基於雙光纖耦合的微小內腔體尺寸測量裝置與方法
2023-05-23 00:40:06
專利名稱：基於雙光纖耦合的微小內腔體尺寸測量裝置與方法
技術領域：
本發明涉及一種可用於對微小內腔體尺寸進行測量的方法與裝置，不僅可適用於傳統的接觸式測量方法所應用的領域，尤其適用於微小複雜內腔結構尺寸的測量領域，尤其適用於「亞宏觀」領域中對微小內腔體尺寸的測量。
背景技術：
隨著航空航天工業、汽車工業和尖端工業等的不斷發展，微小內腔體尺寸的存在領域也越來越廣泛，對精密微小內腔體尺寸的測量已成為制約航空航天和汽車器件性能提高的「瓶頸」，急需探討一種實際可用的測量方法。
對微小內腔體尺寸的精密測量問題是測量界出現的新問題，隱含著很多技術難度很大的關鍵技術問題，亟待解決的是在一定精度和範圍內的可測性問題，關鍵是可測深度問題，解決測量範圍、可測深度與測量精度之間的矛盾。接觸式測量方法由於其測杆的長度較長可以實現較大的可測深度，但較長的測杆易變形而使測量精度降低。為解決此問題，天津大學張國雄教授等發明了膜片式三維測頭(1.張國雄，楊世民 測量盲小孔與狹槽的三維測頭與測量方法 中國93121289.8 1993.12.30；2.楊世民，李書和，韓梅妹等.膜片式盲小孔測頭的設計與研究.計量學報.1998，19(2)142~146；3.楊世民，李書和，張國雄.小孔檢測方法的研究.航空精密製造技術.1998，34(4)36~38；4.G.X.Zhang，S.M.Yang.A 3D Probe for Measurement Small Blind Holes.Annalsof the CIRP.1995，43(1)461~464)，運用電容傳感器來檢測膜片的變形，並運用彈性尺寸鏈對測杆的變形進行補償，可測量直徑不小於0.2mm、深徑比達30∶1的微孔幾何尺寸，測量不確定度優於1μm。光學非接觸式測量方法可以實現對較小孔徑的測量，可以得到相對較高的測量精度(1.徐利梅，張家裕 精密微小孔雷射測量方法.電子科技大學學報.1998，27(3)300~304；2.呂海寶，漆新民，李瑩.微機控制的微孔徑雷射檢測裝置的研究.儀器儀表學報.1988，9(1)72~75；3.蘇秉華，劉木興.深孔內表面槽紡深度和粗糙度的光切測量.西安工業學業學報.1996，(3)31~35；4.H.Onikura，Y.Kuwwwabara，T.Nakamura，et al.Development of an Optical Hole-Diameter MeasurementInstrument.Annals of the CIRP.1994，43(1)461-464)，但由於光路的複雜性使其可測深度很小或者只能測量表面的信息，對內部的信息無法得到，而且極易受端面毛刺、缺陷等影響，導致測量精度下降。利用振動掃描測量方法把探針與被測內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來實現對微孔的測量時(1.T.Masuzawa，Y.Hamasaki，M.Fujino.VibroscanningMethod for Nondestructive Measurement of Small Holes.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，MasuzawaT，el at.Advanced vibroscanning method for microhole measurement.International Journal of Electrical Machining.1995，(1)41~44；4.Bergaud C，Kim B J，Masuzawa T.Realisation of silicon-based twinmicrostylus for 3-dimensional characterization of deep microholes.Proceedings of 3rd France-Japan Congress 