[发明专利]基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于精密仪器制造及测量技术领域，特别是一种“亚宏观”领域中对微小、复杂内腔的结构尺寸和二维坐标的传感方法与装置，尤其适用于大深径比微小孔的测量。

背景技术

工业产品发展的趋势之一就是内尺度微小化与精密化，随着航空航天工业、电子工业、医疗器械的发展，精密微小内腔构件的需求急剧增长，如燃料射喷管、惯性仪表、光纤插芯、拉丝模、电路印板和医疗器械中的孔(如：耳咽管)等。由于受到空间尺度的限制以及测量接触力的影响，微小内腔构件内尺度的精密测量变得难以实现，尤其是测量深度难以提高，这些已成为制约行业发展的“瓶颈”。显微镜成像法虽然可以测量微小内腔尺寸，但是测量深度受到很大限制，无法进一步扩展应用领域。为了实现更小的内尺寸测量、增加测量深度，最广泛使用的办法是使用细长的探针伸入微小内腔进行探测，通过瞄准发讯的方式测量不同深度上的微小内尺寸。因此，目前微小内腔尺寸的精密测量主要以坐标测量机(CMM，Coordinate Measuring Machine)结合具有纤细探针的瞄准发讯式探测系统(PS，Probing System)为主，其中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内腔尺寸探测系统设计的关键。

目前，微小内尺寸测量的主要手段包括以下几种方法：

1、中国天津大学的杨世民教授等人提出一种弹性尺寸传递理论，基于这一原理研制了膜片式盲小孔测头，以膜片为敏感元件，把测杆视为变形很大的弹性体，通过精密标定自动补偿弹性测杆变形误差，将测头安装在三坐标测量机上，可对各种方向的通盲小孔进行接触测量，测出其任意截面的尺寸和形状误差，可以测量Φ300μm、深径比为40的盲孔，测量结果的不确定度为1μm(杨世民，李树和，张国雄等。膜片式小孔测头的设计与研究，计量学报，1998年第19卷第2期)。这种方法测头与测杆难以进一步小型化，测头的最大非线性误差为0.2μm，测量精度难以进一步提高。

2、日本的Masuzawa等人利用硅加工的工艺制作了硅质微型探针，把探针作为阻抗元件接入电路中，提出一种振动扫描的方法进行孔径测量，把探针的机械变动量直接转变为电信号进行测量，能够对Φ100μm孔径实施测量，测量深度可达到3mm，测量结果的不确定度为0.5μm(B.J.Kim，T.Masuzawa and T.Bourouina The vibroscanning method for themeasurement of micro-hole profiles，Meas.Sci.Technol.10(1999)697-705.)。这种方法由于采用了外加振动源，测量数据的漂移较大，另外，它的探针测头末端几何形状为矩形，测量孔时存在盲区，导致测量精度只能到达亚微米级。

3、德国联邦物理技术研究院(PTB，Physikalisch-Technische Bundesanstalt)的Schwenke教授等人提出了一种微光珠散射成像法，实现了对探针测头的二维监测，他们利用单光纤作为探针测杆，把微光珠粘接或者焊接到测杆末端，使光线耦合进入光纤内部传播到微光珠上形成散射，用一个面阵CCD接收散射光形成敏感信号，实现了微力接触式测量，测量了Φ214μm的孔径，测量深度为0.8mm，测量结果的不确定度为1μm，测量力为μN量级(吉贵军，Schwenke H Trapet E，罗震。发动机喷油嘴微小喷油孔尺寸和形状测量系统，内燃机学报，1998年，第16卷第4期)。后来Schwenke教授等人拓展了这种方法，在测杆上粘接了一个微光珠，同时增加了一路对该微光珠的成像光路，这使得该探测系统具备了三维探测能力，测量标准球时得到的标准偏差为0.2μm(H.Schwenke，F.C.Weiskirch，H.Kunzmann.Opto-tactile Sensor for 2D and 3D Measurement of Small Structures on Coordinate MeasuringMachines，Annals of CIRP 50/1(2001)，pp.361-364)。这种方法在测量深孔过程中，由于微光珠散射角度较大，随着测量深度的增加，微光珠散射成像光斑的质量由于散射光线受到孔壁遮挡而逐渐降低，导致成像模糊，降低了测量精度，因此无法实施大深径比的高精度测量。