CN1329709C

CN1329709C - 双光纤耦合接触式微测量力瞄准传感器

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Publication number: CN1329709C
Application number: CNB2005100722545A
Authority: CN
Inventors: 谭久彬; 崔继文
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2005-05-27
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2025-05-27
Also published as: CN1737493A

Abstract

本发明涉及一种可伸入微深孔内将耦合器触头与内孔边缘触测位置转换成光束转角信息的双光纤耦合接触式微测量力瞄准传感器，由探针、显微物镜、CCD摄像系统、软件处理系统组成，所说的探针由两根光纤组成，其中一根光纤作为入射光纤，另一根作为出射光纤，入射光纤和出射光纤的一端与耦合器固定连接，耦合器作为探针的触点，光束经入射光纤导入耦合器后由出射光纤导出，导出光束经显微物镜进入CCD摄像系统，通过图像处理技术即可得到出射光束在CCD上形成的光斑能量中心位置，由CCD上光斑能量中心位置与传感器触测点在空间位置的一一对应关系即可得出传感器在空间的瞄准情况。本传感器可以实现对直径不小于0.01mm、深径比不大于50∶1的微深孔测量时的精确瞄准。

Description

双光纤耦合接触式微测量力瞄准传感器

技术领域

本发明涉及一种可伸入微深孔内将耦合器触头与内孔边缘触测位置转换成光束转角信息的双光纤耦合接触式微测量力瞄准传感器，尤其是在“亚宏观”领域中对微深孔和其它微小内尺寸测量时的精密瞄准发讯传感器。

背景技术

航空航天高性能、低消耗和精确化技术的发展导致精密微小尺寸零件越来越多，对精密微小尺寸的测量也提出了越来越高的要求。在这些精密微小内尺寸中，对微深孔几何参数的测量问题一直是制约伺服机构和发动机性能提高的技术“瓶颈”，急需探讨一种可实际应用于微深孔几何参数测量的方法。

目前，对微深孔几何参数的测量方法很少，测量精度不高，尤其是对于大深径比的微小孔，几乎没有一种完善的测量方法。1997～1998年，天津大学和德国联邦物理研究院(PTB)联合研制出单光纤配合CCD图像处理的方法(1.天津大学，一种接触式光学测量方法和使用该方法的微型三维测头，中国专利申请号：98115367.4 1998-06-30；2.吉贵军，H Schwenke，E Trapet，罗震，发动机喷油嘴微小喷油孔尺寸和形状测量系统，内燃机学报1998，16(4)：475～479；3.吉贵军，H Schwenke，E Trapet等，光学接触式微型三维测量系统，仪器仪表学报2000，21(1)：95～97；4.Ji Guijun，Schwenke Heinrich，TrapetEuqen.An opto-mechanical microprobe system for measuring very small parts on CMMs.Proc SPIE Int Soc Opt Eng.1998，3454：348～353；5.Guijun Ji，Schwenke Heinrich，TrapetEuqen.Fiber optic sensor for measuring very small holes.Proc SPIE Int Soc Opt Eng.1999，3538：143～146；6.Schwenke H，Waldele F，Weiskirch C，el at.Opto-tactile sensor for 2D and3D measurement of small structures on coordinate measuring machines.CIRP Ann ManufTechnolog.2001，50(1)：361～364)。该方法把一微光珠粘结在光纤一端并作为物体成像于CCD上，并且把传感器在空间的横向位移量转变为微光珠在轴向的位移量，微光珠的轴向位移量的变化通过CCD捕捉到的图像信号亮度的变化来检测。但此方法中通过光纤进入微光珠的光大部分没有进入光学系统成像，CCD所捕捉的图像信号微弱，不利于后面的图像处理；当微光珠伸入微孔内部时，由于孔壁的“遮挡”效应使可测的深度很小，对大深径比的情况下，如深径比大于10：1时无法完成测量工作；而且由于CCD接收系统中光学物镜的景深作用，当光珠触测孔壁且在横向有一定位移量时，光珠的像不发生任何变化，从而使传感器的灵敏度低。

