CN104677289A - 基于线性腔光纤激光器的五芯光纤光栅探针微尺度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于线性腔光纤激光器的五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；五根单模光纤通过五芯光纤扇出器和五芯光纤分别将多路光开关与五芯光纤光栅探针连通，五芯光纤光栅探针中的光纤光栅和外部参考光栅通过多路光开关切换分别作为线性腔光纤激光器的波长选择器件，外部参考光栅的初始中心波长、五芯光纤光栅探针中光纤光栅的初始中心波长与光纤光栅的初始中心波长应满足五芯光纤光栅探针线性工作条件；通过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线性腔光纤激光器输出激光波长，利用差分数据处理算法实现无温度耦合的三维微尺度测量；本发明具有传感供能为一体、系统紧凑、灵敏度高的特点。

Description

基于线性腔光纤激光器的五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，特别涉及一种基于线性腔光纤激光器的五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三维微尺度测量的装置及方法，五芯光纤光栅探针既作为触测传感元件，也作为线性腔光纤激光器的波长选择器件，当五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，使作为线性腔光纤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，并进一步改变线性腔光纤激光器输出激光中心波长，由于五芯光纤光栅和外部参考光栅分别与单芯光纤光栅及作为增益介质的掺铒光纤一起构成长度很短的线性谐振腔，外界输入泵浦光时满足形成激光的条件，从而向外输出激光，在线性腔光纤激光器的波长选择器件受到触测影响时，输出激光的中心波长对触测具有很高的灵敏度。采用多路光开关来切换测量光纤光栅的通道，分别获得五芯光纤光栅和外部参考光栅分别作为线性腔光纤激光器的波长选择器件下的激光器输出激光中心波长信息，之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三维微尺度测量。

本发明的目的是这样实现的：一种基于线性腔光纤激光器的五芯光纤光栅探针微尺度测量装置，包括泵浦源、波分复用器、单芯光纤光栅、掺铒光纤、多路光开关、外部参考光栅、单模光纤、五芯光纤扇出器、五芯光纤、探针夹持器、五芯光纤光栅探针、隔离器、光谱分析仪、计算机；所述计算机控制多路光开关切换光路，泵浦源通过波分复用器的一个端口和由单芯光纤光栅、掺铒光纤和外部参考光栅或由单芯光纤光栅、掺铒光纤和五芯光纤光栅探针构成的线性谐振腔相连，波分复用器的另一个端口经过隔离器与光谱分析仪、计算机连接形成通路；五根单模光纤通过五芯光纤扇出器和五芯光纤分别将多路光开关与五芯光纤光栅探针连通，五芯光纤光栅探针通过探针夹持器固装，所述的五芯光纤光栅探针中的光纤光栅和所述的外部参考光栅通过多路光开关切换分别作为线性腔光纤激光器的波长选择器件；所述的外部参考光栅的初始中心波长λ₁、五芯光纤光栅探针中光纤光栅的初始中心波长λ₂与单芯光纤光栅的初始中心波长λ₃需满足五芯光纤光栅探针微尺度测量装置及方法的线性输出响应工作条件： $0.8\sqrt{\frac{{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}^2+{{\mathrm{\Δ\λ}}_3}^2}{8\ln 2}}\≤|{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_3|\≤1.2\sqrt{\frac{{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}^2+{{\mathrm{\Δ\λ}}_3}^2}{8\ln 2}}$ 和 $0.8\sqrt{\frac{{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}^2+{{\mathrm{\Δ\λ}}_3}^2}{8\ln 2}}\≤|{\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_3|\≤1.2\sqrt{\frac{{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}^2+{{\mathrm{\Δ\λ}}_3}^2}{8\ln 2}}.$

一种基于线性腔光纤激光器的五芯光纤光栅探针微尺度测量方法，所述方法是：计算机控制多路光开关切换光路，泵浦源提供泵浦光，通过波分复用器的一个端口进入由单芯光纤光栅、掺铒光纤和外部参考光栅或由单芯光纤光栅、掺铒光纤和五芯光纤光栅探针构成的线性谐振腔中激发铒离子产生受激辐射光，并在谐振腔内多次反射得到增强；当辐射光在谐振腔中的一个振荡周期内所获得的增益大于损耗时，产生窄线宽的激光，产生的激光从波分复用器的另一个端口输出，并被光谱分析仪检测到输出激光的波长，传输至计算机中；当五芯光纤光栅探针与待测构件发生触测时，五芯光纤光栅探针内的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，在计算机控制下通过切换多路光开关，利用光谱分析仪检测五芯光纤光栅探针中五根光纤光栅和外部参考光栅分别作为波长选择器件时输出激光中心波长；数据处理中，当五芯光纤光栅探针中心外正交的两组光纤光栅分别作为线性腔光纤激光器波长选择器件时，线性腔光纤激光器输出激光波长做差分数据处理，解耦二维径向触测位移和温漂；当五芯光纤光栅探针中心的光纤光栅和外部参考光栅分别作为线性腔光纤激光器波长选择器件时，线性腔光纤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，实现无温度耦合的三维微尺度测量。

