基於正交二維微焦準直的微孔測量裝置與方法

2023-11-09 13:14:22 6

專利名稱：基於正交二維微焦準直的微孔測量裝置與方法
技術領域：
本發明屬於精密儀器製造及測量技術領域，特別涉及一種基於正交二維微焦準直的微孔測量裝置與方法。
背景技術：
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，對於精密微小內腔構件的需求急劇增長。由於受到空間尺度的限制以及測量接觸力的影響，微小內腔構件內尺寸的精密測量變得難以實現，尤其是測量深度難以提高，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，目前微小內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，由於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，因此瞄準觸髮式探針的探測方式成為微小內腔尺寸探測系統設計的關鍵。目前，微小內腔尺寸測量的主要手段包括以下幾種方法1.天津大學的楊世民教授等人提出了一種彈性尺寸傳遞理論，並依據此理論研製了膜片式盲小孔測頭。該測頭以膜片為敏感元件，並運用電容傳感器來檢測膜片的形變，把測杆視為彈性體，通過精密標定，可以自動補償彈性測杆的變形誤差。將此測頭安裝在三坐標測量機上，可對各種方向的通盲小孔進行接觸測量，測出其任意截面的尺寸和形狀誤差。 這種測頭可以用於測量直徑0. 3mm以上、深徑比達30的盲孔，測量的線性範圍士20μπι， 精度優於士 lym。這種方法測頭與測杆難以進一步小型化，且測頭的最大非線性誤差為 0. 2 μ m，測量精度難以進一步提高。2.日本的T. Masuzawa等人利用矽加工的工藝製作了矽質微型探針，把探針作為阻抗元件接入電路中，提出一種振動掃描的方法進行孔徑測量，把探針的機械變動量直接轉變為電信號進行測量，能夠對φ 100 μ m孔徑實施測量，測量深度為0. 2mm。這種測量方法由於採用了外加振動源，測量數據的漂移較大，另外，它的探針測頭末端幾何形狀為矩形， 測量孔時存在盲區，導致測量精度只能達到亞微米級。3.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杆，把微光珠粘接或者焊接到測杆末端，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。後來H. Schwenke教授等人拓展了這種方法，在測杆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。據相關報導，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，由於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於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，因此無法實施大深徑比的高精度測量。
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4.哈爾濱工業大學譚久彬教授和崔繼文博士等人提出一種基於雙光纖耦合的探針結構，把兩根光纖通過末端熔接球連接，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於0.01mm、 深徑比不大於50 1的微深孔測量時的精確瞄準。這種方法耦合球中存在相干光幹涉，導致獲取的信號信噪比較低，影響測量精度進一步提升。5.