1st Europe-Asia Congressonon Mechatronics.1996，(2)640~643；5.T.Masuzawa，B.J.Kim，C.Bergaud，el at.Twin-probe Vibroscanning Method for Dimensional of Microholes.Annals of the CIRP.1997，46(1)437~440；6.B.J.Kim，T.Masuzawa，H.Fujita，el at.Dimensional Measurement of Microholes with Silicon-basedMicro Twin Probes.Proceeding of the IEEE Micro Methanical Systems(MEMS).1998334~339；7.M.Yamamoto，H.Takeuchi，S.Aoki.DimensionalMeasurement of High Aspect Ratio Structures with a Resonating MicroCantilever Probe.Microsystem Technologies.2000，(6)179~183)，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；同時由於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，即使對雙掃描探針與大長徑比掃描探針，其可測深徑比也不可能很大。
光纖技術的發展對內腔體尺寸的測量開闢了另外一種途徑，並出現了許多運用光纖測量內尺寸的方法(1.Pfeifer T.Fiberoptics for in-lineproduction measurement.Annals of the CIRP.1997，41(1)577~584；2.SongTong，Lin Xinyang.Research on the system of photoelectric auto-measuringfor internal diameter.SPIE.1998，3558244~247；3.馬惠萍，李鵬生，楊樂民.用於光纖傳感器測孔的三角測量法研究.計量技術.2001，(9)18~20；4.Liu Lihua，Ma Huiping，Che Rensheng，el at.Research forDynamic Inspection Based on Novel Optical Fiber Sensing Technology.2stInternational Symposium on Instrumentation Science and Technology.Jinan，China.2002，3372~376)，但這些方法對小於1mm的內尺寸無法測量。
1997~1998年德國聯邦物理研究院(PTB)和天津大學先後研製出單光纖配合CCD圖像處理對微小內腔體尺寸進行測量的新方法(1.吉貴軍，H Schwenke，ETrapet，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；2.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；3.Ji Gui jun，SchwenkeHeinrich，Trapet Euqen.An opto-mechanical microprobe system formeasuring very small parts on CMMs.Proc SPIE Int Soc Opt Eng.1998，3454348~353；4.Guijun Ji，Schwenke Heinrich，Trapet Euqen.Fiber opticsensor for measuring very small holes.Proc SPIE Int Soc Opt Eng.1999，3538143~146；5.Schwenke H，Waldele F，Weiskirch C，el at.Opto-tactilesensor for 2D and 3D measurement of small structures on coordinatemeasuring machines.CIRP Ann Manuf Technolog.2001，50(1)361~364)。