專利名稱：雙光纖耦合接觸式微測量力瞄準傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種可伸入微深孔內將耦合器觸頭與內孔邊緣觸測位置轉換成光束轉角信息的雙光纖耦合接觸式微測量力瞄準傳感器，尤其是在“亞宏觀”領域中對微深孔和其它微小內尺寸測量時的精密瞄準發訊傳感器。
背景技術：
航空航天高性能、低消耗和精確化技術的發展導致精密微小尺寸零件越來越多，對精密微小尺寸的測量也提出了越來越高的要求。在這些精密微小內尺寸中，對微深孔幾何參數的測量問題一直是制約伺服機構和發動機性能提高的技術“瓶頸”，急需探討一種可實際應用于微深孔幾何參數測量的方法。
目前，對微深孔幾何參數的測量方法很少，測量精度不高，尤其是對于大深徑比的微小孔，幾乎沒有一種完善的測量方法。1997～1998年，天津大學和德國聯邦物理研究院(PTB)聯合研制出單光纖配合CCD圖像處理的方法(1.天津大學，一種接觸式光學測量方法和使用該方法的微型三維測頭，中國專利申請號98115367.4 1998-06-30；2.吉貴軍，H Schwenke，E Trapet，羅震，發動機噴油嘴微小噴油孔尺寸和形狀測量系統，內燃機學報1998，16(4)475～479；3.吉貴軍，H Schwenke，E Trapet等，光學接觸式微型三維測量系統，儀器儀表學報2000，21(1)95～97；4.Ji Guijun，Schwenke Heinrich，TrapetEuqen.An opto-mechanical microprobe system for measuring very small parts on CMMs.Proc SPIE Int Soc Opt Eng.1998，3454348～353；5.Guijun Ji，Schwenke Heinrich，TrapetEuqen.Fiber optic sensor for measuring very small holes.Proc SPIE Int Soc Opt Eng.1999.3538143～146；6.Schwenke H，Waldele F，Weiskirch C，el at.Opto-tactile sensor for 2D and3D measurement of small structures on coordinate measuring machines.CIRP Ann ManufTechnolog.2001，50(1)361～364)。該方法把一微光珠粘結在光纖一端并作為物體成像于CCD上，并且把傳感器在空間的橫向位移量轉變為微光珠在軸向的位移量，微光珠的軸向位移量的變化通過CCD捕捉到的圖像信號亮度的變化來檢測。但此方法中通過光纖進入微光珠的光大部分沒有進入光學系統成像，CCD所捕捉的圖像信號微弱，不利于后面的圖像處理；當微光珠伸入微孔內部時，由于孔壁的“遮擋”效應使可測的深度很小，對大深徑比的情況下，如深徑比大于10∶1時無法完成測量工作；而且由于CCD接收系統中光學物鏡的景深作用，當光珠觸測孔壁且在橫向有一定位移量時，光珠的像不發生任何變化，從而使傳感器的靈敏度低。
日本一些學者利用振動掃描測量方法實現了對微孔的測量(1.T.Masuzawa，Y.Hamasaki，M.Fujino.Vibroscanning Method for Nondestructive Measurement of SmallHoles.Annals of the CIRP.1993，42(1)589～592；2.Beomjoon Kim，Takahisa Masuzawa，Tarik Bourouina.The Vibroscanning Method for the Measurement of Micro-hole Profiles.Meas.Sci.Technol.1999，(10)697～705；3.Kim B J，Sawamoti Y，Masuzawa T，el at.Advanced vibroscanning method for microhole measurement.International Journal ofElectrical Machining.1995，(1)41～44)，把探針與被測孔壁之間的空間位移變化轉化為探針檢測端電路的電壓變化，但孔內部雜物或毛刺等對測量結果影響嚴重，從而使測量精度不高；同時由于探針的振動使探針極易折斷，導致探針最小直徑與長度不可能很大。