美國國家標準技術研究院使用了單光纖測杆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杆成像放大35倍左右，用2個面陣CCD分辨接收二維方向上光纖測杆所成的像，然後對接收到的圖像進行輪廓檢測，從而監測光纖測杆的在測量過程中的微小移動，進而實現觸髮式測量，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 ΦΙ^μπι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。這種方法探測分辨力高，測量精度高，使用的測頭易於小型化，可以測量較大深徑比的微孔。該方法的局限是成像單元對光纖測杆的微位移放大倍數較低(僅有35倍，必須通過圖像算法進一步提高分辨力，探測光纖測杆的二維微位移必須使用兩套成像系統，導致系統結構比較複雜，測量數據計算量比較大，這些因素導致探測系統的分辨力難以進一步提高，探測系統的實時性較差，系統構成比較複雜。6.瑞士聯合計量辦公室研發了一個新型的坐標測量機致力於小結構件納米精度的可追跡的測量。該測量機採用了基於並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並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於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Wiilips CFT開發的高位置精度的平臺，平臺的位置精度為20nm。該測量系統測量重複性的標準偏差達到5nm，測量結果的不確定度為50nm。 該種方法結構設計複雜，同時要求測杆具有較高的剛度和硬度，否則難以實現有效的位移傳感，這使得測杆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高。7.哈爾濱工業大學譚久彬教授和王飛等人提出了一種基於單光纖探針測杆的一維微焦準直的測量方法，該方法利用單光纖探針側測杆的超大曲率與微柱面透鏡的結構特點組建了點光源一維微焦準直成像光路，通過測量成像亮條紋的能量中心的位置與條紋寬度，從而獲得光纖探針測杆的二維位移量信息，若對該裝置如下配置光纖探針測杆半徑為 lOym，其折射率η = 1.7，像距1』 = 300mm，光電接收器像元尺寸為7 μ m，利用圖像算法能夠分辨0. 1個像元的變化，其理論分辨力可達0. 03nm。該方法所成像亮條紋的條紋寬度不易測量，同時在二維位移測量時，存在成像信息中的耦合問題，即成像亮條紋的能量中心的位置與條紋寬度的耦合問題。綜上所述，目前微小內腔尺寸和二維坐標探測方法中，由於光纖製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。現有測量手段主要存在的問題有1.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採用的探測方法的光學測杆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。2.探測系統在測量方向上沒有絕對「0」位置。現存的對微小內腔的探測手段主要通過面陣CCD所接收的二維圖像來判斷光纖測杆的位移，這種方法不具有絕對「0」位置，導致探測系統難以辨別測量要素的極性，也難以獲得更高的測量重複性。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採用的探測方法必須使用兩路面陣CCD接收信號圖像，並且由於光纖測杆成像光路放大倍率僅有35倍，必須使用較複雜的圖像算法才能實現對光纖測杆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。4. 二維位移方向探測能力不足。哈爾濱工業大學提出的基於單光纖探針測杆的一維微焦準直的測量方法在沿軸方向離焦探測時沒有方向探測能力，從而無法實現全面的二維位移測量。5.存在二維位移傳感的耦合。哈爾濱工業大學提出的基於單光纖探針測杆的一維微焦準直的測量方法在二維位移傳感時存在耦合，被測位移量為二維位移時，該方法獲得的二維信息之間有相關性，而且無法分離，導致二維測量存在很大誤差，無法實現二維位移的準確測量。