該方法把照亮的微球體作一個物體並成像於CCD上，並且把傳感器在空間的橫向位移量轉變為微球體在軸的位移量，微球體的軸向位移量的變化能過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行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，不利於後面的圖像處理；當微球體深入微孔內部時，由於孔壁的「遮擋」效應使可測的深度很小，對大深徑比的情況下，如深徑比大於10∶1時無法完成測量工作；而且由於CCD接收系統中光學物鏡的景深作用，當微球體觸測孔壁且在橫向的位移量較小時，光珠的像不發生任何變化，從而使傳感器的測量精度不高，靈敏度低。
發明內容
本發明的一個目的是克服目前微內腔體測量方法中存在的不足之處，提供一種基於雙光線耦合的可用於對垂直內型或斜面型微小內腔體結構的尺寸進行測量的裝置。
為達到上述目的，本發明的基於雙光纖耦合的微小內腔體尺寸測量裝置包括瞄準及發訊裝置，用以產生瞄準信號，並將瞄準結果反饋給控制裝置、測長裝置，用以在測量瞄準及發訊裝置發出的啟測及停測信號的時間間隔內測量被測微小腔體移動的距離、和控制裝置，用以對整個測量裝置的自動測量過程進行控制；其特徵在於所述瞄準及發訊裝置包括雷射耦合單元、數據採集處理單元和雙光纖耦合單元；在雙光纖耦合單元中，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。
本發明的另一個目的在於提供一種基於雙光纖耦合的微小內腔體尺寸測量方法，所述方法包括以下步驟a.將傳感器測頭伸入被測物內腔體，並向一側沿測量線移動被測腔體；b.檢測傳感器測頭是否已與被測物內腔體內壁可靠接觸，若檢測結果為否，則返回第a步；c.若步驟b中檢測結果為是，則傳感器測頭向測長裝置發出信號，測長裝置記錄當前位置的信息p1；d.向反方向沿測量線移動被測物體；e.檢測傳感器測頭是否已與被測物內腔體另一側內壁可靠接觸，若檢測結果為否，則返回第d步；f.若步驟e中檢測結果為是，則傳感器測頭向測長裝置發出信號，測長裝置記錄當前位置的信息p2；g.計算得出被測微內腔體的幾何尺寸L＝|p1-p2|+d0，其中d0為傳感器測頭的直徑。
測量過程由瞄準與位移兩部分組成，其中瞄準部分通過雙光纖耦合形成的雙光纖耦合器探入微小內腔體內部，當耦合器與微小內腔體內壁正確瞄準時，瞄準及發訊裝置發出瞄準信號，啟動測長系統記錄當前位置，並開始工作；當雙光纖耦合器在微小內腔體內壁與另一側正確瞄準時，瞄準及發訊裝置再次發出信號，測長系統再次記錄當前位置，並停止工作，通過計算得到被測尺寸；整個測量過程由控制裝置的自動控制來完成；由於本發明採用了具有雙光纖耦合單元的瞄準及發訊裝置，以及相應的測長裝置，這樣，通過增加的出射光纖使反射的光信號得到加強，因此被測物的最小內腔體的尺寸可達0.01mm，只受光纖纖芯直徑尺寸的限制，最大可測深徑比達50∶1；其次，控制裝置中CCD傳感器檢測的信號為雙光纖耦合單元與被測物內腔相接觸時光斑的抖動，因此本發明可對垂直內壁進行測量，也可對斜面進行測量
另外，可作為獨立部件安裝在坐標測量機等其它設備上面，不僅可以實現對被測件中各個內腔體尺寸的測量，而且還可以測量被測件上各自內腔體之間的相對位置。
圖1是基於雙光纖耦合的微小內腔體尺寸測量裝置構成示意圖。
圖2(a)是瞄準及發訊裝置雷射耦合單元中光源為雷射器15的示意圖。
圖2(b)是瞄準及發訊裝置雷射耦合單元中光源為發光二極體(LED)16的示意圖。
圖3(a)是瞄準及發訊裝置中光電器件為CCD攝像機17的示意圖。