本发明的优点是：

1.基于线性腔光纤激光器的五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.利用线性腔光纤激光器产生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.基于线性腔光纤激光器的五芯光栅探针微尺度测量方法，使五芯光纤光栅探针具有二维径向无耦合传感能力，探针中心外正交的两组光纤光栅可以分别测量该方向的触测位移，实现了径向正交触测解耦。

5.基于线性腔光纤激光器的五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。

6.在探针内部设计了互为参考的差分补偿系统，结合基于线性腔光纤激光器的五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是基于线性腔光纤激光器的五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中五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.单芯光纤光栅，4.掺铒光纤，5.多路光开关，6.外部参考光纤，7.单模光纤，8.五芯光纤扇出器，9.五芯光纤，10.探针夹持器，11.五芯光纤光栅探针，12.隔离器，13.光谱分析仪，14.计算机。

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：

本发明的技术方案是：一种基于线性腔光纤激光器的五芯光纤光栅探针微尺度测量装置，包括泵浦源1、波分复用器2、单芯光纤光栅3、掺铒光纤4、多路光开关5、外部参考光栅6、单模光纤7、五芯光纤扇出器8、五芯光纤9、探针夹持器10、五芯光纤光栅探针11、隔离器12、光谱分析仪13、计算机14；所述计算机14控制多路光开关5切换光路，泵浦源1通过波分复用器2的一个端口和由单芯光纤光栅3、掺铒光纤4和外部参考光栅6或由单芯光纤光栅3、掺铒光纤4和五芯光纤光栅探针11构成的线性谐振腔相连，波分复用器2的另一个端口经过隔离器12与光谱分析仪13、计算机14连接形成通路；五根单模光纤7通过五芯光纤扇出器8和五芯光纤9分别将多路光开关5与五芯光纤光栅探针11连通，五芯光纤光栅探针11通过探针夹持器10固装，所述的五芯光纤光栅11中的光纤光栅和所述的外部参考光栅6通过多路光开关5切换分别作为线性腔光纤激光器的波长选择器件；所述外部参考光栅6的初始中心波长λ₁、五芯光纤光栅探针11中光纤光栅的初始中心波长λ₂与单芯光纤光栅3的初始中心波长λ₃需满足五芯光纤光栅探针11微尺度测量装置及方法的线性输出响应工作条件： $0.8\sqrt{\frac{{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}^2+{{\mathrm{\Δ\λ}}_3}^2}{8\ln 2}}\≤|{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_3|\≤1.2\sqrt{\frac{{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}^2+{{\mathrm{\Δ\λ}}_3}^2}{8\ln 2}}$ 和 $0.8\sqrt{\frac{{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}^2+{{\mathrm{\Δ\λ}}_3}^2}{8\ln 2}}\≤|{\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_3|\≤1.2\sqrt{\frac{{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}^2+{{\mathrm{\Δ\λ}}_3}^2}{8\ln 2}}.$

一种基于线性腔光纤激光器的五芯光纤光栅探针微尺度测量方法，所述方法是：计算机14控制多路光开关5切换光路，泵浦源1提供泵浦光，通过波分复用器2的一个端口进入由单芯光纤光栅3、掺铒光纤4和外部参考光栅6或由单芯光纤光栅3、掺铒光纤4和五芯光纤光栅探针11构成的线性谐振腔中激发铒离子产生受激辐射光，并在谐振腔内多次反射得到增强；当辐射光在谐振腔中的一个振荡周期内所获得的增益大于损耗时，产生窄线宽的激光，产生的激光从波分复用器2的另一个端口输出，并被光谱分析仪13检测到输出激光的波长，传输至计算机14中；当五芯光纤光栅探针11与待测构件发生触测时，五芯光纤光栅探针11内的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，在计算机14控制下通过切换多路光开关5，利用光谱分析仪13检测五芯光纤光栅探针11中五根光纤光栅和外部参考光栅6分别作为波长选择器件时输出激光中心波长；数据处理中，当五芯光纤光栅探针11中心外正交的两组光纤光栅分别作为线性腔光纤激光器波长选择器件时，线性腔光纤激光器输出激光波长做差分数据处理，解耦二维径向触测位移和温漂；当五芯光纤光栅探针11中心的光纤光栅和外部参考光栅6分别作为线性腔光纤激光器波长选择器件时，线性腔光纤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，实现无温度耦合的三维微尺度测量。

