[發明專利]帶有端面微結構的雙光纖共球耦合微測量力瞄準傳感器

在審

• 申請號: 201410118922.2
• 申請日: 2014-03-20
• 公開（公告）號: CN103900468A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 崔繼文;李俊英;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
• 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，特別涉及一種帶有端面微結構的雙光纖共球耦合微測量力瞄準傳感器。

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，微小構件尺寸的精密測量變得難以實現，尤其是微小內腔構件的測量深度難以提高，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.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，此方法可實現測量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，因此無法實現大深徑比的高精度測量。

2.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。但是該方法的耦合球中存在相干光的干涉，且光束經出射光纖出射后迅速衰減，探測器檢測到的光能量較低，最終導致獲取的信號信噪比較低，影響測量精度進一步提升。

3.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，其擴展不確定度估算值達到了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。

4.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，探針測頭的直徑最小到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位移傳感，這使得測桿結構難以進一步小型化，測量深徑比同時受到制約，探測系統的分辨力難以進一步提高。