日本一些学者利用振动扫描测量方法实现了对微孔的测量(1.T.Masuzawa，Y.Hamasaki，M.Fujino.Vibroscanning Method for Nondestructive Measurement of SmallHoles.Annals of the CIRP.1993，42(1)：589～592；2.Beomjoon Kim，Takahisa Masuzawa，Tarik Bourouina.The Vibroscanning Method for the Measurement of Micro-hole Profiles.Meas.Sci.Technol.1999，(10)：697～705；3.Kim B J，Sawamoti Y，Masuzawa T，el at.Advanced vibroscanning method for microhole measurement.International Journal ofElectrical Machining.1995，(1)：41～44)，把探针与被测孔壁之间的空间位移变化转化为探针检测端电路的电压变化，但孔内部杂物或毛刺等对测量结果影响严重，从而使测量精度不高；同时由于探针的振动使探针极易折断，导致探针最小直径与长度不可能很大。为了提高测量精度与可测深度，又提出了双扫描探针与大长径比扫描探针(1.Bergaud C，Kim B J，Masuzawa T.Realisation of silicon-based twin microstylus for 3-dimensionalcharacterization of deep microholes.Proceedings of 3^rd France-Japan Congress & 1^stEurope-Asia Congresson on Mechatronics.1996，(2)：640～643；2.T.Masuzawa，B.J.Kim，C.Bergaud，el at.Twin-probe Vibroscanning Method for Dimensional of Microholes.Annals ofthe CIRP.1997，46(1)：437～440；3.B.J.Kim，T.Masuzawa，H.Fujita，el at.DimensionalMeasurement of Microholes with Silicon-based Micro Twin Probes.Proceeding of the IEEEMicro Methanical Systems(MEMS).1998：334～339；4.M.Yamamoto，H.Takeuchi，S.Aoki.Dimensional Measurement of High Aspect Ratio Structures with a Resonating MicroCantilever Probe.Microsystem Technologies.2000，(6)：179～183)。但即使对于大长径比的扫描探针，由于探针振动时的极易折断性使其可测深径比也不可能很大。

发明内容

本发明的目的是克服微深孔测量方法现有技术中存在的不足之处，提供一种适用于大深径比微深孔测量的双光纤耦合接触式微测量力瞄准传感器，通过双光纤耦合器及显微物镜将传感器触测头在微孔内的微小位移量转变为CCD图像捕捉系统的横向位移量，由图像空间灰度矩定位算法实现对孔壁测量时的高精度瞄准。

本发明的技术解决方案是：一种双光纤耦合接触式微测量力瞄准传感器，由探针、显微物镜、CCD摄像系统、软件处理系统组成，所说的探针由两根光纤组成，其中一根光纤作为入射光纤，另一根作为出射光纤，入射光纤和出射光纤的一端与耦合器固定连接，耦合器作为探针的触点，光束经入射光纤导入耦合器后由出射光纤导出，导出光束经显微物镜进入CCD摄像系统；

入射光纤与出射光纤胶结在一起或相互独立；

所述的耦合器是球形或椭球形玻璃；

所述的耦合器是截面为三角形的柱状玻璃；

所述的耦合器是单侧带有反射膜的平板玻璃；

所述的耦合器是圆柱形玻璃。

本发明的探针由两根光纤组成，两光纤固连形成刚度较大的测杆，于入射光纤术端弯曲处形成相对柔性的铰链；两根光纤中一根光纤作为入射光纤，另一根作为出射光纤，两根光纤的一端与耦合器固定连接，耦合器作为探针的触点，光束经入射光纤导入耦合器后由出射光纤导出，导出光束经显微物镜进入CCD摄像系统，通过图像空间灰度矩定位算法得到出射光束在CCD上形成的光斑能量中心位置，由CCD上光斑能量中心位置与传感器触测点在空间位置的一一对应关系即可得出传感器触测头在孔内部与孔壁的接触状况。当传感器触测头瞄准时，即双光纤共球耦合器触测被测孔内壁，由于孔壁的“阻挡”使耦合器在横向不再发生位移；若传感器固定端相对孔壁继续移动，在测力的作用下刚性测杆则绕柔性铰链偏转一微小角度，从出射光纤导出的出射光束同步偏转，该光束经光学系统成像在CCD像平面上，该光斑中心相对初始位置的偏移量反映了出射光束的偏转角；确定测量力约为30μN时对应的位置为发讯零位，则表明触测点与孔壁可靠接触，在该位置上已经精确瞄准。

本发明的优点是：

(1)可测最小微深孔直径达φ0.01mm，只受光纤纤芯直径限制。

(2)可测最大深径比达到50∶1以上。对于直径为φ0.01mm～φ0.03mm的孔，可测深径比达50∶1；对直径为φ0.03mm～φ0.05mm的孔，可测深径比达40∶1；对直径为φ0.05mm～φ0.1mm的孔，可测深径比达30∶1；对直径为φ0.1mm～φ0.2mm的孔，可测深径比达20∶1；对直径为φ0.2mm～φ0.3mm的孔，可测深径比达15∶1；对直径为φ0.3mm～φ0.5mm的孔，可测深径比达10∶1。

