基于偏振態檢測的雙入射保偏平光纖耦合球微尺度傳感器的制造方法
【專利摘要】基于偏振態檢測的雙入射保偏平光纖耦合球微尺度傳感器屬于精密儀器制造及測量技術；該傳感器包括激光器A、B、起偏器A、B、平面反射鏡A、B、半透半反棱鏡、波片、探針、偏振態檢測裝置、計算機，其中探針由入射光纖A、入射光纖B、出射光纖、耦合球組成，半透半反棱鏡、波片、探針依次排列，所述激光器A出射光經起偏器A由平面反射鏡A反射進入射光纖A，激光器B出射光經起偏器B由平面反射鏡B反射進入射光纖B，偏振態檢測裝置A、B分別接收光束第一、二次經半透半反棱鏡反射的光束，當偏振態檢測裝置B檢測到的偏振態相對于偏振態檢測裝置A檢測到的偏振態的差值發生變化時，探針與被測孔發生觸測；本傳感器精度高，速度快。
【專利說明】基于偏振態檢測的雙入射保偏平光纖耦合球微尺度傳感器
【技術領域】
[0001]本發明屬于精密儀器制造及測量技術，主要涉及一種基于偏振態檢測的雙入射保偏平光纖稱合球微尺度傳感器。
【背景技術】
[0002]隨著航空航天工業、汽車工業、電子工業以及尖端工業等的不斷發展，對于精密微小構件的需求急劇增長。由于受到空間尺度和待測微小構件遮蔽效應的限制以及測量接觸力的影響，微小構件尺寸的精密測量變得難以實現，尤其是微小內腔構件的測量深度難以提高，這些已然成為制約行業發展的“瓶頸”。為了實現更小的內尺寸測量、增加測量深度，最廣泛使用的辦法就是使用細長的探針深入微小構件的內腔進行探測，通過瞄準發訊的方式測量不同深度上的微小內尺寸。因此，目前微小構件尺寸的精密測量以坐標測量機結合具有纖細探針的瞄準發訊式探測系統為主，由于坐標測量機技術的發展已經比較成熟，可以提供精密的三維空間運動，因此瞄準觸發式探針的探測方式成為微小構件尺寸探測系統設計的關鍵。
[0003]目前，微小構件尺寸測量的主要手段包括以下幾種方法:
[0004]1.德國聯邦物理技術研究院的H.Schwenke教授等人提出了一種微光珠散射成像法，實現了對探針測頭位置信息的二維檢測。該方法利用單光纖作為探針測桿，把微光珠粘接或者焊接到測桿末端，使光線耦合進入光纖內部傳播到微光珠上形成散射，用一個面陣CCD接收散射光形成敏感信號，實現了微力接觸式測量。后來H.Schwenke教授等人拓展了這種方法，在測桿上粘接了一個微光珠，同時增加了一路對該微光珠的成像光路，這使得該探測系統具有了三維探測能力，測量標準球時得到的標準偏差為0.2 μ m。據相關報道，此方法可以實現測量Φ151μπι的孔徑，測量深度為1mm。這種方法在測量深孔過程中，由于微光珠散射角度較大，隨著測量深度的增加，微光珠散射成像光斑的質量由于散射光線受到孔壁遮擋而逐漸降低，導致成像模糊，降低了測量精度，因此無法實現大深徑比的高精度測量。
[0005]2.中國哈爾濱工業大學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構，把兩根光纖通過末端熔接球連通，熔接球作為測頭，一根較長光纖引入光線，另外一根較短導出光線，克服了微光珠散射法測量深度的局限，可以實現對直徑不小于
0.01mm、深徑比不大于15: I的微深孔測量時的精確瞄準。這種方法雖然在一定程度上克服了遮蔽效應，但耦合球實現的反向傳輸的光能量十分有限，測量深度難以進一步提升。
[0006]3.美國國家標準技術研究院使用了單光纖測桿結合微光珠測頭的探針，通過光學設計在二維方向上將光纖測桿成像放大35倍左右，用2個面陣CCD分辨接收二維方向上光纖測桿所成的像，然后對接收到的圖像進行輪廓檢測，從而監測光纖測桿的在測量過程中的微小移動，進而實現觸發式測量，該探測系統的理論分辨力可以達到4nm，探測系統的探針測頭直徑為Φ75μπι，實驗中測量了 Φ129μπι的孔徑，其擴展不確定度概算值達到了70nm(k = 2)，測量力為μΝ量級。該方法的局限是必須通過圖像算法進一步提高分辨力，探測光纖測桿的二維微位移必須使用兩套成像系統，導致系統結構比較復雜，測量數據計算量比較大，探測系統的實時性較差，系統構成比較復雜。
