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1、(10)申请公布号 CN 103759652 A (43)申请公布日 2014.04.30 CN 103759652 A (21)申请号 201410030739.7 (22)申请日 2014.01.17 G01B 11/02(2006.01) (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街 92 号 (72)发明人 崔继文 冯昆鹏 谭久彬 (54) 发明名称 基于双光纤光栅的二维微尺度测量装置及方 法 (57) 摘要 基于双光纤光栅的二维微尺度测量装置及方 法属于精密仪器制造及测量技术领域 ； 所述装置 包括宽频光源、 光谱分析仪、 光环形器、 控制计算。
2、 机、 多路光开关和外部参考光栅， 单模光纤 a 和单 模光纤 b 分别将多路光开关与双光纤光栅探针连 通， 双光纤光栅探针上端部通过探针夹持器固装， 所述的单模光纤 a 和单模光纤 b 与双光纤光栅探 针连接形成通路 ； 所述方法是控制计算机控制多 路光开关切换光路， 使用光谱分析仪分别测量光 纤光栅的反射光谱， 并利用差分数据处理算法， 实 现无温度耦合的二维微尺度测量。本发明具有精 度高、 接触力小、 不受遮蔽效应影响、 探针使用寿 命长的特点。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求。
3、书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103759652 A CN 103759652 A 1/1 页 2 1. 一种基于双光纤光栅的二维微尺度测量装置， 包括宽频光源 (1)、 光谱分析仪 (2)、 光环型器 (3)、 控制计算机 (4)、 多路光开关 (5) 和外部参考光栅 (8)， 所述宽频光源 (1) 和 光谱分析仪(2)分别与光环型器(3)连接， 光环形器(3)与多路光开关(5)、 多路光开关(5) 与控制计算机(4)、 控制计算机(4)与光谱分析仪(2)、 多路光开关(5)与外部参考光栅(8) 连接形成通路， 其特征在于单模光纤 a(6) 和单模光纤 b(7) 分。
4、别将多路光开关 (5) 与双光 纤光栅探针 (10) 连通， 双光纤光栅探针 (10) 上端部通过探针夹持器 (9) 固装， 所述的单模 光纤 a(6) 和单模光纤 b(7) 与双光纤光栅探针 (10) 连接形成通路。 2. 一种基于双光纤光栅的二维微尺度测量方法， 其特征在于测量过程中， 多路光开关 (5)在控制计算机(4)的控制下切换不同的光路， 使用光谱分析仪(2)分别测量双光纤光栅 探针 (10) 内部的双根光纤光栅和外部参考光栅 (8) 的反射光谱， 数据处理中， 对双光纤光 栅探针 (10) 中两根光纤光栅反射光谱中心波长做差分数据处理， 可以解耦沿双光纤纤芯 分布方向上的一维径向。
5、触测位移和温漂， 对双光纤光栅探针 (10) 中两根光纤光栅反射光 谱中心波长平均值和外部参考光栅 (8) 反射光谱中心波长做差分数据处理， 获得无径向触 测位移和温漂耦合的轴向触测位移， 实现无温度耦合的二维微尺度测量。 权 利 要 求 书 CN 103759652 A 2 1/4 页 3 基于双光纤光栅的二维微尺度测量装置及方法 技术领域 0001 本发明属于精密仪器制造及测量技术领域， 特别涉及一种基于双光纤光栅的二维 微尺度测量装置及方法。 背景技术 0002 随着航空航天工业、 汽车工业、 电子工业以及尖端工业等的不断发展， 对于精密微 小构件的需求急剧增长。 由于受到空间尺度和待测。