為了提高測量精度與可測深度，又提出了雙掃描探針與大長徑比掃描探針(1.Bergaud C，Kim B J，Masuzawa T.Realisation of silicon-based twin microstylus for 3-dimensionalcharacterization of deep microholes.Proceedings of 3rdFrance-Japan Congress & 1stEurope-Asia Congresson on Mechatronics.1996，(2)640～643；2.T.Masuzawa，B.J.Kim，C.Bergaud，el at.Twin-probe Vibroscanning Method for Dimensional of Microholes.Annals ofthe CIRP.1997，46(1)437～440；3.B.J.Kim，T.Masuzawa，H.Fjuita，el at.DimensionalMeasurement of Microholes with Silicon-based Micro Twin Probes.Proceeding of the IEEEMicro Methanical Systems(MEMS).1998334～339；4.M.Yamamoto，H.Takeuchi，S.Aoki.Dimensional Measurement of High Aspect Ratio Structures with a Resonating MicroCantilever Probe.Microsystem Technologies.2000，(6)179～183)。但即使對于大長徑比的掃描探針，由于探針振動時的極易折斷性使其可測深徑比也不可能很大。
發明內容
本發明的目的是克服微深孔測量方法現有技術中存在的不足之處，提供一種適用于大深徑比微深孔測量的雙光纖耦合接觸式微測量力瞄準傳感器，通過雙光纖耦合器及顯微物鏡將傳感器觸測頭在微孔內的微小位移量轉變為CCD圖像捕捉系統的橫向位移量，由圖像空間灰度矩定位算法實現對孔壁測量時的高精度瞄準。
本發明的技術解決方案是一種雙光纖耦合接觸式微測量力瞄準傳感器，由探針、顯微物鏡、CCD攝像系統、軟件處理系統組成，所說的探針由兩根光纖組成，其中一根光纖作為入射光纖，另一根作為出射光纖，入射光纖和出射光纖的一端與耦合器固定連接，耦合器作為探針的觸點，光束經入射光纖導入耦合器后由出射光纖導出，導出光束經顯微物鏡進入CCD攝像系統；入射光纖與出射光纖膠結在一起或相互獨立；所述的耦合器是球形或橢球形玻璃；所述的耦合器是截面為三角形的柱狀玻璃；所述的耦合器是單側帶有反射膜的平板玻璃；所述的耦合器是圓柱形玻璃。
本發明的探針由兩根光纖組成，兩光纖固連形成剛度較大的測桿，于入射光纖末端彎曲處形成相對柔性的鉸鏈；兩根光纖中一根光纖作為入射光纖，另一根作為出射光纖，兩根光纖的一端與耦合器固定連接，耦合器作為探針的觸點，光束經入射光纖導入耦合器后由出射光纖導出，導出光束經顯微物鏡進入CCD攝像系統，通過圖像空間灰度矩定位算法得到出射光束在CCD上形成的光斑能量中心位置，由CCD上光斑能量中心位置與傳感器觸測點在空間位置的一一對應關系即可得出傳感器觸測頭在孔內部與孔壁的接觸狀況。當傳感器觸測頭瞄準時，即雙光纖共球耦合器觸測被測孔內壁，由于孔壁的“阻擋”使耦合器在橫向不再發生位移；若傳感器固定端相對孔壁繼續移動，在測力的作用下剛性測桿則繞柔性鉸鏈偏轉一微小角度，從出射光纖導出的出射光束同步偏轉，該光束經光學系統成像在CCD像平面上，該光斑中心相對初始位置的偏移量反映了出射光束的偏轉角；確定測量力約為30μN時對應的位置為發訊零位，則表明觸測點與孔壁可靠接觸，在該位置上已經精確瞄準。
本發明的優點是(1)可測最小微深孔直徑達φ0.01mm，只受光纖纖芯直徑限制。
(2)可測最大深徑比達到50∶1以上。對于直徑為φ0.01mm～φ0.03mm的孔，可測深徑比達50∶1；對直徑為φ0.03mm～φ0.05mm的孔，可測深徑比達40∶1；對直徑為φ0.05mm～φ0.1mm的孔，可測深徑比達30∶1；對直徑為φ0.1mm～φ0.2mm的孔，可測深徑比達20∶1；對直徑為φ0.2mm～φ0.3mm的孔，可測深徑比達15∶1；對直徑為φ0.3mm～φ0.5mm的孔，可測深徑比達10∶1。
