[發明專利]光纖布拉格光柵FBG三維測頭

無效

• 申請號: 200810244304.7
• 申請日: 2008-11-21
• 公開（公告）號: CN101424522A
• 公開（公告）日: 2009-05-06
• 發明（設計）人: 費業泰;范哲光;丁邦宙;夏豪杰;盛立;王鑫;楊睿嫦
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司
• 代理人: 何梅生

技術領域

本發明涉及三維測頭，更具體地說是一種應用于復雜形狀測量機中的觸發式測頭。

背景技術

觸發式測頭是三維測頭中應用最為廣泛的測頭，最早的觸發測頭是由英國Renishaw公司研制。觸發測頭的測量原理是：當測頭測端與被測工件接觸時，測頭發出采樣脈沖信號，并通過測量機的定位系統鎖存此時測端球心的坐標值，以此來確定測端與被測工件接觸點的坐標。已有的觸發式測頭采用彈簧力作用的機械結構，當測桿和工件接觸產生的接觸力可以抵消彈簧力時，觸發機構的機械觸點脫離接觸，從而發出觸發信號。由于采用不對稱的結構，這種結構形式的測頭在各方向的測量力不一樣(各向異性)；由于采用彈簧力作用，使測頭需要較大的觸發力，給測桿帶來很大的變形誤差；由于傳感系統采用機械觸點式，分辨力低，因而大大限制了測頭分辨力進一步提高。

一種基于“免形狀測量原理”的復雜形狀測量機，主要用于對復雜形狀零件(如齒輪)的測量。測球直徑不能太大，否則會帶來很大的“畸變”誤差；在一次測量中要從各個方向接觸工件，所以對測頭的各向靈敏度一致性要求很高；復雜形狀測量機也用于測量細孔、槽類零件，因此測頭的測桿不能太粗；而很細的測桿剛度小，因此測量力不能太大；為了達到高的測量精度，必須提高測頭的分辨力。但是，針對這些要求，目前沒有能滿足的測頭。

光纖布拉格光柵FBG是一種新型的傳感元件。它具有靈敏度高、抗電磁干擾能力強、結構簡單、尺寸小等特點。它的傳感原理為寬帶光源射入FBG時，符合FBG中心波長的光被反射回來，而其他波長的光透射過去。FBG的中心波長是由FBG的周期和折射率決定的，FBG的軸向應變能改變它的周期。因此，當FBG受到軸向應變時，它的中心波長發生變化，用相應的探測設備，能夠分辨出這個變化。目前，FBG的應用在其他領域中已經廣泛，如對大橋、大壩的健康以及航天設備的檢測，但是，迄今為止，光纖布拉格光柵FBG還沒有在三維測頭中進行應用。

發明內容

本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，利用均布懸絲柔性支撐系統的阻力小、對稱性好，FBG的靈敏度高、質量輕，測針細等優點，提供一種具有各向同性好、分辨力高、觸發力小、畸變誤差小的光纖布拉格光柵FBG三維測頭。

本發明解決技術問題采用如下技術方案：

本發明光纖布拉格光柵FBG三維測頭的結構特點是采用具有端部測球的測桿，測桿以頂端固聯在支架的中心，測桿與支架呈“T”形設置，支架是在同一平面上120°均勻分布的三根叉桿，構成柔性支撐系統的三根懸絲一端固定連接在支架的中心，另一端以120°的間隔固定連接在處在支架外周的支撐圈上，支架和支撐圈處在同一水平面上，光纖布拉格光柵FBG的一端固定連接在所述支架的叉桿端部，另一端固定連接在處在支架的正上方的水平固定架上。

參照圖2(a)，激光從寬帶光源11出射，經過2×3耦合器12進入到三根傳感FBG?13中，從傳感FBG??13反射回來的光經過2×3耦合器12后，經過另一個2×2耦合器14進入匹配FBG?15，從匹配FBG反射回來的光經過2×2耦合器14后進入探測器16，探測器結果由處理系統17進行處理。

參照圖2(b)，當傳感FBG和匹配FBG均未發生應變時，它們的中心波長一致，因此，探測器接收到的光強最強為E₁，當傳感FBG發生應變，并且中心波長變化Δλ時，由于匹配FBG沒有發生變化，所以，探測器接收到的光強為E₂，并且E₁＞E₂。

測量原理：

FBG波長λ_B取決于光柵周期Λ和纖芯有效折射率n_eff。

λ_B＝2n_effΛ

應力引起FBG中心波長漂移可由下式描述：

Δλ_B＝2n_effΔΛ+2Δn_effΛ

式中ΔΛ為光纖本身在應力作用下的彈性形變

Δn_eff-光纖的彈光效應引起的有效折射率的變化

當光纖布拉格光柵FBG受到軸向應變時，中心波長將發生變化，中心波長的變化導致探測器接收到的能量變化，根據探測器的輸出結果，系統作出是否發訊的判斷。

與已有技術相比，本發明有益效果體現在：

1、本發明中采用光纖布拉格光柵FBG作為傳感元件，對軸向應變靈敏度高，可以從根本上提高測頭的分辨力；