[發明專利]基于四芯光纖光柵的三維微尺度測量裝置及方法

有效

• 申請號: 201410030736.3
• 申請日: 2014-01-17
• 公開（公告）號: CN103759641A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發明（設計）人: 崔繼文;馮昆鵬;譚久彬
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01B11/22
• 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，特別涉及一種基于四芯光纖光柵的三維微尺度測量裝置及方法。

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，對于精密微小構件的需求急劇增長。由于受到空間尺度和待測微小構件遮蔽效應的限制以及測量接觸力的影響，微小構件尺度的精密測量變得難以實現，尤其是測量微小內腔構件的深度難以提高，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構件的內腔進行探測，通過瞄準發訊的方式測量不同深度上的微小內尺寸。因此，目前微小構件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構件尺寸探測系統設計的關鍵。

目前，微小構件尺寸測量的主要手段包括以下幾種方法：

1.中國哈爾濱工業大學譚久彬教授和崔繼文教授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通，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15∶1的微深孔測量時的精確瞄準。這種方法雖然在一定程度上克服了遮蔽效應，但耦合球實現的反向傳輸的光能量十分有限，測量深度難以進一步提升。

2.美國國家標準技術研究院使用了單光纖測桿結合微光珠的探針，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，探測系統的探針直徑為Φ75μm，實驗中測量了Φ129μm的孔徑，其擴展不確定度概率值達到了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。但該方法探測光纖測桿的二維觸測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實時性較差，系統構成比較復雜。

3.瑞士聯合計量辦公室研發了一個新型的坐標測量機致力于小結構件納米精度的可追跡的測量。該測量機采用了基于并聯運動學原理的彎曲鉸鏈結構的新型接觸式探針，該設計可以減小移動質量并且確保全方向的低硬度，是一個具有三維空間結構探測能力的探針。這一傳感結構的測量力低于0.5mN，同時支持可更換的探針，探針直徑最小到Φ100μm。探測系統結合了一個由Philips?CFT、開發的高位置精度的平臺，平臺的位置精度為20nm。該測量系統測量重復性的標準偏差達到5nm，測量結果的不確定度為50nm。該種方法結構設計復雜，同時要求測桿具有較高的剛度和硬度，否則難以實現有效的觸測位移傳感，這使得測桿結構難以進一步小型化，測量的深徑比同時受到制約，探測系統的分辨力難以進一步提高。

4.中國哈爾濱工業大學崔繼文教授和楊福鈴等人提出了一種基于FBG?Bending的微孔尺寸測量裝置及方法，該方法利用光纖光柵加工的探針和相應的光源、檢測裝置作為瞄準觸發系統，配合雙頻激光干涉儀測長裝置，可以獲得不同截面的微孔尺度。該方法的微尺度傳感器在觸測變形時，探針的主要應力不作用于光纖光柵上，系統的分辨率很低，難以進一步提高。

綜上所述，目前微小尺寸和坐標探測方法中，由于光纖制作的探針具有探針尺寸小、測量接觸力小、測量的深徑比大、測量精度高的特點而獲得了廣泛關注，利用其特有的光學特性和機械特性通過多種方式實現了一定深度上的微小尺寸的精密測量。現存測量手段主要存在的問題有：

1.探測系統的觸測位移分辨力難以進一步提高。現存的探測系統的初級放大率較低，導致了其整體放大率較低，難以實現其觸測位移分辨力的進一步提高。基于FBG?Bending的微孔尺寸測量方法的光纖光柵探針不能將主要的微觸測位移作用結果施加在光纖光柵上，進而轉化為光譜信息的傳感信號微弱，系統的分辨力很低。

2.探測系統實時性差，難以實現精密的在線測量。美國國家標準技術研究院采用的探測方法必須使用兩路面陣CCD接收信號圖像，必須使用較復雜的圖像算法才能實現對光纖測桿觸測位移的高分辨力監測，這導致測量系統需要處理的數據量大大增加，降低了探測系統的實時性能，難以實現微小內腔尺寸和二維坐標測量過程中瞄準發訊與啟、止測量的同步性。