CN104677288A - 基于光纤环形激光器的双芯光纤光栅探针微尺度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于光纤环形激光器的双芯光纤光栅探针微尺度测量装置及方法属于精密仪器制造及测量技术领域；所述装置包括泵浦源、波分复用器、掺铒光纤、饱和吸收体、多路光开关、外部参考光栅、双芯光纤光栅探针、计算机、光谱分析仪，泵浦源通过波分复用器与掺铒光纤、环形器、耦合器及隔离器B构成的环形腔连接，耦合器通过隔离器A与光谱分析仪、计算机连接形成通路；所述方法是计算机控制多路光开关切换光路，使用光谱分析仪分别测量双芯光纤光栅探针和外部参考光栅作为激光波长选择器件时光纤环形激光器输出的激光波长，利用差分数据处理算法实现无温度耦合的二维微尺度测量；本发明具有传感供能为一体、系统紧凑、灵敏度高的特点。

Description

基于光纤环形激光器的双芯光纤光栅探针微尺度测量装置及方法

技术领域

本发明属于精密仪器制造及测量技术领域，特别涉及一种基于光纤环形激光器的双芯光纤光栅探针微尺度测量装置及方法。

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PhilipsCFT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。现用测量手段主要存在的问题是：

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。

3.存在二维径向触测位移的耦合。基于FBG Bending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。

4.不具备径向和轴向探测的解耦能力。以上提到的探测方法或不具备轴向探测能力或不具备径向和轴向探测的解耦能力，在进行微尺度测量时，测量步骤复杂、测量效率低。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中微小构件尺寸测量方法分辨力低、被测维度单一的弊端，提供一种适用于微小构件二维微尺度测量的装置及方法，利用双芯光纤光栅探针既作为触测传感元件，也作为光纤环形激光器的波长选择器件，当双芯光纤光栅探针端部受触测位移作用后，应力导致光纤光栅的参数发生改变，使作为光纤环形激光器波长选择器件的光纤光栅的反射中心波长发生变化，并进一步改变光纤环形激光器输出激光中心波长，由于利用饱和吸收体消除多纵模振荡和抑制跳模，实现光纤环形激光器的单纵模窄线宽输出，从而使系统具有更高的灵敏度。采用多路光开关来切换测量光纤光栅的通道，以获得相应光纤环形激光器输出激光中心波长信息，然后对其作差分数据处理，降低了温度波动对测量结果的影响，大大提高了该装置对环境的适应能力，从而实现一种全新的温度无耦合二维微尺度测量。

本发明的目的是这样实现的：一种基于光纤环形激光器的双芯光纤光栅探针微尺度测量装置，包括由波分复用器、掺铒光纤、环形器、耦合器和隔离器B依次连接构成的环形腔，泵浦源通过波分复用器与环形腔连通；所述耦合器通过隔离器A依次与光谱分析仪和计算机连通；多路光开关通过饱和吸收体与环形器连通，多路光开关通过两根单模光纤、双芯光纤扇出器与双芯光纤连通，在双芯光纤端部上通过探针夹持器固装双芯光纤光栅探针；计算机与多路光开关连通；多路光开关与外部参考光栅连接；所述双芯光纤光栅探针与外部参考光栅通过多路光开关切换可分别作为光纤环形激光器的波长选择器件。

一种基于光纤环形激光器的双芯光纤光栅探针微尺度测量方法，所述方法是：利用泵浦源提供泵浦光，经波分复用器进入作为增益介质的掺铒光纤产生受激辐射光，受激辐射光经过耦合器分光，一部分反馈回由波分复用器、掺铒光纤、环形器、耦合器和隔离器B依次连接构成的环形腔内，另一部分作为激光输出；反馈回环形腔内的光从环形器的A端口进入，通过B端口输出，经过饱和吸收体消除多纵模振荡和抑制跳模，实现光纤环形激光器的单纵模窄线宽输出，再经过作为波长选择器件的双芯光纤光栅探针或外部参考光栅对激光进行选频后，反射进入B端口，从C端口输出后继续在环形腔中传输，随着泵浦功率不断增加，自发辐射将渐渐被抑制，形成窄线宽的单纵模激光输出；当双芯光纤光栅探针与待测构件发生触测时，双芯光纤光栅探针内光纤光栅的反射光谱中心波长将会发生偏移，从而改变输出激光波长，通过切换多路光开关，利用光谱分析仪检测双芯光纤光栅探针中两根光纤光栅和外部参考光栅分别作为波长选择器件时的输出激光中心波长；数据处理中，当双芯光纤光栅探针中的两根光纤光栅分别作为光纤环形激光器波长选择器件时，光纤环形激光器输出激光波长做差分数据处理，解耦一维径向触测位移和温漂；当双芯光纤光栅探针中的两根光纤光栅分别作为光纤环形激光器波长选择器件时光纤环形激光器输出激光波长平均值和外部参考光栅作为光纤环形激光器波长选择器件时光纤环形激光器输出激光波长做差分数据处理，获得无径向触测位移和温漂耦合的轴向触测位移，实现无温度耦合的二维微尺度测量。