發明內容
為了克服上述已有技術的不足，以滿足微小內腔尺寸和二維坐標測量的高精度、 大深徑比與快速測量的需求，本發明提出了一種適用於微小內腔尺寸進行測量的裝置與方法。本發明的目的是這樣實現的一種基於正交二維微焦準直的微孔測量裝置，在支撐底座上裝配兩個支撐架，在支撐架上裝配橫梁，在支撐底座的凹槽內裝配Z向運動部件，Z向測長裝置裝配在Z向運動部件的側面，將工作檯固定在Z向運動部件的上方，Y向測長裝置裝配在工作檯的內部，通過傳感器連接件將測量傳感器固定吊掛在橫梁的中間位置上，X向測長裝置的雙頻雷射器、 偏振分光鏡組、λ/4玻片通過三腳架裝配在支撐底座的左側位置，X向測長裝置的平面反射鏡固定裝配在測量傳感器的左側，通過數據線依次分別將測量傳感器、Z向測長裝置、Y 向測長裝置、X向測長裝置與計算機相連；測量傳感器的結構是在裝配臺上安裝第一連接架、第二連接架、第三連接架、第四連接架、第五連接架、第六連接架、第七連接架和第八連接架，第一位置調整架、第二位置調整架、分光鏡、第四位置調整架、第三位置調整架、第五位置調整架、光電接收器Α、光電接收器B分別裝配在第一、二、三、四、五、六、七、八連接架上，在第一位置調整架上裝配雷射光源，在第二位置調整架上裝配雷射擴束鏡，在第三位置調整架上裝配折反式長工作距透鏡Α，在第四位置調整架上裝配折反式長工作距透鏡B，分光鏡、雷射擴束鏡和折反式長工作距透鏡A依次位於雷射光源的直射光路上，折反式長工作距透鏡B位於分光鏡的反射光路上，且雷射光源直射光路與分光鏡反射光路正交，折反式長工作距透鏡A和光電接收器A之間的點光源一維微焦準直成像光路A與折反式長工作距透鏡B和光電接收器B之間的點光源一維微焦準直成像光路B相互正交，且分別在點光源一維微焦準直成像光路A和點光源一維微焦準直成像光路B上構成點光源A和點光源B，其中點光源A和點光源B分別位於折反式長工作距透鏡A和折反式長工作距透鏡B的像方焦點上，在第五位置調整架上安裝光纖探針，光纖探針的末端為球形，光纖探針的測杆位於點光源一維微焦準直成像光路A和B的正交光路上，且點光源A和點光源B分別位於光纖探針的測杆的物方焦點上，點光源一維微焦準直成像光路A和B分別在光電接收器A和B上所成的兩條亮條紋同時具有最小的偏度絕對值，此時光纖探針的位置為二維方向上的絕對 「0」位置；工作檯具有5個方向的自由度，可沿X、Y兩軸做平移運動，繞著Z軸轉動，繞著X 軸、Y軸做俯仰運動，其中，點光源一維微焦準直成像光路A位於Y軸所在的方向上，點光源一維微焦準直成像光路B位於X軸所在的方向上，且Y向測長裝置的中心線位於光纖探針的軸線與點光源一維微焦準直成像光路A的軸線所構成的平面上；X向測長裝置由雙頻雷射器、偏振分光鏡組、λ/4玻片、平面反射鏡構成，其中雙頻雷射器、偏振分光鏡組、λ/4玻片與點光源一維微焦準直成像光路B共軸；被測微孔放置在工作檯上，光纖探針的球形末端與部分測杆伸入被測微孔內。