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基于五芯光纖光柵的三維微尺度測(cè)量裝置及方法
【專利摘要】基于五芯光纖光柵的三維微尺度測(cè)量裝置及方法屬于精密儀器制造及測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】；所述裝置包括寬頻光源、光譜分析儀、光環(huán)形器、控制計(jì)算機(jī)、多路光開關(guān)和外部參考光柵，五根單模光纖分別將多路光開關(guān)與五芯光纖扇出器連通，五芯光纖的一端連接在五芯光纖扇出器上，在五芯光纖的另一端部上通過(guò)探針夾持器固裝五芯光纖光柵探針，所述五芯光纖與五芯光纖光柵探針連接形成通路；所述方法是控制計(jì)算機(jī)控制多路光開關(guān)切換光路，使用光譜分析儀分別測(cè)量光纖光柵的反射光譜，并利用差分?jǐn)?shù)據(jù)處理算法，實(shí)現(xiàn)無(wú)溫度耦合的三維微尺度測(cè)量。本發(fā)明具有精度高、接觸力小、不受遮蔽效應(yīng)影響、探針使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】基于五芯光纖光柵的三維微尺度測(cè)量裝置及方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于精密儀器制造及測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于五芯光纖光柵的三維微尺度測(cè)量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]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(duì)于精密微小構(gòu)件的需求急劇增長(zhǎng)。由于受到空間尺度和待測(cè)微小構(gòu)件遮蔽效應(yīng)的限制以及測(cè)量接觸力的影響，微小構(gòu)件尺度的精密測(cè)量變得難以實(shí)現(xiàn)，尤其是測(cè)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(cè)量、增加測(cè)量深度，最廣泛使用的辦法就是使用細(xì)長(zhǎng)的探針深入微小構(gòu)件的內(nèi)腔進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)瞄準(zhǔn)發(fā)訊的方式測(cè)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(cè)量主要以坐標(biāo)測(cè)量機(jī)結(jié)合具有纖細(xì)探針的瞄準(zhǔn)發(fā)訊式探測(cè)系統(tǒng)為主，由于坐標(biāo)測(cè)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(cè)方式成為微小構(gòu)件尺寸探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
[0003]目前，微小構(gòu)件尺寸測(cè)量的主要手段包括以下幾種方法:
[0004]1.中國(guó)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(guò)末端熔接球連通，熔接球作為測(cè)頭，一根較長(zhǎng)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(cè)量深度的局限，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直徑不小于
0.01mm、深徑比不大于15:1的微深孔測(cè)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(cè)量深度難以進(jìn)一步提升。
[0005]2.美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院使用了單光纖測(cè)桿結(jié)合微光珠的探針，通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)在二維方向上將光纖測(cè)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(cè)桿所成的像，然后對(duì)接收到的圖像進(jìn)行輪廓檢測(cè)，從而監(jiān)測(cè)光纖測(cè)桿的在測(cè)量過(guò)程中的微小移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)觸發(fā)式測(cè)量，該探測(cè)系統(tǒng)的理論分辨力可以達(dá)到4nm，探測(cè)系統(tǒng)的探針直徑為Φ75μm，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了 Φ 129 μ m的孔徑，其擴(kuò)展不確定度概率值達(dá)到了 70nm(k =2)，測(cè)量力為μ N量級(jí)。這種方法探測(cè)分辨力高，測(cè)量精度高，使用的測(cè)頭易于小型化，可以測(cè)量較大深徑比的微孔。但該方法探測(cè)光纖測(cè)桿的二維觸測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算量比較大，這些因素導(dǎo)致探測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較差，系統(tǒng)構(gòu)成比較復(fù)雜。