本发明的优点是：

1.基于光纤环形激光器的双芯光纤光栅探针微尺度测量装置及方法具有精度高、接触力小、不损伤被测构件表面、探针使用寿命长的特点。

2.利用光纤环形激光器产生单纵模、窄线宽的激光作为测量光，传感、供能为一体，系统紧凑，同时提升了测量灵敏度。

3.光学探测信号仅在光纤光栅内部传输，将空间中的接触转化为反射光谱中心波长的变化，测量微尺度构件时不受构件遮蔽效应的影响，测量深径比可达100∶1，满足了大深径比微结构微尺度测量要求。

4.基于光纤环形激光器的双芯光纤光栅探针微尺度测量方法可以同时实现径向和轴向的无耦合测量，使微尺度测量的步骤得到简化，提高了微尺度测量的效率。

5.在探针内部设计了互为参考的差分补偿系统，结合基于光纤环形激光器的双芯光纤光栅探针微尺度测量装置方法，消除了环境温度变化对测量的影响，大大提高了传感器对环境的适应能力，可以深入到传统测量工具无法正常工作的空间和环境来进行精密测量，如狭小的半封闭空间及易燃易爆环境等，也适用于工业现场测量。

附图说明

图1是基于光纤环形激光器的双芯光纤光栅探针微尺度测量装置结构示意图；

图2是图1中A-A的剖面图；

图3是图1中双芯光纤光栅探针的剖面放大图；

图中：1.泵浦源，2.波分复用器，3.掺铒光纤，4.环形器，5.饱和吸收体，6.多路光开关，7.外部参考光栅，8.单模光纤，9.双芯光纤扇出器，10.双芯光纤，11.探针夹持器，12.双芯光纤光栅探针，13.计算机，14.光谱分析仪，15a.隔离器A，15b.隔离器B，16.耦合器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。

一种基于光纤环形激光器的双芯光纤光栅探针微尺度测量装置，包括由波分复用器2、掺铒光纤3、环形器4、耦合器16和隔离器B15b依次连接构成的环形腔，泵浦源1通过波分复用器2与环形腔连通；所述耦合器16通过隔离器A15a依次与光谱分析仪14和计算机13连通；多路光开关6通过饱和吸收体5与环形器4连通，多路光开关4通过两根单模光纤8、双芯光纤扇出器9与双芯光纤10连通，在双芯光纤10端部上通过探针夹持器11固装双芯光纤光栅探针12；计算机13与多路光开关6连通；多路光开关6与外部参考光栅7连接；所述双芯光纤光栅探针12与外部参考光栅7通过多路光开关6切换可分别作为光纤环形激光器的波长选择器件。

一种基于光纤环形激光器的双芯光纤光栅探针微尺度测量方法，所述方法是：利用泵浦源1提供泵浦光，经波分复用器2进入作为增益介质的掺铒光纤3产生受激辐射光，受激辐射光经过耦合器16分光，一部分反馈回由波分复用器2、掺铒光纤3、环形器4、耦合器16和隔离器B15b依次连接构成的环形腔内，另一部分作为激光输出；反馈回环形腔内的光从环形器4的A端口进入，通过B端口输出经过饱和吸收体5消除多纵模振荡和抑制跳模，实现光纤环形激光器的单纵模窄线宽输出，再经过作为波长选择器件的双芯光纤光栅探针12或外部参考光栅7对激光进行选频后，反射进入B端口，从C端口输出后继续在环形腔中传输，随着泵浦功率不断增加，自发辐射将渐渐被抑制，形成窄线宽的单纵模激光输出；当双芯光纤光栅探针12与待测构件发生触测时，双芯光纤光栅探针12内光纤光栅的反射光谱中心波长将会发生偏移，从而改变输出激光波长，通过切换多路光开关6，利用光谱分析仪14检测双芯光纤光栅探针12中两根光纤光栅和外部参考光栅分别作为波长选择器件时的输出激光中心波长；数据处理中，当双芯光纤光栅探针12中的两根光纤光栅分别作为光纤环形激光器波长选择器件时，光纤环形激光器输出激光波长做差分数据处理，解耦一维径向触测位移和温漂；当双芯光纤光栅探针12中的两根光纤光栅分别作为光纤环形激光器波长选择器件时光纤环形激光器输出激光波长平均值和外部参考光栅7作为光纤环形激光器波长选择器件时光纤环形激光器输出激光波长做差分数据处理，获得无径向触测位移和温漂耦合的轴向触测位移，实现无温度耦合的二维微尺度测量。