一種基於正交二維微焦準直的微孔測量方法，步驟如下對光纖測杆的位置進行調整，使之位於絕對「0」位置；將光纖探針的球形末端與部分測杆伸入被測微孔內，將其位置鎖定在某一指定截面，並沿某一指定的測量方向移動工作檯；當光纖探針的球形末端與被測微孔內壁一側可靠接觸時，測量傳感器發出信號，X向測長裝置、Y向測長裝置開始工作，並分別記錄當前的X向位置信息P11與Y向位置信息P21 ；此後沿指定的測量方向的反方向移動工作檯；光纖探針的球形末端與被測微孔另一側內壁可靠接觸時， 測量傳感器再次發出信號，X向測長裝置、Y向測長裝置開始工作，並分別再次記錄當前的X向位置信息P31與Y向位置信息P41 ；此後計算得出光纖探針相對於被測微孔的位移量A1 = ((ρ31-ρη)2+(ρ41-ρ21)2)°_5;此後將被測微孔在與指定的測長方向垂直的方向上移動一段距離，再將工作檯沿指定的測量方向移動，並使光纖探針的球形末端再次分別與被測微孔內壁兩側可靠接觸，測量傳感器再次發出信號，X向測長裝置、Y向測長裝置分別記錄接觸時的位置信息P12、P22> P32> P42，並再次計算得出光纖探針相對於被測微孔的位移量Δ2= ((ρ32-ρ12)2+(ρ42-ρ22)2)°_5;如此反覆，計算得出若干組光纖探針相對於被測微孔的位移量 Δ3= ((P32-P12)2+(P42-P22)2)0^5-Ak= ((p3k-plk)2+(p4k-p2k)2)0-5-An = ((P3n-Pln)2+ (P4n-P2n)2)0 5，測量過程停止，將其中的最大位移量記為Δ _，被測微孔的直徑為d = ，其中Cltl為光纖探針的球形末端的直徑。本發明具有以下特點及良好效果1.本發明所提出的裝置是利用光纖探針測杆的微焦特性，組建了兩路點光源一維微焦準直成像光路，利用每路光路在垂軸方向離軸過程中所形成的特有的高倍位移放大特性與二次折射偏轉特性，產生了超高二維角(線位移靈敏度，從而在二維方向上位移分辨力均可達深亞納米量級，這是本發明區別現有技術的主要創新點之一。2.本發明所提出的裝置將光纖探針測杆的二維位移轉換為兩條成像亮條紋的能量中心的位置的變化，這兩條亮條紋的能量中心的位置在二維測量方向上各自具有惟一的極值點，這使本發明所提出的傳感方法與裝置在二維測量方向上具有了絕對「0」位置，而且還具有方向探測能力，這是本發明區別現有技術的主要創新點之二。3.本發明所提出的裝置具有對二維位移的傳感中不存在耦合的特點，即該方法消除了現有一些方法在二維傳感中存在的相關性，使各自維度的傳感相互獨立，這是本發明區別現有技術的主要創新點之三。
4.本發明中提出的測量方法能夠實現微孔的任意指定方向的尺寸測量，這是本發明區別現有技術的主要創新點之四。


圖1為基於正交光路二維微焦準直的微孔測量裝置的結構示意圖
圖2為圖1的局部放大圖
圖3為測量傳感器的結構示意圖
圖4為圖3的仰視圖
圖5為X向測長裝置的結構示意圖
圖6為基於正交光路二維微焦準直的微孔測量方法的測量過程示意圖
圖中1-橫梁，2-支撐架，3-支撐底座，4-Z向測長裝置，5_Z向運動部件，6-工作檯，7-Y向測長裝置，8-被測微孔，9-X向測長裝置，10-三腳架，11-測量傳感器，12-傳感器連接件，13-裝配臺，14-第一連接架，15-第二連接架，16-第三連接架，17-第四連接架，18-第五連接架，19-第六連接架，20-第七連接架，21-第八連接架，22-第一位置調整架，23-雷射光源，24-第二位置調整架，25-雷射擴束鏡，26-分光鏡，27-第三位置調整架， 28-第四位置調整架，29a-折反式長工作距透鏡A，29b-折反式長工作距透鏡B，30-第五位置調整架，31a-點光源A，31b-點光源B，32-光纖探針，33a-點光源一維微焦準直成像光路 A，33b-點光源一維微焦準直成像光路B，34a-光電接收器A，34b-光電接收器B，35-雙頻雷射器，36-偏振反光鏡組，37- λ /4玻片，38-平面反射鏡，39-計算機。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明實施例進行詳細描述。
