[發明專利]基于光纖布拉格光柵的接觸式溫度無感三維探測傳感器

有效

• 申請號: 201110456051.1
• 申請日: 2011-12-16
• 公開（公告）號: CN102589439A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 崔繼文;李磊;楊福鈴;李俊英;譚久彬
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 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，特別涉及一種基于光纖布拉格光柵的接觸式溫度無感三維探測傳感器。?

背景技術

隨著航空航天工業、汽車工業、電子工業以及尖端工業等的不斷發展，對于精密微小內腔構件的需求急劇增長。由于受到空間尺度的限制以及測量接觸力的影響，微小內腔構件內尺寸的精密測量變得難以實現，尤其是測量深度難以提高，這些已然成為制約行業發展的“瓶頸”。為了實現更小的內尺寸測量、增加測量深度，最廣泛使用的辦法就是使用細長的探針深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，目前微小內尺寸的精密測量主要以坐標測量機結合具有纖細探針的瞄準發訊式探測系統為主，由于，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，微小內腔尺寸測量的主要手段包括以下幾種方法：?

1.天津大學的楊世民教授等人提出了一種彈性尺寸傳遞理論，并依據此理論研制了膜片式盲小孔測頭。該測頭以膜片為敏感元件，并運用電容傳感器來檢測膜片的形變，把測桿視為彈性體，通過精密標定，可以自動補償彈性測桿的變形誤差。將此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。這種測頭可以用于測量直徑0.3mm以上、深徑比達30的盲孔，測量的線性范圍±20μm，精度優于±1μm。這種方法測頭與測桿難以進一步小型化，且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T.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，測量深度為0.2mm。這種測量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?能達到亞微米級。?

3.德國聯邦物理技術研究院的H.Schwenke教授等人提出了一種微光珠散射成像法，實現了對探針測頭位置信息的二維檢測。該方法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。后來H.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有了三維探測能力，測量標準球時得到的標準偏差為0.2μm。據相關報道，此方法課實現測量Φ151μm的孔徑，測量深度為1mm。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。?

4.中國哈爾濱工業大學譚久彬教授和崔繼文博士等人提出一種基于雙光纖耦合的探針結構，把兩根光纖通過末端熔接球連接，熔接球作為測頭，一根較長光纖引入光線，另外一根較短導出光線，克服了微光珠散射法測量深度的局限，可以實現對直徑不小于0.01mm、深徑比不大于50∶1的微深孔測量時的精確瞄準。這種方法耦合球中存在相干光干涉，導致獲取的信號信噪比較低，影響測量精度進一步提升。?

5.美國國家標準技術研究院使用了單光纖測桿結合微光珠測頭的探針，通過光學設計在二維方向上將光纖測桿成像放大35倍左右，用2個面陣CCD分辨接收二維方向上光纖測桿所成的像，然后對接收到的圖像進行輪廓檢測，從而監測光纖測桿的在測量過程中的微小移動，進而實現觸發式測量，該探測系統的理論分辨力可以達到4nm，探測系統的探針測頭直徑為Φ75μm，實驗中測量了Φ129μm的孔徑，其擴展不確定度概算值達到了70nm(k＝2)，測量力為μN量級。這種方法探測分辨力高，測量精度高，使用的測頭易于小型化，可以測量較大深徑比的微孔。該方法的局限是成像單元對光纖測桿的微位移放大倍數較低(僅有35倍)，必須通過圖像算法進一步提高分辨力，探測光纖測桿的二維微位移必須使用兩套成像系統，導致系統結構比較復雜，測量數據計算量比較大，這些因素導致探測系統的分辨力難以進一步提高，探測系統的實時性較差，系統構成比較復雜。?