[发明专利]一种基于光纤传感的表面形貌测量系统和方法

说明书

本发明涉及了一种基于光纤传感的表面形貌测量系统和方法，主要包括光电探测单元、电动位移台单元、计算机；光纤探头沿光纤探头的光轴方向，与待测工件表面垂直，找到所述光纤探头到待测面的最佳距离并按相应的轨迹完成表面扫描，每扫描一个待测区域，计算机采集所述待测工件表面每个测量点对应的电压信号数据，并通过标定位移特性曲线的前坡线性区间拟合的位移与电压的函数关系计算出每个扫描点的相对高度值，由计算机上位机程序，采集和处理光功率计传输的信号数据，获得被测工件表面数据测量及数据处理结果，并显示出来。本测试装置操作简便，测量结果具有较高的分辨率，能够测量出表面波纹度并重建出三维形貌数据，实现工件表面形貌的测量。

技术领域

本发明属于光纤传感测量领域，具体涉及一种基于光纤传感的表面形貌测量系统和方法。

背景技术

在机械加工领域，随着制造技术的快速发展，工件表面形貌测量已经成为工件加工过程中检测的重要一环。表面形貌在表面计量学领域是工件表面通过各种机械加工过程的纹理所体现出来的。表面形貌结构是零部件使用性能的重要决定因素，不仅有助于识别加工中的瑕疵，以改进加工工艺，而且有助于分析表面形貌与性能寿命的关系。所以在科学研究和工程应用的很多领域中，对表面形貌的定量测量显得十分重要。

目前，应用最广泛的表面形貌测量方式有两种：一种是接触式测量方式，如传统的触针式轮廓仪是通过触针的机械压力来测量的。另一种是非接触的方式，主要有光学法等。由于低损耗光纤的出现以及光纤传感器的普遍具有抗电磁干扰强、造价低廉、稳定性好等优点，光纤传感技术开始应用于三维表面测量中。

根据对光信息解调方式的不同，可用于测量表面形貌的光纤传感器有三类：基于相位解调的干涉式，基于偏振态解调的偏振式和基于光强度调制的反射式。由于干涉与偏振方式的光学系统价格昂贵、复杂又难以调试、技术上较难以实现。

目前为止，反射式光纤传感器在测量表面形貌中的研究还处于实验室探索阶段，研究方向主要集中在光纤传感探头结构设计、出射光强数学建模、干扰补偿这几个方面，相关研究也没有对被测工件表面形貌进行定量测量。

发明内容

本发明的目的旨在现有技术的不足，提供一种能够对工件表面的形貌进行测量,并获取表面三维坐标信息，从而实现工件表面纹理的测量的基于光纤传感的表面形貌测量装置和方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于光纤传感的表面形貌测量系统，包括光电探测单元、电动位移台单元、信息采集和处理单元的计算机11；其中：所述光电探测单元包含激光器1、光纤传感探头2、及光功率计10；光纤传感探头包含发送光纤3与接收光纤组；所述激光器用于产生高稳定性的出射光，通过发送光纤连接光纤传感探头，所激光器与发送光纤耦合后传输到光纤传感探头；其特征在于：

·所述光纤传感探头2，调整其保持与待测工件12表面垂直，用于将发送光纤3的出射光投射到所述的待测工件12表面；

·所述待测工件12表面反射光进入到所述接收光纤组；所述反射光信息通过接收光纤组传输到光功率计10，光功率计10用于将接收的光信息转换为电信号；

·所述电动位移台单元包含三轴位移台、三轴运动控制器9；所述三轴位移台装于所述光纤传感探头，被测工件12置于三轴位移台处，光纤传感探头2对准被测工件12；所述三轴运动控制器9通过电缆连接三轴位移台；所述三轴运动控制器9控制光纤传感探头与被测工件12进行X、Y及Z三轴方向的相对移动；

·所述信息采集与处理单元的计算机11，计算机11通过数据总线分别与光功率计10、三轴运动控制器9相连接；用于三轴运动控制器9及光功率计10的电信号传输与采集，并进行相应数据处理，以此获得被测工件12表面X、Y及Z三轴方向的位置数据测量及数据处理结果，重构工件表面形貌，获得待测工件表面的纹理信息，并显示出来。