[0006]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(cè)量機(jī)致力于小結(jié)構(gòu)件納米精度的可追跡的測(cè)量。該測(cè)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(cè)能力的探針。這一傳感結(jié)構(gòu)的測(cè)量力低于0.5mN，同時(shí)支持可更換的探針，探針直徑最小到Φ IOOym0探測(cè)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(cè)量系統(tǒng)測(cè)量重復(fù)性的標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到5nm，測(cè)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(cè)桿具有較高的剛度和硬度，否則難以實(shí)現(xiàn)有效的觸測(cè)位移傳感，這使得測(cè)桿結(jié)構(gòu)難以進(jìn)一步小型化，測(cè)量的深徑比同時(shí)受到制約，探測(cè)系統(tǒng)的分辨力難以進(jìn)一步提聞。
[0007]4.中國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(cè)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(cè)裝置作為瞄準(zhǔn)觸發(fā)系統(tǒng)，配合雙頻激光干涉儀測(cè)長(zhǎng)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(cè)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)一步提聞。
[0008]綜上所述，目前微小尺寸和坐標(biāo)探測(cè)方法中，由于光纖制作的探針具有探針尺寸小、測(cè)量接觸力小、測(cè)量的深徑比大、測(cè)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(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)了一定深度上的微小尺寸的精密測(cè)量?，F(xiàn)存測(cè)量手段主要存在的問(wèn)題有:
[0009]1.探測(cè)系統(tǒng)的觸測(cè)位移分辨力難以進(jìn)一步提高?，F(xiàn)存的探測(cè)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(cè)位移分辨力的進(jìn)一步提高?；贔BGBending的微孔尺寸測(cè)量方法的光纖光柵探針不能將主要的微觸測(cè)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。
[0010]2.探測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差，難以實(shí)現(xiàn)精密的在線測(cè)量。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院采用的探測(cè)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(duì)光纖測(cè)桿觸測(cè)位移的高分辨力監(jiān)測(cè)，這導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)量大大增加，降低了探測(cè)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(cè)量過(guò)程中瞄準(zhǔn)發(fā)訊與啟、止測(cè)量的同步性。
[0011]3.存在二維徑向觸測(cè)位移的耦合。基于FBGBending的微孔尺寸測(cè)量方法的探針具有各向性能一致，在徑向二維觸測(cè)位移傳感時(shí)存在耦合，而且無(wú)法分離，導(dǎo)致二維測(cè)量存在很大誤差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)徑向二維觸測(cè)位移的準(zhǔn)確測(cè)量。