圖3(b)是瞄準及發訊裝置中光電器件為CMOS攝像機18的示意圖。
圖3(c)是瞄準及發訊裝置中光電器件為PSD位置傳感器19的示意圖。
圖4(a)是測長儀器是直線光柵尺的示意圖。
圖4(b)是測長儀器是宏微結合的電容傳感器示意圖。
圖4(c)是測長儀器是宏微結合的電感傳感器示意圖。
圖5是內壁為斜面的微內腔體的結構示意圖。
下面結合附圖對本發明的實施例作進一步詳細描述。
具體實施例方式
參照圖1至圖4，本實施例中的基於雙光纖耦合的微小內腔體尺寸測量裝置包括雷射器1，擴束準直鏡2，光纖耦合透鏡3，固定體4，入射光纖5，耦合器6，工作檯7，反射平晶8，λ/4波片9、偏振分光鏡10、雙頻雷射器11，計算機12，出射光纖13和CCD攝像機14；雷射器1、擴束準直鏡2、光纖耦合透鏡3、固定體4、共同構成雷射耦合單元、其中，雷射器1，擴束準直鏡2、光纖耦合透鏡3及入射光纖5的一端共軸，固定塊4固定入射光纖5；入射光纖5、耦合器6和出射光纖13共同構成雙光纖耦合單元；其中，入射光纖5為直角弧形，出射光纖13為直線形，入射光纖5與出射光纖13固連於耦合器6的表面，且兩光纖共面；耦合器6既用作光能量的傳遞的器件，又兼作瞄準時的觸測點，其在微深微小內腔體內部的空間位置由光電器件得到，信號經採集與處理單元由計算機運算後得到。
透鏡14A與CCD攝像機14組成數據採集處理單元；其中，透鏡14A，CCD攝像機14與出射光纖13共軸；反射平晶、λ/4波片9、偏振分光鏡10和雙頻雷射器11構成測長裝置，其中，λ/4波片9、偏振分光鏡10雙頻雷射器11共軸，反射平晶8及被測物固連於工作檯7上，雙頻雷射器11與計算機12相連。雙頻雷射器11在接收到來自控制裝置121的啟測信號時，記錄當前位置信息，並保存為p1，當接收到來自控制裝置的停測信號時，記錄當前信息，並保存為p2；計算機12包括控制裝置121和數據處理裝置122，控制裝置121可以接收CCD攝像機14採集到的圖像信號，並根據圖像的完整度向雙頻雷射器11發出開始及停止採集信號；數據處理裝置122用以對測長裝置測得的數據進行計算。
反射平晶8與耦合器6之間在測量方向上無相對運動；雷射器1發出雷射束經擴束準直鏡2進入光纖耦合透鏡3進行聚焦，聚焦後的雷射束由入射光纖5進入耦合器6後由出射光纖13導出，由出射光纖13導出的光束經光電器件CCD攝像機14轉換成電信號，並經採集送入計算機12進行處理即可得到耦合器6在空間的瞄準位置；當耦合器6在微內腔體內部15一端瞄準後發訊單元發出信號，測長系統開始工作；測長系統主要由反射平晶8、λ/4波片9、偏振分光鏡10及雙頻雷射器11組成，測長系統測得的長度值直接送入計算機12；本發明利用瞄準及發訊裝置實時檢測耦合器在微小內腔體內部的位置，當耦合器與腔體內壁可靠接觸時，瞄準及發訊裝置發出瞄準信號，測長系統開始或停止工作。當耦合器在微內腔體一側並與內壁可靠接觸時，瞄準及發訊裝置發出信號，測長系統開始工作並記錄當前的位置為p1；同時耦合器在微內腔體內部運動，其運動的位移量由測長系統實時檢測得出，在微內腔體內部的位置由瞄準及發訊裝置實時檢測；當耦合器運動到微內腔體內部另一位置並與內壁可靠接觸時，瞄準及發訊裝置再次發出信號，測長系統停止工作並記錄當前的位置為p2；測長系統檢測到的傳感器耦合器在微內腔體內部的位移與耦合器本身的尺寸之和即為被測微內腔體的某一截面尺寸，依次可測量內腔各截面尺寸；控制裝置對整個測量裝置的自動測量過程進行控制；當被測微內腔體為微孔且測量孔徑尺寸時，其測量步驟仍按照上述的測量步驟，但在步驟6與7中採用找拐點的方法來得到測長系統測得的最大位置Δmax，找拐點的具體實現過程如下耦合器伸入被測微孔內部某一截面內，當耦合器與被測微孔內壁一側可靠接觸時，瞄準及發訊裝置發出信號，測長系統開始工作並記錄當前位置p1；耦合器在被測微孔內運動到微孔內壁另一側某一位置並與微孔內壁可靠接觸時，瞄準及發訊裝置再次發出信號，測長系統記錄當前位置p21，但並不停止工作，計算得出耦合器相對於被測孔的位移量Δ1＝|p1-p21|；此時被測微孔在與測長系統測長方向垂直的方向上移動，並使耦合器再次與微孔內壁可靠接觸，瞄準系統再次發出信號，測長系統再次記錄當前位置p22，並再次計算得出耦合器相對於被測孔的位移量Δ2＝|p1-p22|；如此反覆，直到耦合器相對於被測孔的位移量為最大值Δmax時，測量過程停止，被測孔的直徑為d＝Δmax+d0。
