[發明專利]基于一維微焦準直的微小內腔尺寸和二維坐標傳感方法與裝置

有效

• 申請號: 200910071624.1
• 申請日: 2009-03-24
• 公開（公告）號: CN101520314A
• 公開（公告）日: 2009-09-02
• 發明（設計）人: 譚久彬;王飛;崔繼文
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;G01B11/03
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于精密儀器制造及測量技術領域，特別是一種“亞宏觀”領域中對微小、復雜內腔的結構尺寸和二維坐標的傳感方法與裝置，尤其適用于大深徑比微小孔的測量。

背景技術

工業產品發展的趨勢之一就是內尺度微小化與精密化，隨著航空航天工業、電子工業、醫療器械的發展，精密微小內腔構件的需求急劇增長，如燃料射噴管、慣性儀表、光纖插芯、拉絲模、電路印板和醫療器械中的孔(如：耳咽管)等。由于受到空間尺度的限制以及測量接觸力的影響，微小內腔構件內尺度的精密測量變得難以實現，尤其是測量深度難以提高，這些已成為制約行業發展的“瓶頸”。顯微鏡成像法雖然可以測量微小內腔尺寸，但是測量深度受到很大限制，無法進一步擴展應用領域。為了實現更小的內尺寸測量、增加測量深度，最廣泛使用的辦法是使用細長的探針伸入微小內腔進行探測，通過瞄準發訊的方式測量不同深度上的微小內尺寸。因此，目前微小內腔尺寸的精密測量主要以坐標測量機(CMM，Coordinate?Measuring?Machine)結合具有纖細探針的瞄準發訊式探測系統(PS，Probing?System)為主，其中坐標測量機技術的發展已經比較成熟，可以提供精密的三維空間運動，因此瞄準觸發式探針的探測方式成為微小內腔尺寸探測系統設計的關鍵。

目前，微小內尺寸測量的主要手段包括以下幾種方法：

1、中國天津大學的楊世民教授等人提出一種彈性尺寸傳遞理論，基于這一原理研制了膜片式盲小孔測頭，以膜片為敏感元件，把測桿視為變形很大的彈性體，通過精密標定自動補償彈性測桿變形誤差，將測頭安裝在三坐標測量機上，可對各種方向的通盲小孔進行接觸測量，測出其任意截面的尺寸和形狀誤差，可以測量Φ300μm、深徑比為40的盲孔，測量結果的不確定度為1μm(楊世民，李樹和，張國雄等。膜片式小孔測頭的設計與研究，計量學報，1998年第19卷第2期)。這種方法測頭與測桿難以進一步小型化，測頭的最大非線性誤差為0.2μm，測量精度難以進一步提高。

2、日本的Masuzawa等人利用硅加工的工藝制作了硅質微型探針，把探針作為阻抗元件接入電路中，提出一種振動掃描的方法進行孔徑測量，把探針的機械變動量直接轉變為電信號進行測量，能夠對Φ100μm孔徑實施測量，測量深度可達到3mm，測量結果的不確定度為0.5μm(B.J.Kim，T.Masuzawa?and?T.Bourouina?The?vibroscanning?method?for?themeasurement?of?micro-hole?profiles，Meas.Sci.Technol.10(1999)697-705.)。這種方法由于采用了外加振動源，測量數據的漂移較大，另外，它的探針測頭末端幾何形狀為矩形，測量孔時存在盲區，導致測量精度只能到達亞微米級。

3、德國聯邦物理技術研究院(PTB，Physikalisch-Technische?Bundesanstalt)的Schwenke教授等人提出了一種微光珠散射成像法，實現了對探針測頭的二維監測，他們利用單光纖作為探針測桿，把微光珠粘接或者焊接到測桿末端，使光線耦合進入光纖內部傳播到微光珠上形成散射，用一個面陣CCD接收散射光形成敏感信號，實現了微力接觸式測量，測量了Φ214μm的孔徑，測量深度為0.8mm，測量結果的不確定度為1μm，測量力為μN量級(吉貴軍，Schwenke?H?Trapet?E，羅震。發動機噴油嘴微小噴油孔尺寸和形狀測量系統，內燃機學報，1998年，第16卷第4期)。后來Schwenke教授等人拓展了這種方法，在測桿上粘接了一個微光珠，同時增加了一路對該微光珠的成像光路，這使得該探測系統具備了三維探測能力，測量標準球時得到的標準偏差為0.2μm(H.Schwenke，F.C.Weiskirch，H.Kunzmann.Opto-tactile?Sensor?for?2D?and?3D?Measurement?of?Small?Structures?on?Coordinate?MeasuringMachines，Annals?of?CIRP?50/1(2001)，pp.361-364)。這種方法在測量深孔過程中，由于微光珠散射角度較大，隨著測量深度的增加，微光珠散射成像光斑的質量由于散射光線受到孔壁遮擋而逐漸降低，導致成像模糊，降低了測量精度，因此無法實施大深徑比的高精度測量。