6、微小构件遮蔽效应的限制以及测量接触 力的影响， 微小构件尺度的精密测量变得难以实现， 尤其是测量微小内腔构件的深度难以 提高， 这些已然成为制约行业发展的 “瓶颈” 。为了实现更小尺寸测量、 增加测量深度， 最广 泛使用的办法就是使用细长的探针深入微小构件的内腔进行探测， 通过瞄准发讯的方式测 量不同深度上的微小内尺寸。因此， 目前微小构件尺寸的精密测量主要以坐标测量机结合 具有纤细探针的瞄准发讯式探测系统为主， 由于坐标测量机技术的发展已经比较成熟， 可 以提供精密的三维空间运动， 因此瞄准触发式探针的探测方式成为微小构件尺寸探测系统 设计的关键。 0003 目前， 微小构件尺寸测量的主要手。
7、段包括以下几种方法 ： 0004 1. 中国哈尔滨工业大学谭久彬教授和崔继文教授等人提出一种基于双光纤耦 合的探针结构， 把两根光纤通过末端熔接球连通， 熔接球作为测头， 一根较长光纤引入光 线， 另外一根较短导出光线， 克服了微光珠散射法测量深度的局限， 可以实现对直径不小于 0.01mm、 深径比不大于15 ： 1的微深孔测量时的精确瞄准。 这种方法虽然在一定程度上克服 了遮蔽效应， 但耦合球实现的反向传输的光能量十分有限， 测量深度难以进一步提升。 0005 2. 美国国家标准技术研究院使用了单光纤测杆结合微光珠的探针， 通过光学设计 在二维方向上将光纤测杆成像放大 35 倍左右， 用 。
8、2 个面阵 CCD 分辨接收二维方向上光纤测 杆所成的像， 然后对接收到的图像进行轮廓检测， 从而监测光纤测杆的在测量过程中的微 小移动， 进而实现触发式测量， 该探测系统的理论分辨力可以达到 4nm， 探测系统的探针直 径为 75m， 实验中测量了 129n 的孔径， 其扩展不确定度概率值达到了 70nn(k=2)， 测量力为 N 量级。这种方法探测分辨力高， 测量精度高， 使用的测头易于小型化， 可以测 量较大深径比的微孔。但该方法探测光纤测杆的二维触测位移必须使用两套成像系统， 导 致系统结构比较复杂， 测量数据计算量比较大， 这些因素导致探测系统的实时性较差， 系统 构成比较复杂。 0。
9、006 3. 瑞士联合计量办公室研发了一个新型的坐标测量机致力于小结构件纳米精度 的可追迹的测量。该测量机采用了基于并联运动学原理的弯曲铰链结构的新型接触式探 针， 该设计可以减小移动质量并且确保全方向的低硬度， 是一个具有三维空间结构探测能 力的探针。这一传感结构的测量力低于 0.5mN， 同时支持可更换的探针， 探针直径最小到 100m。探测系统结合了一个由 Philips CFT 开发的高位置精度的平台， 平台的位置精 度为 20nn。该测量系统测量重复性的标准偏差达到 5nm， 测量结果的不确定度为 50nm。该 种方法结构设计复杂， 同时要求测杆具有较高的刚度和硬度， 否则难以实现有。
10、效的触测位 说 明 书 CN 103759652 A 3 2/4 页 4 移传感， 这使得测杆结构难以进一步小型化， 测量的深径比同时受到制约， 探测系统的分辨 力难以进一步提高。 0007 4. 中国哈尔滨工业大学崔继文教授和杨福铃等人提出了一种基于 FBG Bending 的微孔尺寸测量装置及方法， 该方法利用光纤光栅加工的探针和相应的光源、 检测装置作 为瞄准触发系统， 配合双频激光干涉仪测长装置， 可以获得不同截面的微孔尺度。 该方法的 微尺度传感器在触测变形时， 探针的主要应力不作用于光纤光栅上， 系统的分辨率很低， 难 以进一步提高。 0008 综上所述， 目前微小尺寸和坐标探测方。
