CN1160546C - 一种产品表面多参数非接触离焦检测的光纤传感器 - Google Patents

Abstract

一种产品表面多参数非接触离焦检测的光纤传感器，该传感器主要由激光光源，Y型光纤耦合器，由光纤传光束和显微物镜组成的传感器探头，参考光纤、接收光纤阵列和光电接收器组成，光纤传光束由九根光纤组成，九根光纤以十字交叉等间隔对称分布的形式构成一个“轮辐式”二维阵列；Y型光纤耦合器的公共端与中心光纤相连，作为发射和接收光的共同通道，其它八根接收光纤及参考光纤通过接收光纤阵列与光电接收器相连，通过特殊的信号提取，可分别获得不受光源波动和被测面反射率变化影响的粗糙度、尺寸、形状等信息，实现产品多参数非接触无损检测。具有结构简单、体积小、测量精度高等优点。

Description

一种产品表面多参数非接触离焦检测的光纤传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器，特别涉及一种用于产品表面多参数非接触检测的光纤传感器，属于精密测量技术领域。

背景技术

产品质量的检测，包括尺寸与表面形貌的检测，前者又包括长度(length)尺寸和平面度、圆柱度、垂直度等形位(form and position)尺寸检测；而后者可分为表面微观形貌(如粗糙度roughness)和宏观形貌(即形状shape)的检测。近年来，产品尺寸与形貌检测的新技术、新方法不断出现，由于光学检测技术具有快速、非接触无损检测、抗电磁干扰、可以方便地进行线扫描或区域扫描检测等内在的优点而使其在位移、形状和表面粗糙度测量方面受到众多研究机构和工业界的青睐。特别是那些基于强度调制原理和干涉技术的光纤检测技术在许多学术刊物上有过报道。例如[Clive Butler and GregotiosGregoriou，“A novel non-contact sensor for surface topography measurement usinga fiber optic principle”，Sensors and Actuators A，31，68-74(1992)]，利用光纤离焦式探测技术，通过同心圆结构排列的七芯光纤传光束结构和显微物镜组实现了产品表面粗糙度的实验室非接触检测，系统的结构紧凑、成本低。

从目前在这一领域的进展来看，一般的传感器都是针对单一被测参数而服务于专用仪器或装置的，只能实现某一类型产品的单项参数的测量.尽管国内外学者，如[S.H.Wang，C.J.Jin，C.J.Tay，C.Quan，H.M.Shang，“Design of an optical probe for testingsurface roughness and micro-displacement，”Precision Engineering，25258-265(2001)]提出过双参数产品质量测量方法，但仍无法满足对具有复杂结构和高精度要求的产品多参数检测与全面综合评价的要求；也很难做到将产品的三维尺寸坐标检测和微观形貌的检测融为一体，而且还存在以下技术问题和不足：①被测表面反射率的变化会影响光学检测方法的性能；②测量系统结构复杂，所用元件较多，难以调节；③被测表面的倾斜会影响尺寸高度的检测结果；④由于探头结构尺寸的限制，只适用于平坦表面或产品的外表面检测，而对产品内表面，尤其是具有相对很小的复杂内形面的产品检测问题难以解决。

发明内容

本发明的目的在于不仅为了克服已有技术的不足之处、提出一种体积小、实用可靠、精度高的用于产品质量检测的非接触式离焦探测光纤传感器，还可以通过同一套装置实现产品尺寸、粗糙度、表面高度、表面倾斜度等多参数的非接触无损检测。

本发明的技术解决方案如下：

一种表面多参数非接触离焦检测的光纤传感器，主要包括光源，光纤传光束和显微物镜组成的传感器探头，光电接收器，其特征在于：所述的光纤传光束由九根光纤组成，所述的显微物镜采用光纤自聚焦透镜，一定的距离固结在光纤传光束的下端面，在光源与传感器探头之间装有Y型光纤耦合器，Y型光纤耦合器的入射端与光源相连，其公共端与光纤传光束的中心光纤相连，其出射端以及光纤传光束中的其它八根接收光纤通过接收光纤阵列与光电接收器相连。

本发明所述的光纤传光束中的九根光纤是以十字交叉等间隔对称分布的形式构成一个“轮辐式”二维阵列的形式。

本发明的特征还在于：在光源与Y型光纤耦合器之间装有一个1×2光纤分束器，该分束器的一端与Y型光纤耦合器的入射端相连，其另一端通过参考光纤与接收光纤阵列相连。

本发明中所述的接收光纤阵列采用十根并行排列的多模光纤，并以一定的顺序分别与参考光纤、光纤传光束的中心光纤(探头中心接收光纤)和其它八根接收光纤相连。

本发明中所述的光纤传光束、Y型光纤耦合器及1×2光纤分束器中的光纤均采用多模光纤。

本发明具有如下优点及有益效果：

①本发明不仅可以实现利用同一套装置对表面粗糙度、尺寸、形状等多参数的检测，而且传感器探头尺寸小，可以根据测量范围的不同要求制成一系列结构参数不同的探头，互换性好，最小尺寸可到3mm，特别适合于在空间狭小的测量条件下使用。

