[发明专利]基于光纤布拉格光栅的接触式温度无感三维探测传感器

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，特别涉及一种基于光纤布拉格光栅的接触式温度无感三维探测传感器。 

背景技术

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，对于精密微小内腔构件的需求急剧增长。由于受到空间尺度的限制以及测量接触力的影响，微小内腔构件内尺寸的精密测量变得难以实现，尤其是测量深度难以提高，这些已然成为制约行业发展的“瓶颈”。为了实现更小的内尺寸测量、增加测量深度，最广泛使用的办法就是使用细长的探针深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内腔尺寸探测系统设计的关键。 

目前，微小内腔尺寸测量的主要手段包括以下几种方法： 

1.天津大学的杨世民教授等人提出了一种弹性尺寸传递理论，并依据此理论研制了膜片式盲小孔测头。该测头以膜片为敏感元件，并运用电容传感器来检测膜片的形变，把测杆视为弹性体，通过精密标定，可以自动补偿弹性测杆的变形误差。将此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。这种测头可以用于测量直径0.3mm以上、深径比达30的盲孔，测量的线性范围±20μm，精度优于±1μm。这种方法测头与测杆难以进一步小型化，且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T.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，测量深度为0.2mm。这种测量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 能达到亚微米级。 

3.德国联邦物理技术研究院的H.Schwenke教授等人提出了一种微光珠散射成像法，实现了对探针测头位置信息的二维检测。该方法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。后来H.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有了三维探测能力，测量标准球时得到的标准偏差为0.2μm。据相关报道，此方法课实现测量Φ151μm的孔径，测量深度为1mm。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。 

4.中国哈尔滨工业大学谭久彬教授和崔继文博士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接，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50∶1的微深孔测量时的精确瞄准。这种方法耦合球中存在相干光干涉，导致获取的信号信噪比较低，影响测量精度进一步提升。 

5.美国国家标准技术研究院使用了单光纤测杆结合微光珠测头的探针，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，探测系统的探针测头直径为Φ75μm，实验中测量了Φ129μm的孔径，其扩展不确定度概算值达到了70nm(k＝2)，测量力为μN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。该方法的局限是成像单元对光纤测杆的微位移放大倍数较低(仅有35倍)，必须通过图像算法进一步提高分辨力，探测光纤测杆的二维微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分辨力难以进一步提高，探测系统的实时性较差，系统构成比较复杂。