11、法中， 由于光纤制作的探针具有探针尺寸 小、 测量接触力小、 测量的深径比大、 测量精度高的特点而获得了广泛关注， 利用其特有的 光学特性和机械特性通过多种方式实现了一定深度上的微小尺寸的精密测量。 现存测量手 段主要存在的问题有 ： 0009 1. 探测系统的触测位移分辨力难以进一步提高。现存的探测系统的初级放大 率较低， 导致了其整体放大率较低， 难以实现其触测位移分辨力的进一步提高。基于 FBG Bending 的微孔尺寸测量方法的光纤光栅探针不能将主要的微触测位移作用结果施加在光 纤光栅上， 进而转化为光谱信息的传感信号微弱， 系统的分辨力很低。 0010 2. 探测系统实时性差， 难。
12、以实现精密的在线测量。美国国家标准技术研究院采用 的探测方法必须使用两路面阵 CCD 接收信号图像， 必须使用较复杂的图像算法才能实现对 光纤测杆触测位移的高分辨力监测， 这导致测量系统需要处理的数据量大大增加， 降低了 探测系统的实时性能， 难以实现微小内腔尺寸和二维坐标测量过程中瞄准发讯与启、 止测 量的同步性。 0011 3.存在二维径向触测位移的耦合。 基于FBG Bending的微孔尺寸测量方法的探针 具有各向性能一致， 在径向二维触测位移传感时存在耦合， 而且无法分离， 导致二维测量存 在很大误差， 无法实现径向二维触测位移的准确测量。 0012 4. 不具备径向和轴向探测的解耦能。
13、力。以上提到的探测方法或不具备轴向探测 能力或不具备径向和轴向探测的解耦能力， 在进行微尺度测量时， 测量步骤复杂、 测量效率 低。 发明内容 0013 本发明的目的是克服现有技术中微小构件尺寸测量方法分辨力低、 被测维度单一 的弊端， 提供种适用于微小构件二维微尺度测量的装置及方法， 双光纤光栅探针在端部受 触测位移作用后， 应力导致光纤光栅的参数发生改变， 进而其反射光谱中心波长发生相应 改变， 采用多路光开关来切换测量光纤光栅的通道， 以获得相应反射光谱中心波长信息然 后对其作差分数据处理， 降低了温度波动对测量结果的影响， 大大提高了该装置对环境的 适应能力， 从而实现一种全新的温度无。
14、耦合二维微尺度测量。 0014 本发明的技术解决方案是 ： 一种基于双光纤光栅的二维微尺度测量装置， 包括宽 频光源、 光谱分析仪、 光环型器、 控制计算机、 多路光开关和外部参考光栅， 所述宽频光源和 光谱分析仪分别与光环型器连接， 光环形器与多路光开关、 多路光开关与控制计算机、 控制 计算机与光谱分析仪、 多路光开关与外部参考光栅连接形成通路， 单模光纤 a 和单模光纤 b 分别将多路光开关与双光纤光栅探针连通， 双光纤光栅探针上端部通过探针夹持器固装， 说 明 书 CN 103759652 A 4 3/4 页 5 所述的单模光纤 a 和单模光纤 b 与双光纤光栅探针连接形成通路。 00。
15、15 一种基于双光纤光栅的二维微尺度测量方法如下 ： 测量过程中， 多路光开关在控 制计算机的控制下切换不同的光路， 使用光谱分析仪分别测量双光纤光栅探针内部的双根 光纤光栅和外部参考光栅的反射光谱， 数据处理中， 对双光纤光栅探针中两根光纤光栅反 射光谱中心波长做差分数据处理， 可以解耦沿双光纤纤芯分布方向上的一维径向触测位移 和温漂， 对双光纤光栅探针中两根光纤光栅反射光谱中心波长平均值和外部参考光栅反射 光谱中心波长做差分数据处理， 获得无径向触测位移和温漂耦合的轴向触测位移， 实现无 温度耦合的二维微尺度测量。 0016 本发明的优点是 ： 0017 1. 基于双光纤光栅的二维微尺度测。
16、量装置及方法具有精度高、 接触力小、 不损伤 被测构件表面、 探针使用寿命长的特点。 0018 2. 光学探测信号仅在光纤光栅内部传输， 将空间中的接触转化为反射光谱中心波 长的变化， 测量微尺度构件时不受构件遮蔽效应的影响， 测量深径比可达 100 ： 1， 满足了大 深径比微结构微尺度测量要求。 0019 3. 基于双光纤光栅的二维微尺度测量方法可以同时实现径向和轴向的无耦合测 量， 使微尺度测量的步骤得到简化， 提高了微尺度测量的效率。 0020 4. 在探针内部设计了互为参考的差分补偿系统， 结合基于双光纤光栅的二维微尺 度测量方法， 消除了环境温度变化对测量的影响， 大大提高了传感器。