[0012]4.不具備徑向和軸向探測(cè)的解耦能力。以上提到的探測(cè)方法或不具備軸向探測(cè)能力或不具備徑向和軸向探測(cè)的解耦能力，在進(jìn)行微尺度測(cè)量時(shí)，測(cè)量步驟復(fù)雜、測(cè)量效率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中微小構(gòu)件尺寸測(cè)量方法分辨力低、被測(cè)維度單一的弊端，提供一種適用于微小構(gòu)件三維微尺度測(cè)量的裝置及方法，五芯光纖光柵探針在端部受觸測(cè)位移作用后，應(yīng)力導(dǎo)致光纖光柵的參數(shù)發(fā)生改變，進(jìn)而其反射光譜中心波長(zhǎng)發(fā)生相應(yīng)改變，采用多路光開關(guān)來(lái)切換測(cè)量光纖光柵的通道，以獲得相應(yīng)反射光譜中心波長(zhǎng)信息然后對(duì)其作差分?jǐn)?shù)據(jù)處理，降低了溫度波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，大大提高了該裝置對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，從而實(shí)現(xiàn)一種全新的溫度無(wú)耦合三維微尺度測(cè)量。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于五芯光纖光柵的三維微尺度測(cè)量裝置，包括寬頻光源、光譜分析儀、光環(huán)型器、控制計(jì)算機(jī)、多路光開關(guān)和外部參考光柵，所述寬頻光源和光譜分析儀分別與光環(huán)型器連接，光環(huán)形器與多路光開關(guān)、多路光開關(guān)與控制計(jì)算機(jī)、控制計(jì)算機(jī)與光譜分析儀、多路光開關(guān)與外部參考光柵連接形成通路，五根單模光纖分別將多路光開關(guān)與五芯光纖扇出器連通，五芯光纖的端連接在五芯光纖扇出器上，在五芯光纖的另一端部上通過(guò)探針夾持器固裝五芯光纖光柵探針，所述的五芯光纖與五芯光纖光柵探針連接形成通路。
[0015]一種基于五芯光纖光柵的三維微尺度測(cè)量方法如下:測(cè)量過(guò)程中，多路光開關(guān)在控制計(jì)算機(jī)的控制下切換不同的光路，使用光譜分析儀分別測(cè)量五芯光纖光柵探針內(nèi)部的五根光纖光柵和外部參考光柵的反射光譜，數(shù)據(jù)處理中，對(duì)五芯光纖光柵探針中心外正交的兩組光纖光柵反射光譜中心波長(zhǎng)做差分?jǐn)?shù)據(jù)處理，可以解耦二維徑向觸測(cè)位移和溫漂，對(duì)五芯光纖光柵探針中心的光纖光柵和外部參考光柵反射光譜中心波長(zhǎng)做差分?jǐn)?shù)據(jù)處理，可以獲得無(wú)徑向觸測(cè)位移和溫漂耦合的軸向觸測(cè)位移，實(shí)現(xiàn)無(wú)溫度耦合的三維微尺度測(cè)量。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0017]1.基于五芯光纖光柵的三維微尺度測(cè)量裝置及方法具有精度高、接觸力小、不損傷被測(cè)構(gòu)件表面、探針使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。
[0018]2.光學(xué)探測(cè)信號(hào)僅在光纖光柵內(nèi)部傳輸，將空間中的接觸轉(zhuǎn)化為反射光譜中心波長(zhǎng)的變化，測(cè)量微尺度構(gòu)件時(shí)不受構(gòu)件遮蔽效應(yīng)的影響，測(cè)量深徑比可達(dá)100:1，滿足了大深徑比微結(jié)構(gòu)微尺度測(cè)量要求。
[0019]3.基于五芯光纖光柵的三維微尺度測(cè)量方法,使五芯光纖光柵探針具有二維徑向無(wú)耦合傳感能力，探針中心外正交的兩組光纖光柵可以分別測(cè)量該方向的觸測(cè)位移，實(shí)現(xiàn)了徑向正交觸測(cè)解耦。
[0020]4.基于五芯光纖光柵的三維微尺度測(cè)量方法可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)徑向和軸向的無(wú)I禹合測(cè)量，使微尺度測(cè)量的步驟得到簡(jiǎn)化，提高了微尺度測(cè)量的效率。
[0021]5.在探針內(nèi)部設(shè)計(jì)了互為參考的差分補(bǔ)償系統(tǒng)，結(jié)合基于五芯光纖光柵的三維微尺度測(cè)量方法，消除了環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)量的影響，大大提高了傳感器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，可以深入到傳統(tǒng)測(cè)量工具無(wú)法正常工作的空間和環(huán)境來(lái)進(jìn)行精密測(cè)量，如狹小的半封閉空間及易燃易爆環(huán)境等，也適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是基于五芯光纖光柵的三維微尺度測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是圖1中A-A剖面圖；
[0024]圖3是圖1中五芯光纖光柵探針剖面放大圖；
[0025]圖中:1.寬頻光源，2.光譜分析儀，3.光環(huán)形器，4.控制計(jì)算機(jī)，5.多路光開關(guān)，
