[發(fā)明專利]基于線性腔光纖激光器的雙光纖光柵探針微尺度測量裝置及方法

在審

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• 申請日: 2015-03-05
• 公開（公告）號(hào): CN104677285A
• 公開（公告）日: 2015-06-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 崔繼文;馮昆鵬;胡洋;譚久彬
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/00
• 分類號(hào): G01B11/00;G01B11/02
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于精密儀器制造及測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于線性腔光纖激光器的雙光纖光柵探針微尺度測量裝置及方法。

背景技術(shù)

隨著航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)、電子工業(yè)以及尖端工業(yè)等的不斷發(fā)展，對于精密微小構(gòu)件的需求急劇增長。由于受到空間尺度和待測微小構(gòu)件遮蔽效應(yīng)的限制以及測量接觸力的影響，微小構(gòu)件尺度的精密測量變得難以實(shí)現(xiàn)，尤其是測量微小內(nèi)腔構(gòu)件的深度難以提高，這些已然成為制約行業(yè)發(fā)展的“瓶頸”。為了實(shí)現(xiàn)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(xì)長的探針深入微小構(gòu)件的內(nèi)腔進(jìn)行探測，通過瞄準(zhǔn)發(fā)訊的方式測量不同深度上的微小內(nèi)尺寸。因此，目前微小構(gòu)件尺寸的精密測量以坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)合具有纖細(xì)探針的瞄準(zhǔn)發(fā)訊式探測系統(tǒng)為主，由于坐標(biāo)測量機(jī)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，可以提供精密的三維空間運(yùn)動(dòng)，因此瞄準(zhǔn)觸發(fā)式探針的探測方式成為微小構(gòu)件尺寸探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

目前，微小構(gòu)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(yè)大學(xué)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(jié)構(gòu)，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(dǎo)出光線，克服了微光珠散射法測量深度的局限，可以實(shí)現(xiàn)對直徑不小于0.01mm、深徑比不大于15_∶1的微深孔測量時(shí)的精確瞄準(zhǔn)。這種方法雖然在一定程度上克服了遮蔽效應(yīng)，但耦合球?qū)崿F(xiàn)的反向傳輸?shù)墓饽芰渴钟邢蓿瑴y量深度難以進(jìn)一步提升。

2.美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院使用了單光纖測桿結(jié)合微光珠的探針，通過光學(xué)設(shè)計(jì)在二維方向上將光纖測桿成像放大35倍左右，用2個(gè)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(jìn)行輪廓檢測，從而監(jiān)測光纖測桿的在測量過程中的微小移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)觸發(fā)式測量，該探測系統(tǒng)的理論分辨力可以達(dá)到4nm，探測系統(tǒng)的探針直徑為Φ75μm，實(shí)驗(yàn)中測量了Φ129μm的孔徑，其擴(kuò)展不確定度概率值達(dá)到了70nm(k＝2)，測量力為μN(yùn)量級(jí)。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。但在方法中探測光纖測桿的二維觸測位移必須使用兩套成像系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，測量數(shù)據(jù)計(jì)算量比較大，這些因素導(dǎo)致探測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較差，系統(tǒng)構(gòu)成比較復(fù)雜。

3.瑞士聯(lián)合計(jì)量辦公室研發(fā)了一個(gè)新型的坐標(biāo)測量機(jī)致力于小結(jié)構(gòu)件納米精度的可追跡的測量。該測量機(jī)采用了基于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理的彎曲鉸鏈結(jié)構(gòu)的新型接觸式探針，該設(shè)計(jì)可以減小移動(dòng)質(zhì)量并且確保全方向的低硬度，是一個(gè)具有三維空間結(jié)構(gòu)探測能力的探針。這一傳感結(jié)構(gòu)的測量力低于0.5mN，同時(shí)支持可更換的探針，探針直徑最小到Φ100μm。探測系統(tǒng)結(jié)合了一個(gè)由Philips?CFT開發(fā)的高位置精度的平臺(tái)，平臺(tái)的位置精度為20nm。該測量系統(tǒng)測量重復(fù)性的標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到5nm，測量結(jié)果的不確定度為50nm。該種方法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，同時(shí)要求測桿具有較高的剛度和硬度，否則難以實(shí)現(xiàn)有效的觸測位移傳感，這使得測桿結(jié)構(gòu)難以進(jìn)一步小型化，測量的深徑比同時(shí)受到制約，探測系統(tǒng)的分辨力難以進(jìn)一步提高。

4.中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)崔繼文教授和楊福玲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(yīng)的光源、檢測裝置作為瞄準(zhǔn)觸發(fā)系統(tǒng)，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(shí)，探針的主要應(yīng)力不作用于光纖光柵上，系統(tǒng)的分辨率很低，難以進(jìn)一步提高。

綜上所述，目前微小尺寸和坐標(biāo)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(diǎn)而獲得了廣泛關(guān)注，利用其特有的光學(xué)特性和機(jī)械特性通過多種方式實(shí)現(xiàn)了一定深度上的微小尺寸的精密測量。現(xiàn)用測量手段主要存在的問題是：

1.探測系統(tǒng)的觸測位移分辨力難以進(jìn)一步提高。現(xiàn)存的探測系統(tǒng)的初級(jí)放大率較低，導(dǎo)致了其整體放大率較低，難以實(shí)現(xiàn)其觸測位移分辨力的進(jìn)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(jié)果施加在光纖光柵上，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為光譜信息的傳感信號(hào)微弱，系統(tǒng)的分辨力很低。

2.探測系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差，難以實(shí)現(xiàn)精密的在線測量。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院采用的探測方法必須使用兩路面陣CCD接收信號(hào)圖像，必須使用較復(fù)雜的圖像算法才能實(shí)現(xiàn)對光纖測桿觸測位移的高分辨力監(jiān)測，這導(dǎo)致測量系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)量大大增加，降低了探測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，難以實(shí)現(xiàn)微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)測量過程中瞄準(zhǔn)發(fā)訊與啟、止測量的同步性。