當作為獨立部件與坐標測量機等其他設備相聯實現對被測件上各個內腔體的尺寸及它們之間相對位置的測量時，按照上述步驟實現對各個內腔體尺寸的測量，各內腔體之間的相對位置由坐標測量機等其他設備讀出。
本發明可以通過以下方式實現整個測量裝置的構成如圖1所示，雷射器1發出雷射束經擴束準直鏡2進入光纖耦合透鏡3進行聚焦，聚焦後的雷射束由入射光纖5進入耦合器6後由出射光纖13導出，由出射光纖13導出的光束經光電器件CCD攝像機14轉換成電信號，並經採集送入計算機12進行處理即可得到耦合器6在空間的瞄準位置；當耦合器6在微小內腔體內部一端瞄準後發訊單元發出信號，測長系統開始工作。測長系統主要由反射平晶8、λ\4波片9、偏振分光鏡10及雙頻雷射器11組成，測長系統測得的長度值直接送入計算機12，最終通過軟體系統完成數據的處理。控制裝置對整個測量裝置的自動測量過程進行控制，通過軟體系統來完成控制策略。雙光纖耦合系統中光源為發光二極體16；本發明還可以通過以下方式實現整個測量裝置的構成如圖1所示，雷射器1發出雷射束經擴束準直鏡2進入光纖耦合透鏡3進行聚焦，聚焦後的雷射束由入射光纖5進入耦合器6後由出射光纖13導出，由出射光纖13導出的光束經光電器件CCD攝像機14轉換成電信號，並經採集送入計算機12進行處理即可得到耦合器6在空間的瞄準位置；當耦合器6在微小內腔體內部一端瞄準後發訊單元發出信號，測長系統開始工作。測長系統主要由反射平晶8、λ/4波片9、偏振分光鏡10及雙頻雷射器11組成，測長系統測得的長度值直接送入計算機12，最終通過軟體系統完成數據的處理。控制裝置對整個測量裝置的自動測量過程進行控制，通過軟體系統來完成控制策略。雙光纖耦合系統中光源為發光二極體16。
本發明的第三種實施方式如下整個測量裝置的構成如圖1所示，雷射器1發出雷射束經擴束準直鏡2進入光纖耦合透鏡3進行聚焦，聚焦後的雷射束由入射光纖5進入耦合器6後由出射光纖13導出，由出射光纖13導出的光束經光電器件CCD攝像機14轉換成電信號，並經採集送入計算機12進行處理即可得到耦合器6在空間的瞄準位置；當耦合器6在微小內腔體內部一端瞄準後發訊單元發出信號，測長系統開始工作。測長系統主要由反射平晶8、λ/4波片9、偏振分光鏡10及雙頻雷射器11組成，測長系統測得的長度值直接送入計算機12，最終通過軟體系統完成數據的處理。控制裝置對整個測量裝置的自動測量過程進行控制，通過軟體系統來完成控制策略。雙光纖耦合系統中光電傳感器為CCD攝像機17；本發明的第四種實施方式如下整個測量裝置的構成如圖1所示，雷射器1發出雷射束經擴束準直鏡2進入光纖耦合透鏡3進行聚焦，聚焦後的雷射束由入射光纖5進入耦合器6後由出射光纖13導出，由出射光纖13導出的光束經光電器件CCD攝像機14轉換成電信號，並經採集送入計算機12進行處理即可得到耦合器6在空間的瞄準位置；當耦合器6在微內腔體內部一端瞄準後發訊單元發出信號，測長系統開始工作。測長系統主要由反射平晶8、λ/4波片9、偏振分光鏡10及雙頻雷射器11組成，測長系統測得的長度值直接送入計算機12，最終通過軟體系統完成數據的處理。控制裝置對整個測量裝置的自動測量過程進行控制，通過軟體系統來完成控制策略。雙光纖耦合系統中光電傳感器為CMOS攝像機18；本發明的第五種實施方式如下整個測量裝置的構成如圖1所示，雷射器1發出雷射束經擴束準直鏡2進入光纖耦合透鏡3進行聚焦，聚焦後的雷射束由入射光纖5進入耦合器6後由出射光纖13導出，由出射光纖13導出的光束經光電器件CCD攝像機14轉換成電信號，並經採集送入計算機12進行處理即可得到耦合器6在空間的瞄準位置；當耦合器6在微內腔體內部一端瞄準後發訊單元發出信號，測長系統開始工作。