本传感器具有温度补偿功能、精度高、速度快。

Description

基于偏振态检测的温度自补偿双光纤耦合球微尺度传感器

技术领域

本发明属于密仪器制造及测量技术，主要涉及一种基于偏振态检测的温度自补偿双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，微小构件尺寸的精密测量变得难以实现，尤其是微小内腔构件的测量深度难以提高，这些已然成为制约行业发展的“瓶颈”。为了实现更小的内尺寸测量、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.德国联邦物理技术研究院的H.Schwenke教授等人提出了一种微光珠散射成像法，实现了对探针测头位置信息的二维检测。该方法利用单光纤作为探针测杆，把微光珠粘接或者焊接到测杆末端，使光线耦合进入光纤内部传播到微光珠上形成散射，用一个面阵CCD接收散射光形成敏感信号，实现了微力接触式测量。后来H.Schwenke教授等人拓展了这种方法，在测杆上粘接了一个微光珠，同时增加了一路对该微光珠的成像光路，这使得该探测系统具有了三维探测能力，测量标准球时得到的标准偏差为0.2μm。据相关报道，此方法可以实现测量Φ151μm的孔径，测量深度为1mm。这种方法在测量深孔过程中，由于微光珠散射角度较大，随着测量深度的增加，微光珠散射成像光斑的质量由于散射光线受到孔壁遮挡而逐渐降低，导致成像模糊，降低了测量精度，因此无法实现大深径比的高精度测量。

2.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；且这种方法目前仅能实现二维位置信息的检测，不具备三维探测能力。

3.美国国家标准技术研究院使用了单光纤测杆结合微光珠测头的探针，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，探测系统的探针测头直径为Φ75μm，实验中测量了Φ129μm的孔径，其扩展不确定度概算值达到了70nm(k＝2)，测量力为μN量级。该方法的局限是必须通过图像算法进一步提高分辨力，探测光纤测杆的二维微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，探测系统的实时性较差，系统构成比较复杂。

4.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，探针测头的直径最小到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位移传感，这使得测杆结构难以进一步小型化，测量深径比同时受到制约，探测系统的分辨力难以进一步提高。

5.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FBGBending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，目前微小尺寸和二维坐标探测方法中，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内尺寸的精密测量。现存测量手段主要存在的问题有：

1.探测系统的测量深度受限。德国PTB的微光珠散射成像法受遮蔽效应的影响，难以实现测量深度的提升，同时降低了系统探测精度。基于双光纤耦合的探针结构虽然在一定程度上克服了遮蔽效应，但目前尚未解决反向传输的光能量十分有限的问题，测量深度难以进一步提升。

2.探测系统的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，难以实现其位移分辨力的进一步提高。美国国家标准技术研究院采用的探测方法的光学测杆的光学光路放大倍率仅有35倍，较低的初级放大倍率导致了其位移分辨力难以进一步提高。

3.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。

4.存在二维径向触测位移的耦合、三维位移方向探测能力不足。基于FBGBending的微孔尺寸测量方法的探针具有各向性能一致，在径向二维触测位移传感时存在耦合，而且无法分离，导致二维测量存在很大误差，无法实现径向二维触测位移的准确测量。哈尔滨工业大学提出的基于双光纤耦合的探针结构不具有三维探测能力，只能实现微尺度的二维测量，无法满足当前微尺度三维测量的需要。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，满足微小构件尺寸测量的高精度、大深径比与快速测量的需求，本发明提出了一种将探针与微小构件侧壁触测位置信息转换为光束偏振态信息的基于偏振态检测的温度自补偿双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温度自补偿双光纤耦合球微尺度传感器，所述传感器包括偏振光发生装置、半透半反棱镜、

波片、测量探针、偏振态检测装置A、温度补偿装置、偏振态检测装置B、计算机；所述偏振光发生装置由激光器和起偏器组成，激光器发出的光经起偏器后成为线偏振光；所述测量探针由入射光纤、出射光纤两根光纤和耦合球组成，入射光纤和出射光纤的一端与耦合球固定连接，耦合球作为测量探针的触点；所述温度补偿装置由参考探针、反射镜A、反射镜B组成，参考探针的结构与测量探针一致，温度补偿装置用于补偿因温度变化引起的偏振态变化而带来的误差；偏振光发生装置、半透半反棱镜、

波片、测量探针依次排列，其中偏振光发生装置的出射光光轴与测量探针的入射光纤的入射光光轴重合，偏振态检测装置A位于测量探针的出射光纤的出射光通过

波片、经半透半反棱镜反射后的反射光路光轴A上，半透半反棱镜第一次反射的反射光经反射镜A反射后的反射光光轴与参考探针的入射光光轴重合，偏振态检测装置B位于参考探针的出射光经反射镜B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，测量探针置于待测微孔内；以所述偏振态检测装置A检测到的光束的偏振态作为检测信号，以所述偏振态检测装置B检测到的光束的偏振态作为参考信号，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，测量探针与待测微孔发生触测。