(3)受力光纤与检测光纤分开，保证检测光纤不受触测力影响。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是接触式微测量力瞄准传感器系统构成示意图；

图2a是实施例1的探针示意图；

图2b是实施例2的探针示意图；

图3a是实施例3的探针示意图；

图3b是实施例4的探针示意图；

图4a是实施例5的探针示意图；

图4b是实施例6的探针示意图；

图5a是实施例7的探针示意图；

图5b是实施例8的探针示意图；

图6a是实施例9的探针示意图；

图6b是实施例10的探针示意图；

图7a是实施例11的探针示意图；

图7b是实施例12的探针示意图；

图8a是实施例13的探针示意图；

图8b是实施例14的探针示意图。

具体实施方式

图1是接触式微测量力瞄准传感器系统构成示意图，激光器1发出的激光束经扩束准直镜2进入光纤耦合透镜3进行聚焦，聚焦后的激光束由入射光纤4导入耦合器7后进入出射光纤8，由出射光纤射出的激光束经成像显微物镜9后被CCD摄像机10捕获，由CCD摄像机10捕获的图像信号传送计算机11进行图像处理，机械弯曲件5将入射光纤4弯曲以便提供图像捕获空间，耦合器7与被测孔6接触，感知探针触点与被测表面的接触情况。

由图1可知本发明的特征是：探针由两根光纤组成，其中一根光纤作为入射光纤4，另一根作为出射光线8，两根光纤的一端与耦合器7固定连接，耦合器7作为探针的触点，光束经入射光纤4导入耦合器7后由出射光纤8导出，导出光束经显微物镜9进入CCD摄像系统10。

图1中采用了机械弯曲件5将入射光纤4弯曲以便提供图像捕获空间，也可以不使用机械弯曲件5，而直接用热定型法将入射光线4弯曲以便提供图像捕获空间。

本发明的瞄准过程包括如下步骤：

1.提前半小时打开激光器，使激光器发出的光束稳定。

2.调整光纤耦合透镜3与入射光纤4之间的相对位置与姿态，保证最大光能量进入入射光纤。

3.调整出射光纤8与显微物镜9之间的相对位置与姿态，保证出射光纤8的出射端面相对显微物镜9是一个近轴区内物体，以提高成像质量。

将耦合器伸入被测微深孔内部，并使之与被测微深孔产生相对位移，当触测头位于发讯零位时传感器精确瞄准。

本发明所述的耦合器可以是球形或椭球形玻璃、单侧带有反射膜的平板玻璃、截面为三角形的柱状玻璃或圆柱形玻璃。入射光纤和出射光纤可以胶结在一起或相互独立，出射光纤的出射端面可以位于机械弯曲件底面以下或底面以上。

下面通过实施例详细说明探针的结构，其中各实施例的传感器系统构成均如图1所示。

实施例1：

本实施例探针结构如附图2a所示，耦合器14为球形玻璃，入射光纤12和出射光纤13的一端与耦合器14固定连接，入射光纤12和出射光纤13胶结在一起，且出射光纤13的出射端面位于机械弯曲件5底面以下；

实施例2：

本实施例探针结构如附图2b所示，耦合器17为球形玻璃，入射光纤15和出射光纤16的一端与耦合器17固定连接，入射光纤15和出射光纤16的端部平行，且出射光纤16的出射端面位于机械弯曲件5底面以上；

实施例3：

本实施例探针结构如附图3a所示，耦合器20为球形玻璃，入射光纤18和出射光纤19的一端与耦合器20固定连接，入射光纤18和出射光纤19胶结在一起，且入射光纤18和出射光纤19成一定的角度，且出射光纤19的出射端面位于入射光纤18端面以下；

实施例4：

本实施例探针结构如附图3b所示，耦合器23为球形玻璃，入射光纤21和出射光纤22的一端与耦合器23固定连接，入射光纤21和出射光纤22胶结在一起，且入射光纤21和出射光纤22的端部平行，且出射光纤22的出射端面位于入射光纤21端面以上；