一種基於正交二維微焦準直的微孔測量裝置，在支撐底座3上裝配兩個支撐架2， 在支撐架2上裝配橫梁1，在支撐底座3的凹槽內裝配Z向運動部件5，Z向測長裝置4裝配在Z向運動部件5的側面，將工作檯6固定在Z向運動部件5的上方，Y向測長裝置7裝配在工作檯6的內部，通過傳感器連接件12將測量傳感器11固定吊掛在橫梁的中間位置上， X向測長裝置9的雙頻雷射器35、偏振分光鏡組36、λ /4玻片37通過三腳架10裝配在支撐底座3的左側位置，X向測長裝置9的平面反射鏡38固定裝配在測量傳感器11的左側， 通過數據線依次分別將測量傳感器11、Ζ向測長裝置4、Υ向測長裝置7、Χ向測長裝置9與計算機39相連；測量傳感器11的結構是在裝配臺13上安裝第一連接架14、第二連接架 15、第三連接架16、第四連接架17、第五連接架18、第六連接架19、第七連接架20和第八連接架21，第一位置調整架22、第二位置調整架對、分光鏡沈、第四位置調整架觀、第三位置調整架27、第五位置調整架30、光電接收器A34a、光電接收器B34b分別裝配在第一連接架 14、第二連接架15、第三連接架16、第四連接架17、第五連接架18、第六連接架19、第七連接架20、第八連接架21上，在第一位置調整架22上裝配雷射光源23，在第二位置調整架M上裝配雷射擴束鏡25，在第三位置調整架27上裝配折反式長工作距透鏡A29a，在第四位置調整架28上裝配折反式長工作距透鏡B29b，分光鏡沈、雷射擴束鏡25和折反式長工作距透鏡A29a依次位於雷射光源23的直射光路上，折反式長工作距透鏡B29b位於分光鏡沈的反射光路上，且雷射光源23直射光路與分光鏡沈反射光路正交，折反式長工作距透鏡A29a 和光電接收器之間的點光源一維微焦準直成像光路A33a與折反式長工作距透鏡B29b 和光電接收器B34b之間的點光源一維微焦準直成像光路B3!3b相互正交，且分別在點光源一維微焦準直成像光路A33a和點光源一維微焦準直成像光路B3!3b上構成點光源A31a和點光源B31b，其中點光源A31a和點光源B31b分別位於折反式長工作距透鏡A29a和折反式長工作距透鏡B29b的像方焦點上，在第五位置調整架30上安裝光纖探針32，光纖探針32 的末端為球形，光纖探針32的測杆位於點光源一維微焦準直成像光路A33a和B3!3b的正交光路上，且點光源A31a和點光源B31b分別位於光纖探針32的測杆的物方焦點上，點光源一維微焦準直成像光路A33a和B3!3b分別在光電接收器和B34b上所成的兩條亮條紋同時具有最小的偏度絕對值，此時光纖探針的位置為二維方向上的絕對「0」位置；工作檯6 具有5個方向的自由度，可沿X、Y兩軸做平移運動，繞著Z軸轉動，繞著X軸、Y軸做俯仰運動，其中，點光源一維微焦準直成像光路A33a位於Y軸所在的方向上，點光源一維微焦準直成像光路B3!3b位於X軸所在的方向上，且Y向測長裝置7的中心線位於光纖探針32的軸線與點光源一維微焦準直成像光路A33a的軸線所構成的平面上；X向測長裝置9由雙頻雷射器35、偏振分光鏡組36、λ /4玻片37、平面反射鏡38構成，其中雙頻雷射器6、偏振分光鏡組7、λ /4玻片8與點光源一維微焦準直成像光路B3!3b共軸；被測微孔8放置在工作檯 6上，光纖探針32的球形末端與部分測杆伸入被測微孔8內。
本發明的測量過程如下
對光纖測杆32的位置進行調整，使之位於絕對「0」位置；將光纖探針32的球形末端與部分測杆伸入被測微孔8內，將其位置鎖定在某一指定截面，並沿某一指定的測量方向移動工作檯6 ；當光纖探針32的球形末端與被測微孔8內壁一側可靠接觸時， 測量傳感器11發出信號，X向測長裝置9、Y向測長裝置7開始工作，並分別記錄當前的X向位置信息P11與Y向位置信息P21 ；此後沿指定的測量方向的反方向移動工作檯； 光纖探針32的球形末端與被測微孔8另一側內壁可靠接觸時，測量傳感器11再次發出信號，X向測長裝置9、Y向測長裝置7開始工作，並分別再次記錄當前的X向位置信息P31與Y向位置信息P41 ；此後計算得出光纖探針32相對於被測微孔8的位移量Δ i = ((P31-P11)2+ (P41-P21)2)0 5 ；此後將被測微孔8在與指定的測長方向垂直的方向上移動一段距離，再將工作檯沿指定的測量方向移動，並使光纖探針32的球形末端再次分別與被測微孔 8內壁兩側可靠接觸，測量傳感器11再次發出信號，X向測長裝置9、Y向測長裝置7分別記錄接觸時的位置信息p12、P22> P32> P42，並再次計算得出光纖探針32相對於被測微孔8的位移量Δ2 = ((P32-P12)2+(P42-P22)2)°_5 ；如此反覆，計算得出若干組光纖探針32相對於被測微孔 8 的位移量 A3= ((P32-P12)2+(ρ42-ρ22)2) ο.5…Ak= ((p3k-plk)2+(p4k-p2k)2)0·5... An = ((P3n-Pln)2+ (P4n-P2n)2)0 5，測量過程停止，將其中的最大位移量記為Δ max，被測微孔8的直徑為d = ，其中Cltl為光纖探針32的球形末端的直徑。9
權利要求
1.一種基於正交二維微焦準直的微孔測量裝置，其特徵在於在支撐底座C3)上裝配兩個支撐架O)，在支撐架( 上裝配橫梁(1)，在支撐底座(3)的凹槽內裝配Z向運動部件(5)，Z向測長裝置(4)裝配在Z向運動部件(5)的側面，將工作檯(6)固定在Z向運動部件(5)的上方，Y向測長裝置(7)裝配在工作檯(6)的內部，通過傳感器連接件(12)將測量傳感器(11)固定吊掛在橫梁的中間位置上，X向測長裝置(9)的雙頻雷射器(35)、偏振分光鏡組(36)、λ/4玻片(37)通過三腳架(10)裝配在支撐底座(3)的左側位置，X向測長裝置(9)的平面反射鏡(38)固定裝配在測量傳感器(11)的左側，通過數據線依次分別將測量傳感器(11)、Z向測長裝置⑷、Y向測長裝置(7)、X向測長裝置(9)與計算機 (39)相連；測量傳感器(11)的結構是在裝配臺(13)上安裝第一連接架(14)、第二連接架(15)、第三連接架(16)、第四連接架(17)、第五連接架(18)、第六連接架(19)、第七連接架00)和第八連接架(21)，第一位置調整架(22)、第二位置調整架(M)、分光鏡( )、第四位置調整架( )、第三位置調整架(27)、第五位置調整架(30)、光電接收器、光電接收器B(34b)分別裝配在第一、二、三、四、五、六、七、八連接架(14、15、16、17、18、19、20、 21)上，在第一位置調整架0 上裝配雷射光源(23)，在第二位置調整架04)上裝配雷射擴束鏡(25)，在第三位置調整架07)上裝配折反式長工作距透鏡M29a)，在第四位置調整架(28)上裝配折反式長工作距透鏡B ，分光鏡( )、雷射擴束鏡0 和折反式長工作距透鏡A 依次位於雷射光源03)的直射光路上，折反式長工作距透鏡B 位於分光鏡06)的反射光路上，且雷射光源03)直射光路與分光鏡06)反射光路正交，折反式長工作距透鏡A09a)和光電接收器A(34a)之間的點光源一維微焦準直成像光路A(33a) 與折反式長工作距透鏡B09b)和光電接收器B(34b)之間的點光源一維微焦準直成像光路B(33b)相互正交，且分別在點光源一維微焦準直成像光路A(33a)和點光源一維微焦準直成像光路B(33b)上構成點光源A(31a)和點光源B(31b)，其中點光源A(31a)和點光源 B(31b)分別位於折反式長工作距透鏡A09a)和折反式長工作距透鏡B09b)的像方焦點上，在第五位置調整架(30)上安裝光纖探針(32)，光纖探針(3 的末端為球形，光纖探針 (32)的測杆位於點光源一維微焦準直成像光路A和B(33a、33b)的正交光路上，且點光源 