測長系統主要由反射平晶8、λ/4波片9、偏振分光鏡10及雙頻雷射器11組成，測長系統測得的長度值直接送入計算機12，最終通過軟體系統完成數據的處理。控制裝置對整個測量裝置的自動測量過程進行控制，通過軟體系統來完成控制策略。雙光纖耦合系統中光電傳感器為PSD位置傳感器19；本發明的第六種實施方式如下整個測量裝置的構成如圖1所示，雷射器1發出雷射束經擴束準直鏡2進入光纖耦合透鏡3進行聚焦，聚焦後的雷射束由入射光纖5進入耦合器6後由出射光纖13導出，由出射光纖13導出的光束經光電器件CCD攝像機14轉換成電信號，並經採集送入計算機12進行處理即可得到耦合器6在空間的瞄準位置；當耦合器6在微內腔體內部一端瞄準後發訊單元發出信號，測長系統開始工作。測長系統主要由反射平晶8、λ/4波片9、偏振分光鏡10及雙頻雷射器11組成，測長系統測得的長度值直接送入計算機12，最終通過軟體系統完成數據的處理。控制裝置對整個測量裝置的自動測量過程進行控制，通過軟體系統來完成控制策略。測長儀器直線光柵尺如圖4(a)所示，動柵20與耦合器之間無相對運動，動柵20位於靜柵21上；本發明的第七種實施方式如下整個測量裝置的構成如圖1所示，雷射器1發出雷射束經擴束準直鏡2進入光纖耦合透鏡3進行聚焦，聚焦後的雷射束由入射光纖5進入耦合器6後由出射光纖13導出，由出射光纖13導出的光束經光電器件CCD攝像機14轉換成電信號，並經採集送入計算機12進行處理即可得到耦合器6在空間的瞄準位置；當耦合器6在微內腔體內部一端瞄準後發訊單元發出信號，測長系統開始工作。測長系統主要由反射平晶8、λ/4波片9、偏振分光鏡10及雙頻雷射器11組成，測長系統測得的長度值直接送入計算機12，最終通過軟體系統完成數據的處理。控制裝置對整個測量裝置的自動測量過程進行控制，通過軟體系統來完成控制策略。測長儀器宏微結合的電容傳感器如圖4(b)所示，電容傳感器可動部分的固定件22和電容極板23及電容傳感器固定部分的固定件25和電容極板24位於大範圍位移測量件26上，電容傳感器可動部分與固定部分均位於大範圍位移測量機構26上，且電容傳感器可動部分與固定部分可作相對運動；本發明的第八種實施方式如下
整個測量裝置的構成如圖1所示，雷射器1發出雷射束經擴束準直鏡2進入光纖耦合透鏡3進行聚焦，聚焦後的雷射束由入射光纖5進入耦合器6後由出射光纖13導出，由出射光纖13導出的光束經光電器件CCD攝像機14轉換成電信號，並經採集送入計算機12進行處理即可得到耦合器6在空間的瞄準位置；當耦合器6在微內腔體內部一端瞄準後發訊單元發出信號，測長系統開始工作。測長系統主要由反射平晶8、λ/4波片9、偏振分光鏡10及雙頻雷射器11組成，測長系統測得的長度值直接送入計算機12，最終通過軟體系統完成數據的處理。控制裝置對整個測量裝置的自動測量過程進行控制，通過軟體系統來完成控制策略。測長儀器宏微結合的電感傳感器如圖4(c)所示，電感傳感器裝夾件28和電感測頭27位於固定件29上，固定件29位於大範圍位移測量機構30上。
此外，本發明的測量裝置及方法還可用來測量內壁為斜面的如圖5所示的微內腔體31，其測量原理與前述測量垂直面內壁的微內腔體的方法相同。
權利要求
1.一種基於雙光纖耦合的微小內腔體尺寸測量裝置，包括瞄準及發訊裝置，用以產生瞄準信號，並將瞄準結果反饋給控制裝置、測長裝置，用以在測量瞄準及發訊裝置發出的啟測及停測信號的時間間隔內測量被測微小腔體移動的距離、和控制裝置，用以對整個測量裝置的自動測量過程進行控制；其特徵在於所述瞄準及發訊裝置包括雷射耦合單元、數據採集處理單元和雙光纖耦合單元；在雙光纖耦合單元中，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。
2.根據權利要求1所述的基於雙光纖耦合的微小內腔體尺寸測量裝置，其特徵在於所述入射光纖為直角弧形，出射光纖為直線形，入射光纖與出射光纖固連於耦合器的表面，且入射光纖與出射光纖共面。
3.根據權利要求2所述的基於雙光纖耦合的微小內腔體尺寸測量裝置，其特徵在於所述測長裝置為宏觀微觀相結合的電容傳感器。