②测量精度高，通过参考光路设计减小了光源波动、表面反射率变化等对传感器测量特性的影响。

③传感器探头由全光学元件构成，电绝缘、安全性好、结构简单、成本低、实用性强；

④测量为非接触方式，无测量力，对表面无损伤，特别适合软质和脆性材料产品的检测。

附图说明

图1为本发明的原理结构示意图。

图2为本发明实施例传感器探头原理结构示意图。

图3为本发明实施例探头中“轮辐式”二维光纤阵列排列结构示意图。

图4为本发明实施例传感器接收光纤所探测到的信号特性曲线。

图5为本发明实施例传感器对沟槽形状及尺寸的检测结果曲线。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明提出的多参数非接触离焦检测光纤传感器的具体结构、测量原理及优选方式：

图1为本发明实施例的原理结构示意图。它主要包括光源11、光纤分光器12、Y型光纤耦合器13、传感器探头15、参考光纤19、接收光纤阵列17和光电接收器18。传感器探头15由光纤传光束22和显微物镜23组成，显微物镜采用光纤自聚焦透镜，以一定的距离固结在光纤传光束的下端面；光纤传光束22由九根光纤组成(如图2所示)；这九根光纤以十字交叉等间距对称分布的结构组成二维阵列式探头结构，就像一个“轮辐”的样子，因此也被称作“轮辐式”排列形式。Y型光纤耦合器13设置在光源11与传感器探头15之间，Y型光纤耦合器的入射端20与光源相连，其公共端14与光纤传光束的中心光纤相连，作为入射光和出射光的共同通道，其它八根全部作为接收光纤；Y型光纤耦合器13的出射端以及光纤传光束中的其它八根接收光纤16通过接收光纤阵列17与光电接收器18相连。

传感器探头结构原理如图2所示，其中包括光纤传光束22和位于传光束下面处固结的一个光纤自聚焦透镜23作为显微物镜，这样由中心光纤发出的入射光经被测表面反射后，共由九根光纤接收，这九根光纤连同作为参考信号通道的参考光纤19共同与一个由十根光纤组成的并行光纤阵列17接收，然后由光电接收器18将这十路光信号转变成电信号，由后续的信号处理系统进行处理和分析；测量时，从发光二极管11(LED)发出的红光通过1×2分束器12后，5％的光通过参考光纤19直接与接收光纤阵列17相连并由光电探测器18接收，作为光源强度波动的参考信号，95％的光被耦合进入Y型光纤耦合器13的入射端口20，并通过传感器探头15中的中心光纤照射到被测表面上，经被测表面调制后的反射光分别由Y型耦合器的公共端口14和外围的八根光纤16接收，这九根接收光纤组成接收光纤束21，并分别与接收光纤阵列17中的对应光纤相连接，并由光电接收器18进行光电转换。这样，光电接收器一共会探测到10路信号，每路信号通过光纤与光电接收器阵列的一个像元相对应耦合，光电接收器采用滨松公司的S6493型线阵硅光电探测器阵列，共有64个像元(这里只用其中的10个)，光谱范围200～1000nm，像元尺寸为0.6mm。

图3为探头中“轮辐式”二维光纤阵列排列结构示意图。设中心光纤以R₀表示，其它外围八根光纤输出光纤以A_i和B_i(i＝1，2，3，4)表示。

如果被测表面刚好处在显微物镜的焦平面上，如图3，所有的调制反射光将全部进入中心的接收光纤R₀，其光电转换后的输出信号设为Q_R0，而没有光进入其它接收光纤中；当被测表面处于焦平面前或焦平面后(离焦情况)时，就会有较少的光进入中心接收光纤，而更多的光会被其它八根光纤接收，所接收到的光强信号为Q_i，j(i＝A，B；j＝1，2，3，4)，如图4所示，图中可以看到，中心接收光强信号和其它八根接收的光强信号分别在前离焦面和后离焦面的某一个位置出现两个相交点S₀ ^-和S₀ ⁺，其中处于前离焦面的相交点可以作为一个探头趋近速度触发信号，而后一个相交点可以作为粗糙度测量触发信号，当探头移动到这个位置时，可以根据这个信号控制降低驱动速度，以使探头缓慢地逼进后离焦面的触发点，从而可以提高粗糙度检测的精度；可以断定，这两个触发信号的重复性是很好的，而且它们不受表面反射率变化的影响，原因是反射率的变化将同时影响图4中的两个接收光强曲线，而使两者的比值基本保持不变；下列信号可以用于记录表面粗糙度测量信息

