基于光纖環(huán)形激光器的五芯光纖光柵探針微尺度測(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，特別涉及一種基于光纖環(huán)形激光器的五芯光纖光柵探針微尺度測(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。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)長的探針深入微小構(gòu)件的內(nèi)腔進(jìn)行探測(cè)，通過瞄準(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)，把兩根光纖通過末端熔接球連通，熔接球作為測(cè)頭，一根較長光纖引入光線，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: I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?，測(cè)量深度難以進(jìn)一步提升。
[0005]2.美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研宄院使用了單光纖測(cè)桿結(jié)合微光珠的探針，通過光學(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Φ75μπι，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UN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。但在方法中探測(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OlOOymo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)一步提尚。
[0007]4.中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)崔繼文教授和楊福玲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)一步提尚。
[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)用測(cè)量手段主要存在的問題是:
[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。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研宄院采用的探測(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FBG Bending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，而且無法分離，導(dǎo)致二維測(cè)量存在很大誤差，無法實(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)明的目的是克服上述現(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，利用五芯光纖光柵探針既作為觸測(cè)傳感元件，也作為光纖環(huán)形激光器的波長選擇器件，當(dāng)五芯光纖光柵探針端部受觸測(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，使作為光纖環(huán)形激光器波長選擇器件的光纖光柵的反射中心波長發(fā)生變化，并進(jìn)一步改變光纖環(huán)形激光器輸出激光中心波長，由于利用飽和吸收體消除多縱模振蕩和抑制跳模，實(shí)現(xiàn)光纖環(huán)形激光器的單縱模窄線寬輸出，從而使系統(tǒng)具有更高的靈敏度。采用多路光開關(guān)來切換測(cè)量光纖光柵的通道，以獲得相應(yīng)光纖環(huán)形激光器輸出激光中心波長信息，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)一種全新的溫度無耦合三維微尺度測(cè)量。
[0014]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種基于光纖環(huán)形激光器的五芯光纖光柵探針微尺度測(cè)量裝置，包括由波分復(fù)用器、摻鉺光纖、環(huán)形器、耦合器和隔離器B依次連接構(gòu)成的環(huán)形腔，泵浦源通過波分復(fù)用器與環(huán)形腔連通；所述耦合器通過隔離器A依次與光譜分析儀和計(jì)算機(jī)連通；多路光開關(guān)通過飽和吸收體與環(huán)形器連通，多路光開關(guān)通過五根單模光纖、五芯光纖扇出器與五芯光纖連通，在五芯光纖端部上通過探針夾持器固裝五芯光纖光柵探針；計(jì)算機(jī)與多路光開關(guān)連通；多路光開關(guān)與外部參考光柵連接；所述五芯光纖光柵探針與外部參考光柵通過多路光開關(guān)切換可分別作為光纖環(huán)形激光器的波長選擇器件。
[0015]一種基于光纖環(huán)形激光器的五芯光纖光柵探針微尺度測(cè)量方法，所述方法是:利用泵浦源提供泵浦光，經(jīng)波分復(fù)用器進(jìn)入作為增益介質(zhì)的摻鉺光纖產(chǎn)生受激輻射光，受激輻射光經(jīng)過耦合器分光，一部分反饋回由波分復(fù)用器、摻鉺光纖、環(huán)形器、耦合器和隔離器B依次連接構(gòu)成的環(huán)形腔內(nèi)，另一部分作為激光輸出；反饋回環(huán)形腔內(nèi)的光從環(huán)形器的A端口進(jìn)入，通過B端口輸出，經(jīng)過飽和吸收體消除多縱模振蕩和抑制跳模，實(shí)現(xiàn)光纖環(huán)形激光器的單縱模窄線寬輸出，再經(jīng)過作為波長選擇器件的五芯光纖光柵探針或外部參考光柵對(duì)激光進(jìn)行選頻后，反射進(jìn)入B端口，從C端口輸出后繼續(xù)在環(huán)形腔中傳輸，隨著泵浦功率不斷增加，自發(fā)輻射將漸漸被抑制，形成窄線寬的單縱模激光輸出；當(dāng)五芯光纖光柵探針與待測(cè)構(gòu)件發(fā)生觸測(cè)時(shí)，五芯光纖光柵探針內(nèi)光纖光柵的反射光譜中心波長將會(huì)發(fā)生偏移，從而改變輸出激光波長，通過切換多路光開關(guān)，利用光譜分析儀檢測(cè)五芯光纖光柵探針中五根光纖光柵和外部參考光柵分別作為波長選擇器件時(shí)的輸出激光中心波長；數(shù)據(jù)處理中，當(dāng)五芯光纖光柵探針中心外正交的兩組光纖光柵分別作為光纖環(huán)形激光器波長選擇器件時(shí)，光纖環(huán)形激光器輸出激光波長做差分?jǐn)?shù)據(jù)處理，解耦二維徑向觸測(cè)位移和溫漂；當(dāng)五芯光纖光柵探針中心的光纖光柵和外部參考光柵分別作為光纖環(huán)形激光器波長選擇器件時(shí)，光纖環(huán)形激光器輸出激光波長做差分?jǐn)?shù)據(jù)處理，獲得無徑向觸測(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.基于光纖環(huán)形激光器的五芯光纖光柵探針微尺度測(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、探針使用壽命長的特點(diǎn)。
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