(3)受力光纖與檢測光纖分開，保證檢測光纖不受觸測力影響。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細描述。
圖1是接觸式微測量力瞄準傳感器系統構成示意圖；圖2a是實施例1的探針示意圖；圖2b是實施例2的探針示意圖；圖3a是實施例3的探針示意圖；圖3b是實施例4的探針示意圖；圖4a是實施例5的探針示意圖；圖4b是實施例6的探針示意圖；圖5a是實施例7的探針示意圖；圖5b是實施例8的探針示意圖；圖6a是實施例9的探針示意圖；圖6b是實施例10的探針示意圖；圖7a是實施例11的探針示意圖；圖7b是實施例12的探針示意圖；圖8a是實施例13的探針示意圖；圖8b是實施例14的探針示意圖。
具體實施例方式
圖1是接觸式微測量力瞄準傳感器系統構成示意圖，激光器1發出的激光束經擴束準直鏡2進入光纖耦合透鏡3進行聚焦，聚焦后的激光束由入射光纖4導入耦合器7后進入出射光纖8，由出射光纖射出的激光束經成像顯微物鏡9后被CCD攝像機10捕獲，由CCD攝像機10捕獲的圖像信號傳送計算機11進行圖像處理，機械彎曲件5將入射光纖4彎曲以便提供圖像捕獲空間，耦合器7與被測孔6接觸，感知探針觸點與被測表面的接觸情況。
由圖1可知本發明的特征是探針由兩根光纖組成，其中一根光纖作為入射光纖4，另一根作為出射光線8，兩根光纖的一端與耦合器7固定連接，耦合器7作為探針的觸點，光束經入射光纖4導入耦合器7后由出射光纖8導出，導出光束經顯微物鏡9進入CCD攝像系統10。
圖1中采用了機械彎曲件5將入射光纖4彎曲以便提供圖像捕獲空間，也可以不使用機械彎曲件5，而直接用熱定型法將入射光線4彎曲以便提供圖像捕獲空間。
本發明的瞄準過程包括如下步驟1.提前半小時打開激光器，使激光器發出的光束穩定。
2.調整光纖耦合透鏡3與入射光纖4之間的相對位置與姿態，保證最大光能量進入入射光纖。
3.調整出射光纖8與顯微透鏡9之間的相對位置與姿態，保證出射光纖8的出射端面相對顯微透鏡9是一個近軸區內物體，以提高成像質量。
將耦合器伸入被測微深孔內部，并使之與被測微深孔產生相對位移，當觸測頭位于發訊零位時傳感器精確瞄準。
本發明所述的耦合器可以是球形或橢球形玻璃、單側帶有反射膜的平板玻璃、截面為三角形的柱狀玻璃或圓柱形玻璃。入射光纖和出射光纖可以膠結在一起或相互獨立，出射光纖的出射端面可以位于機械彎曲件底面以下或底面以上。
下面通過實施例詳細說明探針的結構，其中各實施例的傳感器系統構成均如圖1所示。
實施例1本實施例探針結構如附圖2a所示，耦合器14為球形玻璃，入射光纖12和出射光纖13的一端與耦合器14固定連接，入射光纖12和出射光纖13膠結在一起，且出射光纖13的出射端面位于機械彎曲件5底面以下；實施例2本實施例探針結構如附圖2b所示，耦合器17為球形玻璃，入射光纖15和出射光纖16的一端與耦合器17固定連接，入射光纖15和出射光纖16的端部平行，且出射光纖16的出射端面位于機械彎曲件5底面以上；實施例3本實施例探針結構如附圖3a所示，耦合器20為球形玻璃，入射光纖18和出射光纖19的一端與耦合器20固定連接，入射光纖18和出射光纖19膠結在一起，且入射光纖18和出射光纖19成一定的角度，且出射光纖19的出射端面位于入射光纖18端面以下；實施例4本實施例探針結構如附圖3b所示，耦合器23為球形玻璃，入射光纖21和出射光纖22的一端與耦合器23固定連接，入射光纖21和出射光纖22膠結在一起，且入射光纖21和出射光纖22的端部平行，且出射光纖22的出射端面位于入射光纖21端面以上；實施例5本實施例探針結構如附圖4a所示，耦合器26為球形玻璃，入射光纖24和出射光纖25的一端與耦合器26固定連接，入射光纖24和出射光纖25成一定的角度；實施例6本實施例探針結構如附圖4b所示，耦合器29為球形玻璃，入射光纖27和出射光纖28的一端與耦合器29固定連接，入射光纖27和出射光纖28的端部平行；實施例7本實施例探針結構如附圖5a所示，耦合器32為橢球形玻璃，入射光纖31和出射光纖30的一端與耦合器320固定連接，入射光纖31和出射光纖30成一定的角度；實施例8本實施例探針結構如附圖5b所示，耦合器35為橢球形玻璃的探針示意圖，入射光纖34和出射光纖33的一端與耦合器35固定連接，入射光纖34和出射光纖33的端部平行；實施例9本實施例探針結構如附圖6a所示，耦合器38為一面帶有反射膜39的平板玻璃，入射光纖37和出射光纖36