$T\left(s\right){|}_{s=s_2}=\frac{Q_{R0}}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}(Q_{\mathrm{Ai}}+Q_{\mathrm{Bi}})}=1--\left(1\right)$

在表面粗糙度的测量过程中，依据(1)式的触发信号，使探头到被测表面的距离始终保持不变，由沿Z-轴方向的微位移控制及读数系统控制并记录微位移的变化值，这样，所记录的微位移信息就相当于被测表面的粗糙度信息；

当用于位移、表面高度或产品尺寸测量时，不需要微位移控制及读数系统，只要通过Z方向的导轨将传感器探头移动到适当的工作点处，然后就可以通过X或Y向的直线扫描，通过传感器自身的测量特性完成测量及记录过程了，此时传感器测量方程定义为：

$D\left(s\right)=\frac{\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{A,j}-\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{B,j}}{\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{A,j}+\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{B,j}}--\left(2\right)$

由于D(s)为检测光强信号的比值，减小了外界环境光等干扰，同时由于D(s)信号的处理方法是将内圈光纤强度信号与外圈光纤强度信号分别取和作为整体，因此，在某一个方向的表面的倾斜对测量的影响就会被一定程度的平衡掉，从而在一定的倾斜度范围内，位移测量的特性基本不受表面倾斜的影响；

当用于倾斜角度测量时，在相互垂直的两个方向上的测量方程定义为

$A\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{(Q_{A1}+Q_{B1})-(Q_{A3}+Q_{B3})}{Q_{A1}+Q_{B1}+Q_{A3}+Q_{B3}},A\left(\mathrm{\β}\right)=\frac{(Q_{A2}+Q_{B2})-(Q_{A4}+Q_{B4})}{Q_{A2}+Q_{B2}+Q_{A4}+Q_{B4}}--\left(3\right)$

由于它们同样是比值信号，因此同D(s)信号一样，可以减小外界环境光等干扰，同时，倾斜角的测量在一定程度上也不受距离波动的影响。

图5为传感器对一个具有不同宽度的沟槽表面检测的结果曲线，从曲线可以看出，传感器可以较好地分辨和描绘出沟槽的形状和尺寸。表1为对一个外螺纹牙型分别用所提出的传感器(FOS)和用万能工具显微镜(UTMM)的检测结果的对比数据，从测量结果可以看出，两者符合的较好，证明了所提出的表面多参数非接触离焦检测的光纤传感器的设计正确性和实用性。

                 外螺纹牙型参数测量结果比对(单位：mm)

被测量	测量方法	牙型1	牙型2	牙型3	牙型4	牙型5	牙型6
								螺距	FOS	4.00382	4.00459	4.00027	3.99808	4.00339	4.00150
UTMM	4.00296	4.00362	3.99951	3.99724	4.00447	4.00053
							大径		FOS	29.52280	29.52057	29.50174	29.51887	29.52964	29.51369
UTMM	29.52369	29.51815	29.49960	29.52089	29.53127	29.51302

                                                  表1

Claims (4)

1.一种产品表面多参数非接触离焦检测的光纤传感器，主要包括光源(11)，光纤传光束(22)和显微物镜(23)组成的传感器探头(15)，光电接收器(18)，其特征在于：所述的光纤传光束由九根光纤组成，所述的显微物镜采用光纤自聚焦透镜，以一定的距离固结在光纤传光束的下端面，在光源与传感器探头(15)之间装有Y型光纤耦合器(13)，Y型光纤耦合器的入射端(20)与光源相连，其公共端(14)与光纤传光束的中心光纤相连，其出射端以及光纤传光束中的其它八根接收光纤通过接收光纤阵列(17)与光电接收器(18)相连；在所述的光源与Y型光纤耦合器之间装有一个1×2光纤分束器(12)，其一端与Y型光纤耦合器的入射端相连，另一端通过参考光纤(19)与接收光纤阵列(17)相连。

2.按照权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：所述的光纤传光束中的九根光纤以十字交叉等间隔对称分布的形式构成一个“轮辐式”二维阵列的形式。

3.按照权利要求1或2所述的光纤传感器，其特征在于：所述的接收光纤阵列(17)为十根并行排列的多模光纤，以一定的顺序分别与参考光纤、探头中心接收光纤和其它八根接收光纤相连。

4.按照权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的光纤传光束、Y型光纤耦合器及1×2光纤分束器中的光纤均采用多模光纤。

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