17、对环境的适应能力， 可 以深入到传统测量工具无法正常工作的空间和环境来进行精密测量， 如狭小的半封闭空间 及易燃易爆环境等， 也适用于工业现场测量。 附图说明 0021 图 1 是基于双光纤光栅的二维微尺度测量装置结构示意图 ； 0022 图 2 是图 1 中 A-A 剖面图 ； 0023 图 3 是图 1 中双光纤光栅探针剖面放大图 ； 0024 图中 ： 1. 宽频光源， 2. 光谱分析仪， 3. 光环形器， 4. 控制计算机， 5. 多路光开关， 6.单模光纤a， 7.单模光纤b， 8.外部参考光栅， 9.探针夹持器， 10.双光纤光栅探针， 31.光 纤光栅， 32. 紫外胶膜， 33。
18、. 探针球形针尖。 具体实施方式 0025 下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述 ： 0026 一种基于双光纤光栅的二维微尺度测量装置， 包括宽频光源 1、 光谱分析仪 2、 光 环型器 3、 控制计算机 4、 多路光开关 5 和外部参考光栅 8， 所述宽频光源 1 和光谱分析仪 2 分别与光环型器 3 连接， 光环形器 3 与多路光开关 5、 多路光开关 5 与控制计算机 4、 控制计 算机4与光谱分析仪2、 多路光开关5与外部参考光栅8连接形成通路， 单模光纤a6和单模 光纤 b7 分别将多路光开关 5 与双光纤光栅探针 10 连通， 双光纤光栅探针 10 上端部通过探 针夹持。
19、器 9 同装， 所述的单模光纤 a6 和单模光纤 b7 与双光纤光栅探针 10 连接形成通路。 0027 一种基于双光纤光栅的二维微尺度测量方法如下 ： 测量过程中， 多路光开关 5 在 控制计算机 4 的控制下切换不同的光路， 使用光谱分析仪 2 分别测量双光纤光栅探针 10 内 说 明 书 CN 103759652 A 5 4/4 页 6 部的双根光纤光栅和外部参考光栅 8 的反射光谱， 数据处理中， 对双光纤光栅探针 10 中两 根光纤光栅反射光谱中心波长做差分数据处理， 可以解耦沿双光纤纤芯分布方向上的一维 径向触测位移和温漂， 对双光纤光栅探针 10 中两根光纤光栅反射光谱中心波长平。
20、均值和 外部参考光栅 8 反射光谱中心波长做差分数据处理， 获得无径向触测位移和温漂耦合的轴 向触测位移， 实现无温度耦合的二维微尺度测量。 0028 本发明的工作过程如下 ： 0029 宽频光源 1 产生的宽频光， 经过光环形器 3 进入多路光开关 5， 多路光开关 5 在控 制计算机 4 的控制下， 光谱分析仪 2 分别测量双光纤光栅探针 10 中两根光纤光栅和外部参 考光栅 8 的反射光谱中心波长。当双光纤光栅探针 10 与待测构件发生触测， 双光纤光栅探 针 10 内光纤光栅的反射光谱中心波长将会发生改变。对双光纤光栅探针 10 中两根光纤光 栅的反射光谱中心波长作差分数据处理， 可以获得温度解耦的沿双光纤纤芯分布方向上的 径向触测位移 ； 对双光纤光栅探针 10 中的两根光纤光栅反射光谱中心波长平均值与外部 参考光栅 8 的反射光谱中心波长做差分数据处理， 可以获得无径向触测位移和温漂耦合的 轴向触测位移。 0030 综合径向和轴向触测位移信息， 最终实现待测构件的二维微尺度测量。 说 明 书 CN 103759652 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103759652 A 7 2/2 页 8 图 3 说 明 书 附 图 CN 103759652 A 8 。