基于光纤环形激光器的双芯光纤光栅探针微尺度测量装置及方法的创新点和技术效果是：双芯光纤光栅探针直接作为光纤环形激光器的波长选择器件，触测位移信息可以直接作用于光纤环形激光器，使其输出激光的波长发生改变，并且采用饱和吸收体压窄输出激光线宽并使光纤环形激光器在单纵模模式下工作，与传统的光纤光栅传感器检测装置相比，本发明的灵敏度有大幅提高；本发明中，作为传感器的双芯光纤光栅探针中两根光纤光栅和外部参考光栅同时又是光纤环形激光器中的波长选择器件，将传感器和传感器能量供给装置有机的结合，而且，多路光开关在计算机控制下，分别切换构成光纤环形激光器的波长选择器件，在不增加额外光器件的前提下完成无温度耦合的二维触测位移测量，使本发明较传统的光纤光栅传感器检测装置体积减小一倍以上、成本降低两倍以上；本发明的技术效果突出。

Claims (2)

1.一种基于光纤环形激光器的双芯光纤光栅探针微尺度测量装置，其特征在于：由波分复用器(2)、掺铒光纤(3)、环形器(4)、耦合器(16)和隔离器B(15b)依次连接构成环形腔，泵浦源(1)通过波分复用器(2)与环形腔连通；所述耦合器(16)通过隔离器A(15a)依次与光谱分析仪(14)和计算机(13)连通；多路光开关(6)通过饱和吸收体(5)与环形器(4)连通，多路光开关(6)通过两根单模光纤(8)、双芯光纤扇出器(9)与双芯光纤(10)连通，在双芯光纤(10)端部上通过探针夹持器(11)固装双芯光纤光栅探针(12)；计算机(13)与多路光开关(6)连通；多路光开关(6)与外部参考光栅(7)连接；所述双芯光纤光栅探针(12)与外部参考光栅(7)通过多路光开关(6)切换可分别作为光纤环形激光器的波长选择器件。

2.一种基于光纤环形激光器的双芯光纤光栅探针微尺度测量方法，其特征在于：所述方法如下：利用泵浦源提供泵浦光，经波分复用器进入作为增益介质的掺铒光纤产生受激辐射光，受激辐射光经过耦合器分光，一部分反馈回由波分复用器、掺铒光纤、环形器、耦合器和隔离器B依次连接构成的环形腔内，另一部分作为激光输出；反馈回环形腔内的光从环形器的A端口进入，通过B端口输出，经过饱和吸收体消除多纵模振荡和抑制跳模，实现光纤环形激光器的单纵模窄线宽输出，再经过作为波长选择器件的双芯光纤光栅探针或外部参考光栅对激光进行选频后，反射进入B端口，从C端口输出后继续在环形腔中传输，随着泵浦功率不断增加，自发辐射将渐渐被抑制，形成窄线宽的单纵模激光输出；当双芯光纤光栅探针与待测构件发生触测时，双芯光纤光栅探针内光纤光栅的反射光谱中心波长将会发生偏移，从而改变输出激光波长，通过切换多路光开关，利用光谱分析仪检测双芯光纤光栅探针中两根光纤光栅和外部参考光栅分别作为波长选择器件时的输出激光中心波长；数据处理中，当双芯光纤光栅探针中的两根光纤光栅分别作为光纤环形激光器波长选择器件时，光纤环形激光器输出激光波长做差分数据处理，解耦一维径向触测位移和温漂；当双芯光纤光栅探针中的两根光纤光栅分别作为光纤环形激光器波长选择器件时光纤环形激光器输出激光波长平均值和外部参考光栅作为光纤环形激光器波长选择器件时光纤环形激光器输出激光波长做差分数据处理，获得无径向触测位移和温漂耦合的轴向触测位移，实现无温度耦合的二维微尺度测量。