[0007]4.瑞士聯合計量辦公室研發了一個新型的坐標測量機致力于小結構件納米精度的可追跡的測量。該測量機采用了基于并聯運動學原理的彎曲鉸鏈結構的新型接觸式探針，該設計可以減小移動質量并且確保全方向的低硬度，是一個具有三維空間結構探測能力的探針。這一傳感結構的測量力低于0.5mN,同時支持可更換的探針，探針測頭的直徑最小到ΦΙΟΟμπι。探測系統結合了一個由Philips CFT開發的高位置精度的平臺，平臺的位置精度為20nm。該測量系統測量重復性的標準偏差達到5nm，測量結果的不確定度為50nm。該種方法結構設計復雜，同時要求測桿具有較高的剛度和硬度，否則難以實現有效的位移傳感，這使得測桿結構難以進一步小型化，測量深徑比同時受到制約，探測系統的分辨力難以進一步提聞。
[0008]5.中國哈爾濱工業大學崔繼文教授和楊福玲等人提出了一種基于FBG Bending的微孔尺寸測量裝置及方法，該方法利用光纖光柵加工的探針和相應的光源、檢測裝置作為瞄準觸發系統，配合雙頻激光干涉儀測長裝置，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變形時，探針的主要應力不作用于光纖光柵上，系統的分辨率很低，難以進一步提聞。
[0009]綜上所述，目前微小尺寸和二維坐標探測方法中，由于光纖制作的探針具有探針尺寸小、測量接觸力小、測量深徑比大、測量精度高的特點而獲得了廣泛關注，利用其特有的光學特性和機械特性通過多種方式實現了一定深度上的微小內尺寸的精密測量。現存測量手段主要存在的問題有:
[0010]1.探測系統的測量深度受限。德國PTB的微光珠散射成像法受遮蔽效應的影響，難以實現測量深度的提升，同時降低了系統探測精度。基于雙光纖耦合的探針結構雖然在一定程度上克服了遮蔽效應，但目前尚未解決反向傳輸的光能量十分有限的問題，測量深度難以進一步提升。
[0011]2.探測系統的位移分辨力難以進一步提高。現存的探測系統的初級放大率較低，導致了其整體放大率較低，難以實現其位移分辨力的進一步提高。美國國家標準技術研究院采用的探測方法的光學測桿的光學光路放大倍率僅有35倍，較低的初級放大倍率導致了其位移分辨力難以進一步提高。
[0012]3.探測系統實時性差，難以實現精密的在線測量。美國國家標準技術研究院采用的探測方法必須使用兩路面陣CCD接收信號圖像，必須使用較復雜的圖像算法才能實現對光纖測桿位移的高分辨力監測，這導致測量系統需要處理的數據量大大增加，降低了探測系統的實時性能，難以實現微小內腔尺寸和二維坐標測量過程中瞄準發訊與啟、止測量的同步性。
[0013]4.存在二維徑向觸測位移的耦合。基于FBG Bending的微孔尺寸測量方法的探針具有各向性能一致，在徑向二維觸測位移傳感時存在耦合，而且無法分離，導致二維測量存在很大誤差，無法實現徑向二維觸測位移的準確測量。
【發明內容】
[0014]為了克服上述現有技術的不足，滿足微小構件尺寸測量的高精度、大深徑比與快速測量的需求，本發明提出了一種可深入微深內腔體內部將三光纖耦合球與內腔體側壁觸測位置信息轉換為光束偏振態信息的基于偏振態檢測的雙入射保偏平光纖稱合球微尺度傳感器。
[0015]本發明的目的是這樣實現的:
[0016]—種基于偏振態檢測的雙入射保偏平光纖稱合球微尺度傳感器，所述傳感器包括
激光器A、起偏器A、平面反射鏡A、激光器B、起偏器B、平面反射鏡B、半透半反棱鏡、波
4
片、探針、偏振態檢測裝置A、偏振態檢測裝置B、計算機，所述探針由入射光纖A、入射光纖B、出射光纖共三根光纖和一個耦合球組成，所述入射光纖A與入射光纖B是兩根平包層保偏光纖，入射光纖A與入射光纖B平行固定連接，且入射光纖A與入射光纖B的保偏方向相互垂直，所述出射光纖為普通單模光纖，入射光纖A、入射光纖B和出射光纖的一端與耦合球固定連接，耦合球作為探針的觸點；激光器A、起偏器A、平面反射鏡A依次排列，激光器
B、起偏器B、平面反射鏡B依次排列，半透半反棱鏡、波片、探針依次排列，其中激光器A
出射光通過起偏器A、經平面反射鏡A反射后的光束光軸與入射光纖A入射光光軸重合，激光器B出射光通過起偏器B、經平面反射鏡B反射后的光束光軸與入射光纖B入射光光軸重合，所述激光器A經起偏器A后的光束的偏振態與激光器b經起偏器B后的光束的偏振態相差90°，偏振態檢 測裝置A位于兩束入射光第一次經半透半反棱鏡反射后的反射光路光軸A與反射光路光軸B之間的中心線上，偏振態檢測裝置B位于探針的出射光纖的出射光