实施例5：

本实施例探针结构如附图4a所示，耦合器26为球形玻璃，入射光纤24和出射光纤25的一端与耦合器26固定连接，入射光纤24和出射光纤25成一定的角度；

实施例6：

本实施例探针结构如附图4b所示，耦合器29为球形玻璃，入射光纤27和出射光纤28的一端与耦合器29固定连接，入射光纤27和出射光纤28的端部平行；

实施例7：

本实施例探针结构如附图5a所示，耦合器32为椭球形玻璃，入射光纤31和出射光纤30的一端与耦合器320固定连接，入射光纤31和出射光纤30成一定的角度；

实施例8：

本实施例探针结构如附图5b所示，耦合器35为椭球形玻璃的探针示意图，入射光纤34和出射光纤33的一端与耦合器35固定连接，入射光纤34和出射光纤33的端部平行；

实施例9：

本实施例探针结构如附图6a所示，耦合器38为一面带有反射膜39的平板玻璃，入射光纤37和出射光纤36的一端与耦合器38固定连接，入射光纤37和出射光纤36成一定的角度；

实施例10：

传感器系统构成如图1所示，本实施例探针结构如附图6b所示，耦合器42为一面带有反射膜43的平板玻璃，入射光纤41和出射光纤40的一端与耦合器42固定连接，入射光纤41和出射光纤40的端部平行；

实施例11：

本实施例探针结构如附图7a所示，耦合器46为截面是三角形的柱状玻璃，入射光纤45和出射光纤44的一端与耦合器46固定连接，入射光纤45和出射光纤44成一定的角度；

实施例12：

本实施例探针结构如附图7b所示，耦合器49为截面是三角形的柱状玻璃，入射光纤48和出射光纤47的一端与耦合器49固定连接，入射光纤48和出射光纤47的端部平行；

实施例13：

本实施例探针结构如附图8a所示，耦合器52为圆柱形玻璃，入射光纤51和出射光纤50的一端与耦合器52固定连接，入射光纤51和出射光纤50成一定的角度；

实施例14：

本实施例探针结构如附图8b所示，耦合器55为圆柱形玻璃，入射光纤54和出射光纤53的一端与耦合器55固定连接，入射光纤54和出射光纤53的端部平行。

本发明中所用到的光纤可以是多模光纤也可以是单模光纤，单模光纤纤芯直径较小，适用于小直径孔的测量，也可以在同一个传感器中单模光纤与多模光纤混合使用；还可以根据需要选择特种光纤，应根据实际需要选择。

本发明中所用到的光纤可以是带有包层的光纤，也可以是裸光纤，还可以是在局部如接近耦合器的位置使用腐蚀法剥去包层露出纤芯的光纤。

关于耦合器的制作和耦合器与光纤的固定连接推荐一种较简单、方便的方法：将两根裸光纤或局部去掉包层的光纤在端部进行接触，并采用热熔法使光纤融合，形成球形或椭球形耦合器并完成了与光纤的固定连接；对于耦合器为单侧带有反射膜的平板玻璃、截面为三角形的柱状玻璃及圆柱形玻璃对过胶结的方法实现光纤与耦合器的固定连接。

本发明集机械加工技术、激光技术、CCD成像技术、光纤技术、光纤耦合技术等于一体，把光纤耦合原理、光学成像原理、光电转换原理、图像处理技术等应用于同一测试装置，为实现微深通、盲孔尺寸测量提供高精度的瞄准信号。光学成像可以采用高斯成像原理，通过特制的大工作距、高倍率、高品质显微物镜对被返回光纤端面进行高品质成像，并由光电转换器件CCD将被测信息转换成为易于识别与处理的数字电信号，经由计算机采集、判断、处理与分析等，最终直接给出当前传感器探针对孔壁的瞄准情况和探针在空间的位置情况。本发明中的瞄准方法和检测属于光电微力接触式传感方式，既能保证机械接触式测量中可靠性和单一性，又可以保证了光学测量方法的快速性和高精度，传感器可以实现微深孔尺寸测量的精确瞄准。

Claims

1.一种双光纤耦合接触式微测量力瞄准传感器，由探针、显微物镜、CCD摄像系统、软件处理系统组成，其特征是：所说的探针由两根光纤组成，其中一根光纤作为入射光纤，另一根作为出射光纤，入射光纤和出射光纤的一端与耦合器固定连接，耦合器作为探针的触点，光束经入射光纤导入耦合器后由出射光纤导出，导出光束经显微物镜进入CCD摄像系统。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征是：入射光纤与出射光纤胶结在一起或相互独立。

3.如权利要求1或2所述的传感器，其特征是：所述的耦合器是球形或椭球形玻璃。

4.如权利要求1或2所述的传感器，其特征是：所述的耦合器是截面为三角形的柱状玻璃。

5.如权利要求1或2所述的传感器，其特征是：所述的耦合器是单侧带有反射膜的平板玻璃。

6.如权利要求1或2所述的传感器，其特征是：所述的耦合器是圆柱形玻璃。