4.根據權利要求2所述的基於雙光纖耦合的微小內腔體尺寸測量裝置，其特徵在於所述測長裝置為宏觀微觀相結合的電感傳感器。
5.根據以上任意一個權利要求所述的基於雙光纖耦合的微小內腔體尺寸測量裝置，其特徵在於雷射耦合單元包括雷射器、擴束準直鏡、光纖耦合透鏡和固定體；其中，雷射器，擴束準直鏡、光纖耦合透鏡及入射光纖的一端共軸，固定塊固定入射光纖；數據採集處理單元包括透鏡與CCD攝像機；其中，透鏡，CCD攝像機與出射光纖共軸；控制裝置和數據處理裝置，控制裝置可以接收CCD攝像機採集到的圖像信號，並根據圖像的完整度而向雙頻雷射器發出開始及停止採集信號；數據處理裝置用以對測長裝置測得的數據進行計算；測長裝置包括反射平晶、λ/4波片、偏振分光鏡和雙頻雷射器，其中，λ/4波片、偏振分光鏡雙頻雷射器共軸，反射平晶及被測物固連於工作檯上，雙頻雷射器與計算機相連；雙頻雷射器用於在接收到來自控制裝置的啟測信號時，記錄當前位置信息，並保存為p1，當接收到來自控制裝置的停測信號時，記錄當前信息，並保存為p2。
6.根據權利要求5所述的基於雙光纖耦合的微小內腔體尺寸測量裝置，其特徵在於所述雷射器是發光二極體。
7.根據權利要求5所述的基於雙光纖耦合的微小內腔體尺寸測量裝置，其特徵在於數據採集與處理單元的光電器件為PSD位置傳感器。
8.一種基於雙光纖耦合的微小內腔體尺寸測量方法，所述方法包括以下步驟a.將傳感器測頭伸入被測物內腔體，並向一側沿測量線移動被測腔體；b.檢測傳感器測頭是否已與被測物內腔體內壁可靠接觸，若檢測結果為否，則返回步驟(a)；c.若步驟(b)中檢測結果為是，則傳感器測頭向測長裝置發出信號，測長裝置記錄當前位置的信息p1；d.向反方向沿測量線移動被測物體；e.檢測傳感器測頭是否已與被測物內腔體另一側內壁可靠接觸，若檢測結果為否，則返回步驟(d)；f.若步驟(e)中檢測結果為是，則傳感器測頭向測長裝置發出信號，測長裝置記錄當前位置的信息p2；g.計算得出被測微內腔體的幾何尺寸L＝|p1-p2|+d0，其中d0為傳感器測頭的直徑。
9.根據權利要求8所述的基於雙光纖耦合的微小內腔體尺寸測量方法，其中，當被測微內腔體為微孔且測量孔徑尺寸時，其測量步驟仍按照上述的測量步驟，但在步驟(f)與(g)中採用找拐點的方法來得到測長系統測得的最大位置Δmax。
10.根據權利要求8或9所述的基於雙光纖耦合的微小內腔體尺寸測量方法，其中，找拐點的具體實現過程如下耦合器伸入被測微孔內部某一截面內，當耦合器與被測微孔內壁一側可靠接觸時，瞄準及發訊裝置發出信號，測長系統開始工作並記錄當前位置p1；耦合器在被測微孔內運動到微孔內壁另一側某一位置並與微孔內壁可靠接觸時，瞄準及發訊裝置再次發出信號，測長系統記錄當前位置p21，但並不停止工作，計算得出耦合器相對於被測孔的位移量Δ1＝|p1-p21|；此時被測微孔在與測長系統測長方向垂直的方向上移動，並使耦合器再次與微孔內壁可靠接觸，瞄準系統再次發出信號，測長系統再次記錄當前位置p22，並再次計算得出耦合器相對於被測孔的位移量Δ2＝|p1-p22|；如此反覆，直到耦合器相對於被測孔的位移量為最大值Δmax時，測量過程停止，被測孔的直徑為d＝Δmax+d0。
全文摘要
本發明公開了一種基於雙光纖耦合的微小內腔體尺寸測量裝置包括瞄準及發訊裝置，用以產生瞄準信號，並將瞄準結果反饋給控制裝置、測長裝置，用以在測量瞄準及發訊裝置發出的啟測及停測信號的時間間隔內測量被測微小腔體移動的距離、和控制裝置，用以對整個測量裝置的自動測量過程進行控制；其特徵在於所述瞄準及發訊裝置包括雷射耦合單元、數據採集處理單元和雙光纖耦合單元；在雙光纖耦合單元中，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。本發明還公開了一種基於雙光纖耦合的微小內腔體尺寸測量方法。
文檔編號G01B11/02GK1731084SQ200510102478
公開日2006年2月8日 申請日期2005年9月14日 優先權日2005年9月14日
發明者譚久彬, 崔繼文, 鄒麗敏, 敖磊, 趙熙萍 申請人:哈爾濱工業大學