通過波片、經半透半反棱鏡反射后的反射光路光軸上，通過數據線分別將偏振態檢測裝
置A和偏振態檢測裝置B與計算機相連，探針置于被測孔內；以所述偏振態檢測裝置A檢測到的光束的偏振態作為參考信號，以所述偏振態檢測裝置B檢測到的光束的偏振態作為檢測信號，當檢測信號的偏振態相對于參考信號的偏振態的差值發生變化時，探針與被測孔發生觸測。
[0017]本發明具有以下特點及良好效果:
[0018]1.傳感器的探針過兩根敏感方向相互垂直的平包層保偏光纖作為入射光纖，可以實現二維空間位置信號探測，且本傳感器具有的二維探測能力是解耦的；同時，采用兩根入射光纖可以增強探針的剛度。
[0019]2.光學探測信號在光纖內部傳輸，不受微孔內壁的影響，測量最大深徑比可達50: 1，滿足大深徑比微孔測量要求。
[0020]3.通過檢測出射光偏振態的變化判斷觸測信號，精度高，處理速度快，滿足工業需求。
[0021]4.該傳感器中引入參考偏振光，可以消除環境因素對判斷觸測信號的影響，大大提高了傳感器對環境的適應能力，可適用于工業現場測量。
[0022]5.采用特殊截面的平包層保偏光纖，使傳感器具有更高的靈敏度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為基于偏振態檢測的雙入射保偏平光纖耦合球微尺度傳感器總體結構示意圖；
[0024]圖2為圖1中探針的俯視圖。
[0025]圖中:la、激光器A，lb、激光器B，2a、起偏器A，2b、起偏器B，3a、平面反射鏡A，3b、
平面反射鏡B, 4、 半透半反棱鏡,5、1/4λ波片,6a、入射光纖A, 6b、入射光纖B, 7、出射光纖,8、
耦合球，9、被測孔，10、探針，11、偏振態檢測裝置A，12、偏振態檢測裝置B，13a、反射光路光軸A，13b、反射光路光軸B，14、反射光路光軸，15、計算機。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對本發明實施例進行詳細描述。
[0027]—種基于偏振態檢測的雙入射保偏平光纖稱合球微尺度傳感器，所述傳感器包括激光器Ala、起偏器A2a、平面反射鏡A3a、激光器Bib、起偏器B2b、平面反射鏡B3b、半透半
反棱鏡4、1/4λ波片5、探針10、偏振態檢測裝置All、偏振態檢測裝置B12、計算機15，所述探
針10由入射光纖A6a、入射光纖B6b、出射光纖7共三根光纖和一個耦合球8組成，所述入射光纖A6a與入射光纖B6b是兩根平包層保偏光纖,入射光纖A6a與入射光纖B6b平行固定連接，且入射光纖A6a與入射光纖B6b的保偏方向相互垂直,所述出射光纖7為普通單模光纖,入射光纖A6a、入射光纖B6b和出射光纖7的一端與稱合球8固定連接,I禹合球8作為探針10的觸點；激光器Ala、起偏器A2a、平面反射鏡A3a依次排列，激光器Bib、起偏器
B2b、平面反射鏡B3b依次排列，半透半反棱鏡4、1/4λ波片5、探針10依次排列，其中激光器
Ala出射光通過起偏器A2a、經平面反射鏡A3a反射后的光束光軸與入射光纖A6a入射光光軸重合，激光器Blb出射光通過起偏器B2b、經平面反射鏡B3b反射后的光束光軸與入射光纖B6b入射光光軸重合,所述激光器Ala經起偏器A2a后的光束的偏振態與激光器bib經起偏器B2b后的光束的偏振態相差90°，偏振態檢測裝置All位于兩束入射光第一次經半透半反棱鏡4反射后的反射光路光軸A13a與反射光路光軸B13b之間的中心線上,偏振態
檢測裝置B12位于探針10的出射光纖7的出射光通過IA波片5、1/4λ經半透半反棱鏡4反射后
的反射光路光軸14上，通過數據線分別將偏振態檢測裝置All和偏振態檢測裝置B12與計算機15相連，探針10置于被測孔9內；以所述偏振態檢測裝置All檢測到的光束的偏振態作為參考信號，以所述偏振態檢測裝置B12檢測到的光束的偏振態作為檢測信號，當檢測信號的偏振態相對于參考信號的偏振態的差值發生變化時，探針10與被測孔9發生觸測。
[0028]測量使用時:
[0029]由激光器Ala發出的光經起偏器A2a成為偏振光S光，S光經平面反射鏡A3a反射后垂直入射到半透半反棱鏡4，激光器Blb發出的光經起偏器B2b成為偏振光P光，P光