的一端與耦合器38固定連接，入射光纖37和出射光纖36成一定的角度；實施例10傳感器系統構成如圖1所示，本實施例探針結構如附圖6b所示，耦合器42為一面帶有反射膜43的平板玻璃，入射光纖41和出射光纖40的一端與耦合器42固定連接，入射光纖41和出射光纖40的端部平行；實施例11本實施例探針結構如附圖7a所示，耦合器46為截面是三角形的柱狀玻璃，入射光纖45和出射光纖44的一端與耦合器46固定連接，入射光纖45和出射光纖44成一定的角度；實施例12本實施例探針結構如附圖7b所示，耦合器49為截面是三角形的柱狀玻璃，入射光纖48和出射光纖47的一端與耦合器49固定連接，入射光纖48和出射光纖47的端部平行；實施例13本實施例探針結構如附圖8a所示，耦合器52為圓柱形玻璃，入射光纖51和出射光纖50的一端與耦合器52固定連接，入射光纖51和出射光纖50成一定的角度；實施例14本實施例探針結構如附圖8b所示，耦合器55為圓柱形玻璃，入射光纖54和出射光纖53的一端與耦合器55固定連接，入射光纖54和出射光纖53的端部平行。
本發明中所用到的光纖可以是多模光纖也可以是單模光纖，單模光纖纖芯直徑較小，適用于小直徑孔的測量，也可以在同一個傳感器中單模光纖與多模光纖混合使用；還可以根據需要選擇特種光纖，應根據實際需要選擇。
本發明中所用到的光纖可以是帶有包層的光纖，也可以是裸光纖，還可以是在局部如接近耦合器的位置使用腐蝕法剝去包層露出纖芯的光纖。
關于耦合器的制作和耦合器與光纖的固定連接推薦一種較簡單、方便的方法將兩根裸光纖或局部去掉包層的光纖在端部進行接觸，并采用熱熔法使光纖融合，形成球形或橢球形耦合器并完成了與光纖的固定連接；對于耦合器為單側帶有反射膜的平板玻璃、截面為三角形的柱狀玻璃及圓柱形玻璃對過膠結的方法實現光纖與耦合器的固定連接。
本發明集機械加工技術、激光技術、CCD成像技術、光纖技術、光纖耦合技術等于一體，把光纖耦合原理、光學成像原理、光電轉換原理、圖像處理技術等應用于同一測試裝置，為實現微深通、盲孔尺寸測量提供高精度的瞄準信號。光學成像可以采用高斯成像原理，通過特制的大工作距、高倍率、高品質顯微物鏡對被返回光纖端面進行高品質成像，并由光電轉換器件CCD將被測信息轉換成為易于識別與處理的數字電信號，經由計算機采集、判斷、處理與分析等，最終直接給出當前傳感器探針對孔壁的瞄準情況和探針在空間的位置情況。本發明中的瞄準方法和檢測屬于光電微力接觸式傳感方式，既能保證機械接觸式測量中可靠性和單一性，又可以保證了光學測量方法的快速性和高精度，傳感器可以實現微深孔尺寸測量的精確瞄準。
權利要求
1.一種雙光纖耦合接觸式微測量力瞄準傳感器，由探針、顯微物鏡、CCD攝像系統、軟件處理系統組成，其特征是所說的探針由兩根光纖組成，其中一根光纖作為入射光纖，另一根作為出射光纖，入射光纖和出射光纖的一端與耦合器固定連接，耦合器作為探針的觸點，光束經入射光纖導入耦合器后由出射光纖導出，導出光束經顯微物鏡進入CCD攝像系統。
2.如權利要求1所述的傳感器，其特征是入射光纖與出射光纖膠結在一起或相互獨立。
3.如權利要求1或2所述的傳感器，其特征是所述的耦合器是球形或橢球形玻璃。
4.如權利要求1或2所述的傳感器，其特征是所述的耦合器是截面為三角形的柱狀玻璃。
5.如權利要求1或2所述的傳感器，其特征是所述的耦合器是單側帶有反射膜的平板玻璃。
6.如權利要求1或2所述的傳感器，其特征是所述的耦合器是圓柱形玻璃。
全文摘要
本發明涉及一種可伸入微深孔內將耦合器觸頭與內孔邊緣觸測位置轉換成光束轉角信息的雙光纖耦合接觸式微測量力瞄準傳感器，由探針、顯微物鏡、CCD攝像系統、軟件處理系統組成，所說的探針由兩根光纖組成，其中一根光纖作為入射光纖，另一根作為出射光纖，入射光纖和出射光纖的一端與耦合器固定連接，耦合器作為探針的觸點，光束經入射光纖導入耦合器后由出射光纖導出，導出光束經顯微物鏡進入CCD攝像系統，通過圖像處理技術即可得到出射光束在CCD上形成的光斑能量中心位置，由CCD上光斑能量中心位置與傳感器觸測點在空間位置的一一對應關系即可得出傳感器在空間的瞄準情況。本傳感器可以實現對直徑不小于0.01mm、深徑比不大于50∶1的微深孔測量時的精確瞄準。
文檔編號G01B11/00GK1737493SQ20051007225
公開日2006年2月22日 申請日期2005年5月27日 優先權日2005年5月27日
發明者譚久彬, 崔繼文 申請人:哈爾濱工業大學