6.單模光纖，7.外部參考光柵,8.五芯光纖扇出器,9.五芯光纖，10.探針夾持器，11.五芯光纖光柵探針。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0027]—種基于五芯光纖光柵的三維微尺度測(cè)量裝置，包括寬頻光源1、光譜分析儀2、光環(huán)型器3、控制計(jì)算機(jī)4、多路光開關(guān)5和外部參考光柵7，所述寬頻光源I和光譜分析儀2分別與光環(huán)型器3連接，光環(huán)形器3與多路光開關(guān)5、多路光開關(guān)5與控制計(jì)算機(jī)4、控制計(jì)算機(jī)4與光譜分析儀2、多路光開關(guān)5與外部參考光柵7連接形成通路，五根單模光纖6分別將多路光開關(guān)5與五芯光纖扇出器8連通,五芯光纖9的一端連接在五芯光纖扇出器8上，在五芯光纖9的另一端部上通過(guò)探針夾持器10固裝五芯光纖光柵探針11，所述的五芯光纖9與五芯光纖光柵探針11連接形成通路。
[0028]一種基于五芯光纖光柵的三維微尺度測(cè)量方法如下:測(cè)量過(guò)程中，多路光開關(guān)5在控制計(jì)算機(jī)4的控制下切換不同的光路，使用光譜分析儀2分別測(cè)量五芯光纖光柵探針11內(nèi)部的五根光纖光柵和外部參考光柵7的反射光譜，數(shù)據(jù)處理中，對(duì)五芯光纖光柵探針11中心外正交的兩組光纖光柵反射光譜中心波長(zhǎng)做差分?jǐn)?shù)據(jù)處理，可以解耦二維徑向觸測(cè)位移和溫漂，對(duì)五芯光纖光柵探針11中心的光纖光柵和外部參考光柵7反射光譜中心波長(zhǎng)做差分?jǐn)?shù)據(jù)處理，可以獲得無(wú)徑向觸測(cè)位移和溫漂耦合的軸向觸測(cè)位移，實(shí)現(xiàn)無(wú)溫度耦合的三維微尺度測(cè)量。
[0029]本發(fā)明的工作過(guò)程如下:
[0030]寬頻光源I產(chǎn)生的寬頻光，經(jīng)過(guò)光環(huán)形器3進(jìn)入多路光開關(guān)5，多路光開關(guān)5在控制計(jì)算機(jī)4的控制下，光譜分析儀2分別測(cè)量五芯光纖光柵探針11中五根光纖光柵和外部參考光柵7的反射光譜中心波長(zhǎng)。當(dāng)五芯光纖光柵探針11與待測(cè)構(gòu)件發(fā)生觸測(cè)，五芯光纖光柵探針11內(nèi)光纖光柵的反射光譜中心波長(zhǎng)將會(huì)發(fā)生改變。五芯光纖光柵探針11中心外的四根光纖光柵，可以按所處的兩條正交的對(duì)角線分成兩組，任意一個(gè)徑向觸測(cè)位移可以分解成沿著正交對(duì)角線的兩個(gè)觸測(cè)位移分量，對(duì)兩組對(duì)角的光纖光柵的反射光譜中心波長(zhǎng)分別作差分?jǐn)?shù)據(jù)處理，可以獲得兩組對(duì)角方向上的觸測(cè)位移，并利用上述兩組對(duì)角方向的觸測(cè)位移合成實(shí)際的徑向觸測(cè)位移，實(shí)現(xiàn)無(wú)溫度耦合的徑向觸測(cè)位移測(cè)量；對(duì)五芯光纖光柵探針11中心的光纖光柵與外部參考光柵7的反射光譜中心波長(zhǎng)作差分?jǐn)?shù)據(jù)處理，可以獲得無(wú)徑向觸測(cè)位移和溫漂耦合的軸向觸測(cè)位移。
[0031]綜合徑向和軸向觸測(cè)位移信息，最終實(shí)現(xiàn)待測(cè)構(gòu)件的三維微尺度測(cè)量。
【權(quán)利要求】
1.一種基于五芯光纖光柵的三維微尺度測(cè)量裝置，包括寬頻光源(I)、光譜分析儀(2)、光環(huán)型器(3)、控制計(jì)算機(jī)(4)、多路光開關(guān)(5)和外部參考光柵(7)，所述寬頻光源(I)和光譜分析儀(2)分別與光環(huán)型器(3)連接，光環(huán)形器(3)與多路光開關(guān)(5)、多路光開關(guān)(5)與控制計(jì)算機(jī)(4)、控制計(jì)算機(jī)(4)與光譜分析儀(2)、多路光開關(guān)(5)與外部參考光柵(7)連接形成通路，其特征在于五根單模光纖(6)分別將多路光開關(guān)(5)與五芯光纖扇出器(8)連通,五芯光纖(9)的一端連接在五芯光纖扇出器(8)上,在五芯光纖(9)的另一端部上通過(guò)探針夾持器(10)固裝五芯光纖光柵探針(11)，所述的五芯光纖(9)與五芯光纖光柵探針(11)連接形成通路。
2.一種基于五芯光纖光柵的三維微尺度測(cè)量方法，其特征在于測(cè)量過(guò)程中，多路光開關(guān)(5)在控制計(jì)算機(jī)(4)的控制下切換不同的光路，使用光譜分析儀(2)分別測(cè)量五芯光纖光柵探針(11)內(nèi)部的五根光纖光柵和外部參考光柵(7)的反射光譜，數(shù)據(jù)處理中，對(duì)五芯光纖光柵探針(11)中心外正交的兩組光纖光柵反射光譜中心波長(zhǎng)做差分?jǐn)?shù)據(jù)處理，可以解耦二維徑向觸測(cè)位移和溫漂，對(duì)五芯光纖光柵探針(11)中心的光纖光柵和外部參考光柵(7)反射光譜中心波長(zhǎng)做差分?jǐn)?shù)據(jù)處理，可以獲得無(wú)徑向觸測(cè)位移和溫漂耦合的軸向觸測(cè)位移，實(shí)現(xiàn)無(wú)溫度耦合的三維微尺度測(cè)量。
【文檔編號(hào)】G01B11/02GK103759653SQ201410030740
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月17日
【發(fā)明者】崔繼文, 馮昆鵬, 譚久彬 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)