經平面反射鏡B3b反射后垂直入射到半透半反棱鏡4，其S、P兩束透射光經1/4λ波片5后分
別進入入射光纖A6a與入射光纖B6b后經耦合球8反射后由出射光纖7出射后，再次經過
1/4λ波片5,其偏振態相對于未兩次經過了1/4λ波片5時的偏振態發生了 90°變化,即S光轉變為P光，P光轉變為S光，光束兩次經過iA波片5可以防止光束返回激光器Ala、Blb造成
干擾，此時P光與S光經半透半反棱鏡4反射后入射到偏振態檢測裝置B12上，偏振態檢測裝置B12檢測到的光束的偏振態用作檢測信號；在此過程中，由半透半反棱鏡4第一次反射的S光、P光兩束反射光入射到偏振態檢測裝置All上，偏振態檢測裝置All檢測到的光束的偏振態用作參考信號；在探針10受觸測變形時，將破壞保偏光纖的偏振保持特性，光纖中傳輸的光信號的偏振態會隨形變量的大小而向其他偏振態轉換，即當探針10受X方向觸測變形時，將僅僅破壞入射光纖A6a中光束的偏振態，當探針10受Y方向觸測變形時，將僅僅破壞入射光纖B6b中光束的偏振態。由此通過分析偏振態檢測裝置All與偏振態檢測裝置B12所得的偏振態的差值的變化即可以判斷是否發生觸測；當探針10發生彎曲，即耦合球8與待測孔9發生觸碰時，偏振態檢測裝置B12所接收到的光束的偏振態發生變化，即該光束的偏振態相對于偏振態檢測裝置All檢測到的參考偏振態的差值發生變化，將該變化作為測量信號，用于移動裝置或實現測量裝置測長。
【權利要求】
1.一種基于偏振態檢測的雙入射保偏平光纖稱合球微尺度傳感器，其特征在于:所述傳感器包括激光器A (Ia)、起偏器A (2a)、平面反射鏡A (3a)、激光器B (Ib)、起偏器B (2b)、平面反射鏡B(3b)、半透半反棱鏡1/4波片(5)、探針(10)、偏振態檢測裝置A(Il)、偏振態
檢測裝置B(12)、計算機(15)，所述探針(10)由入射光纖A(6a)、入射光纖B(6b)、出射光纖(7)共三根光纖和一個耦合球(8)組成，所述入射光纖A ^a)與入射光纖B ^b)是兩根平包層保偏光纖，入射光纖A (6a)與入射光纖B (6b)平行固定連接,且入射光纖A (6a)與入射光纖B (6b)的保偏方向相互垂直,所述出射光纖(7)為普通單模光纖,入射光纖A (6a)、入射光纖B (6b)和出射光纖(7)的一端與耦合球⑶固定連接，耦合球⑶作為探針(10)的觸點；激光器A (Ia)、起偏器A (2a)、平面反射鏡A (3a)依次排列，激光器B (Ib)、起偏器B (2b)、平面反射鏡B(3b)依次排列，半透半反棱鏡(4)、i；1/4波片(5)、探針(10)依次排列，其中激
光器A(Ia)出射光通過起偏器A(2a)、經平面反射鏡A(3a)反射后的光束光軸與入射光纖A (6a)入射光光軸重合，激光器B (Ib)出射光通過起偏器B (2b)、經平面反射鏡B (3b)反射后的光束光軸與入射光纖B (6b)入射光光軸重合,所述激光器A(Ia)經起偏器A (2a)后的光束的偏振態與激光器b (Ib)經起偏器B (2b)后的光束的偏振態相差90° ,偏振態檢測裝置A(Il)位于兩束入射光第一次經半透半反棱鏡(4)反射后的反射光路光軸A(13a)與反射光路光軸B(13b)之間的中心線上，偏振態檢測裝置B(12)位于探針(10)的出射光纖(7)的出射光通過1/4波片(5)、經半透半反棱鏡(4)反射后的反射光路光軸(14)上，通過數據
線分別將偏振態檢測裝置A(Il)和偏振態檢測裝置B (12)與計算機(15)相連，探針(10)置于被測孔(9)內；以所述偏振態檢測裝置A(II)檢測到的光束的偏振態作為參考信號，以所述偏振態檢測裝置B(12)檢測到的光束的偏振態作為檢測信號，當檢測信號的偏振態相對于參考信號的偏振態的差值發生變化時，探針(10)與被測孔(9)發生觸測。
【文檔編號】G01B11/00GK103900472SQ201410118970
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月20日 優先權日:2014年3月20日
【發明者】崔繼文, 李俊英, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業大學