本发明具有以下特点及良好效果：

1.传感器的探针受到沿轴方向作用力和垂轴方向作用力均会引起出射光偏振态的变化，因此可以实现三维空间位置信号的探测，即本传感器具有三维探测能力。

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温度自补偿双光纤耦合球微尺度传感器结构示意图。

图中：1、计算机，2、偏振光发生装置，3、激光器，4、起偏器，5、偏振态检测装置A，6、反射光路光轴A，7、半透半反棱镜，8、

波片，9、测量探针，10、入射光纤，11、耦合球，12、出射光纤，13、被测工件，14、温度补偿装置，15、参考探针，16、反射镜A，17、反射镜B，18、反射光路光轴B，19、偏振态检测装置B。

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温度自补偿双光纤耦合球微尺度传感器，所述传感器包括偏振光发生装置2、半透半反棱镜7、

波片8、测量探针9、偏振态检测装置A5、温度补偿装置14、偏振态检测装置B19、计算机1；所述偏振光发生装置2由激光器3和起偏器4组成，激光器3发出的光经起偏器4后成为线偏振光；所述测量探针9由入射光纤10、出射光纤12两根光纤和耦合球11组成，入射光纤10和出射光纤12的一端与耦合球11固定连接，耦合球11作为测量探针9的触点；所述温度补偿装置14由参考探针15、反射镜A16、反射镜B17组成，参考探针15的结构与测量探针9一致，温度补偿装置用于补偿因温度变化引起的偏振态变化而带来的误差；偏振光发生装置2、半透半反棱镜7、

波片8、测量探针9依次排列，其中偏振光发生装置2的出射光光轴与测量探针9的入射光纤10的入射光光轴重合，偏振态检测装置A5位于测量探针9的出射光纤12的出射光通过

波片8、经半透半反棱镜7反射后的反射光路光轴A6上，半透半反棱镜7第一次反射的反射光经反射镜A16反射后的反射光光轴与参考探针14的入射光光轴重合，偏振态检测装置B19位于参考探针15的出射光经反射镜B17反射后的反射光路光轴B18上，通过数据线分别将偏振态检测装置A5和偏振态检测装置B19与计算机1相连，测量探针9置于待测微孔13内；以所述偏振态检测装置A5检测到的光束的偏振态作为检测信号，以所述偏振态检测装置B19检测到的光束的偏振态作为参考信号，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，测量探针9与待测微孔13发生触测。

测量使用时：

由偏振光发生装置2发出的偏振光S光垂直入射到半透半反棱镜7上，其透射光经波片8后变为圆偏振光，圆偏振光进入入射光纤10后经耦合球11反射由出射光纤12出射后，再次经过

波片8转变为P光，经半透半反棱镜7反射后入射到偏振态检测装置A5上，偏振态检测装置A5检测到的光束的偏振态用作检测信号；由半透半反棱镜7第一次反射的反射光经反射镜A16反射进入参考探针15的入射光纤，并由其出射光纤出射后经反射镜B17反射进入到偏振态检测装置B19上，偏振态检测装置B19检测到的光束的偏振态用作参考信号；通过分析偏振态检测装置A5与偏振态检测装置B19所得的光束的偏振态的差值的变化，即可以判断是否发生触测；当探针发生弯曲，即耦合球11与待测微孔13发生触碰时，偏振态检测装置A5所接收到的光束的偏振态发生变化，该光束的偏振态相对于偏振态检测装置B19检测到的参考偏振态的变化即为触测信号，将其作为测量信号，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温度自补偿双光纤耦合球微尺度传感器，其特征在于：所述传感器包括偏振光发生装置(2)、半透半反棱镜(7)、波片(8)、测量探针(9)、偏振态检测装置A(5)、温度补偿装置(14)、偏振态检测装置B(19)、计算机(1)；所述偏振光发生装置(2)由激光器(3)和起偏器(4)组成，激光器(3)发出的光经起偏器(4)后成为线偏振光；所述测量探针(9)由入射光纤(10)、出射光纤(12)两根光纤和耦合球(11)组成，入射光纤(10)和出射光纤(12)的一端与耦合球(11)固定连接，耦合球(11)作为测量探针(9)的触点；所述温度补偿装置(14)由参考探针(15)、反射镜A(16)、反射镜B(17)组成，参考探针(15)的结构与测量探针(9)一致，温度补偿装置用于补偿因温度变化引起的偏振态变化而带来的误差；偏振光发生装置(2)、半透半反棱镜(7)、

波片(8)、测量探针(9)依次排列，其中偏振光发生装置(2)的出射光光轴与测量探针(9)的入射光纤(10)的入射光光轴重合，偏振态检测装置A(5)位于测量探针(9)的出射光纤(12)的出射光通过

波片(8)、经半透半反棱镜(7)反射后的反射光路光轴A(6)上，半透半反棱镜(7)第一次反射的反射光经反射镜A(16)反射后的反射光光轴与参考探针(14)的入射光光轴重合，偏振态检测装置B(19)位于参考探针(15)的出射光经反射镜B(17)反射后的反射光路光轴B(18)上，通过数据线分别将偏振态检测装置A(5)和偏振态检测装置B(19)与计算机(1)相连，测量探针(9)置于待测微孔(13)内；以所述偏振态检测装置A(5)检测到的光束的偏振态作为检测信号，以所述偏振态检测装置B(19)检测到的光束的偏振态作为参考信号，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，测量探针(9)与待测微孔(13)发生触测。

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