A(31a)和點光源B(31b)分別位於光纖探針(32)的測杆的物方焦點上，點光源一維微焦準直成像光路A和B(33a、33b)分別在光電接收器A和B(34a、34b)上所成的兩條亮條紋同時具有最小的偏度絕對值，此時光纖探針的位置為二維方向上的絕對「O」位置；工作檯(6)具有5個方向的自由度，可沿X、Y兩軸做平移運動，繞著Z軸轉動，繞著X軸、Y軸做俯仰運動， 其中，點光源一維微焦準直成像光路A (33a)位於Y軸所在的方向上，點光源一維微焦準直成像光路B(33b)位於X軸所在的方向上，且Y向測長裝置(7)的中心線位於光纖探針(32) 的軸線與點光源一維微焦準直成像光路A (33a)的軸線所構成的平面上；X向測長裝置(9) 由雙頻雷射器(35)、偏振分光鏡組(36)、λ/4玻片(37)、平面反射鏡(38)構成，其中雙頻雷射器(6)、偏振分光鏡組(7)、λ/4玻片(8)與點光源一維微焦準直成像光路B (33b)共軸；被測微孔(8)放置在工作檯(6)上，光纖探針(3 的球形末端與部分測杆伸入被測微孔⑶內。
2.一種基於正交二維微焦準直的微孔測量方法，其特徵在於所述方法步驟如下對光纖測杆的位置進行調整，使之位於絕對「O」位置；將光纖探針的球形末端與部分測杆伸入被測微孔內，將其位置鎖定在某一指定截面，並沿某一指定的測量方向移動工作檯；當光纖探針的球形末端與被測微孔內壁一側可靠接觸時，測量傳感器發出信號，X向測長裝置、Y向測長裝置開始工作，並分別記錄當前的X向位置信息P11與Y向位置信息P21 ；此後沿指定的測量方向的反方向移動工作檯；光纖探針的球形末端與被測微孔另一側內壁可靠接觸時，測量傳感器再次發出信號，X向測長裝置、Y向測長裝置開始工作，並分別再次記錄當前的X向位置信息P31與Y向位置信息P41 ；此後計算得出光纖探針相對於被測微孔的位移量A1 = ((p31-pn)2+(p41-p21)2)°_5;此後將被測微孔在與指定的測長方向垂直的方向上移動一段距離，再將工作檯沿指定的測量方向移動，並使光纖探針的球形末端再次分別與被測微孔內壁兩側可靠接觸，測量傳感器再次發出信號，X向測長裝置、Y向測長裝置分別記錄接觸時的位置信息p12、P22> P32、P42，並再次計算得出光纖探針相對於被測微孔的位移量Δ2= ((ρ32-ρ12)2+(ρ42-ρ22)2)°_5;如此反覆，計算得出若干組光纖探針相對於被測微孔的位移量 Δ3 = ((P32-P12)2+(P42-P22)2)"…Ak = ((P3k-Plk)2+(p4k-p2k)2)0·5··· Δη = ((P3n-Pln)2+ (P4n-P2n)2)0 5，測量過程停止，將其中的最大位移量記為Δ _，被測微孔的直徑為d =，其中Cltl為光纖探針的球形末端的直徑。
全文摘要
基於正交二維微焦準直的微孔測量裝置與方法屬於精密儀器製造和精密測試計量技術領域；支撐底座上裝配兩個支撐架，支撐架上裝配橫梁，支撐底座的凹槽內裝配Z向運動部件，Z向測長裝置裝配在Z向運動部件的側面，工作檯固定在Z向運動部件的上方，Y向測長裝置裝配在工作檯的內部，測量傳感器固定吊掛在橫梁的中間位置上，X向測長裝置位於支撐底座的左側位置，其平面反射鏡固定裝配在測量傳感器的左側，通過數據線依次將測量傳感器、X、Y、Z向測長裝置與計算機相連，該方法將工作檯在指定測量方向的垂直方向上不斷移動，反覆測量得到的兩觸測點間的距離的最大值即為被測微孔直徑，本發明具有傳感零耦合、能進行方向探測、測力小等特點。
文檔編號G01B11/03GK102519370SQ20111043893
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月16日 優先權日2011年12月16日
發明者崔繼文, 李俊英, 李磊, 楊福鈴, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業大學