基于线性腔光纤激光器的五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：五芯光纤光栅探针直接作为线性腔光纤激光器的波长选择器件，触测位移信息可以直接作用于线性腔光纤激光器，使其输出激光的波长发生改变，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，作为传感器的五芯光纤光栅探针中五根光纤光栅和外部参考光栅同时又是线性腔光纤激光器的波长选择器件，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，分别切换构成线性腔光纤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三维触测位移测量，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；本发明中，外部参考光栅的初始中心波长λ₁、五芯光纤光栅探针中光纤光栅的初始中心波长λ₂与单芯光纤光栅的初始中心波长λ₃满足 $0.8\sqrt{\frac{{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}^2+{{\mathrm{\Δ\λ}}_3}^2}{8\ln 2}}\≤|{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_3|\≤1.2\sqrt{\frac{{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}^2+{{\mathrm{\Δ\λ}}_3}^2}{8\ln 2}}$ 和 $0.8\sqrt{\frac{{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}^2+{{\mathrm{\Δ\λ}}_3}^2}{8\ln 2}}\≤|{\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_3|\≤1.2\sqrt{\frac{{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}^2+{{\mathrm{\Δ\λ}}_3}^2}{8\ln 2}},$ 使基于线性腔光纤激光器的五芯光纤光栅探针微尺度测量装置及方法具有线性输出响应，极大地降低了信号处理的难度；本发明的技术效果突出。

Claims (2)

1.一种基于线性腔光纤激光器的五芯光纤光栅探针微尺度测量装置，包括泵浦源(1)、波分复用器(2)、单芯光纤光栅(3)、掺铒光纤(4)、多路光开关(5)、外部参考光栅(6)、单模光纤(7)、五芯光纤扇出器(8)、五芯光纤(9)、探针夹持器(10)、五芯光纤光栅探针(11)、隔离器(12)、光谱分析仪(13)、计算机(14)；所述计算机(14)控制多路光开关(5)切换光路，泵浦源(1)通过波分复用器(2)的一个端口和由单芯光纤光栅(3)、掺铒光纤(4)和外部参考光栅(6)或由单芯光纤光栅(3)、掺铒光纤(4)和五芯光纤光栅探针(11)构成的线性谐振腔相连，波分复用器(2)的另一个端口经过隔离器(12)与光谱分析仪(13)、计算机(14)连接形成通路；其特征在于：五根单模光纤(7)通过五芯光纤扇出器(8)和五芯光纤(9)分别将多路光开关(5)与五芯光纤光栅探针(11)连通，五芯光纤光栅探针(11)通过探针夹持器(10)固装，所述的五芯光纤光栅探针(11)中的光纤光栅和所述的外部参考光栅(6)通过多路光开关(5)切换分别作为线性腔光纤激光器的波长选择器件；所述外部参考光栅(6)的初始中心波长λ₁、五芯光纤光栅探针(11)中光纤光栅的初始中心波长λ₂与单芯光纤光栅(3)的初始中心波长λ₃需满足五芯光纤光栅探针(11)微尺度测量装置及方法的线性输出响应工作条件： $0.8\sqrt{\frac{{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}^2+{{\mathrm{\Δ\λ}}_3}^2}{8\ln 2}}\≤|{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_3|\≤1.2\sqrt{\frac{{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}^2+{{\mathrm{\Δ\λ}}_3}^2}{8\ln 2}}$ 和 $0.8\sqrt{\frac{{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}^2+{{\mathrm{\Δ\λ}}_3}^2}{8\ln 2}}\≤|{\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_3|\≤1.2\sqrt{\frac{{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}^2+{{\mathrm{\Δ\λ}}_3}^2}{8\ln 2}}.$

2.一种基于线性腔光纤激光器的五芯光纤光栅探针微尺度测量方法，其特征在于：所述方法是：计算机控制多路光开关切换光路，泵浦源提供泵浦光，通过波分复用器的一个端口进入由单芯光纤光栅、掺铒光纤和外部参考光栅或由单芯光纤光栅、掺铒光纤和五芯光纤光栅探针构成的线性谐振腔中激发铒离子产生受激辐射光，并在谐振腔内多次反射得到增强；当辐射光在谐振腔中的一个振荡周期内所获得的增益大于损耗时，产生窄线宽的激光，产生的激光从波分复用器的另一个端口输出，并被光谱分析仪检测到输出激光的波长，传输至计算机中；当五芯光纤光栅探针与待测构件发生触测时，五芯光纤光栅探针内的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，在计算机控制下通过切换多路光开关，利用光谱分析仪检测五芯光纤光栅探针中五根光纤光栅和外部参考光栅分别作为波长选择器件时输出激光中心波长；数据处理中，当五芯光纤光栅探针中心外正交的两组光纤光栅分别作为线性腔光纤激光器波长选择器件时，线性腔光纤激光器输出激光波长做差分数据处理，解耦二维径向触测位移和温漂；当五芯光纤光栅探针中心的光纤光栅和外部参考光栅分别作为线性腔光纤激光器波长选择器件时，线性腔光纤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，实现无温度耦合的三维微尺度测量。