CN1329711C - 基于双光纤耦合的微小内腔体尺寸测量装置与方法 - Google Patents

基于双光纤耦合的微小内腔体尺寸测量装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双光纤耦合的微小内腔体尺寸测量装置包括：瞄准及发讯装置，用以产生瞄准信号，并将瞄准结果反馈给控制装置、测长装置，用以在测量瞄准及发讯装置发出的启测及停测信号的时间间隔内测量被测微小腔体移动的距离、和控制装置，用以对整个测量装置的自动测量过程进行控制；其特征在于：所述瞄准及发讯装置包括激光耦合单元、数据采集处理单元和双光纤耦合单元；在双光纤耦合单元中，一根光纤作为入射光纤，另一根作为出射光纤，两根光纤的一端与耦合器固定连接。本发明还公开了一种基于双光纤耦合的微小内腔体尺寸测量方法。

Description

基于双光纤耦合的微小内腔体尺寸测量装置与方法
技术领域
本发明涉及一种可用于对微小内腔体尺寸进行测量的方法与装置，不仅可适用于传统的接触式测量方法所应用的领域，尤其适用于微小复杂内腔结构尺寸的测量领域，尤其适用于“亚宏观”领域中对微小内腔体尺寸的测量。
背景技术
随着航空航天工业、汽车工业和尖端工业等的不断发展，微小内腔体尺寸的存在领域也越来越广泛，对精密微小内腔体尺寸的测量已成为制约航空航天和汽车器件性能提高的“瓶颈”，急需探讨一种实际可用的测量方法。
对微小内腔体尺寸的精密测量问题是测量界出现的新问题，隐含着很多技术难度很大的关键技术问题，亟待解决的是在一定精度和范围内的可测性问题，关键是可测深度问题，解决测量范围、可测深度与测量精度之间的矛盾。接触式测量方法由于其测杆的长度较长可以实现较大的可测深度，但较长的测杆易变形而使测量精度降低。为解决此问题，天津大学张国雄教授等发明了膜片式三维测头(1.张国雄，杨世民测量盲小孔与狭槽的三维测头与测量方法中国93121289.8 1993.12.30；2.杨世民，李书和，韩梅妹等.膜片式盲小孔测头的设计与研究.计量学报.1998，19(2)：142~146；3.杨世民，李书和，张国雄.小孔检测方法的研究.航空精密制造技术.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)，运用电容传感器来检测膜片的变形，并运用弹性尺寸链对测杆的变形进行补偿，可测量直径不小于0.2mm、深径比达30∶1的微孔几何尺寸，测量不确定度优于1μm。光学非接触式测量方法可以实现对较小孔径的测量，可以得到相对较高的测量精度(1.徐利梅，张家裕  精密微小孔激光测量方法.电子科技大学学报.1998，27(3)：300~304；2.吕海宝，漆新民，李莹.微机控制的微孔径激光检测装置的研究.仪器仪表学报.1988，9(1)：72~75；3.苏秉华，刘木兴.深孔内表面槽纺深度和粗糙度的光切测量.西安工业学业学报.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)，但由于光路的复杂性使其可测深度很小或者只能测量表面的信息，对内部的信息无法得到，而且极易受端面毛刺、缺陷等影响，导致测量精度下降。利用振动扫描测量方法把探针与被测内壁之间的空间位移变化转化为探针检测端电路的电压变化来实现对微孔的测量时(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).1998：334~339；7.M.Yamamoto，H.Takeuchi，S.Aoki.DimensionalMeasurement of High Aspect Ratio Structures with a Resonating MicroCantilever Probe.Microsystem Technologies.2000，(6)：179~183)，内部杂物或毛刺等对测量结果影响严重，从而使测量精度不高；同时由于探针的振动使探针极易折断，导致探针最小直径与长度不可能很大，即使对双扫描探针与大长径比扫描探针，其可测深径比也不可能很大。
光纤技术的发展对内腔体尺寸的测量开辟了另外一种途径，并出现了许多运用光纤测量内尺寸的方法(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.1998，3558：244~247；3.马惠萍，李鹏生，杨乐民.用于光纤传感器测孔的三角测量法研究.计量技术.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.2002，3：372~376)，但这些方法对小于1mm的内尺寸无法测量。
1997~1998年德国联邦物理研究院(PTB)和天津大学先后研制出单光纤配合CCD图像处理对微小内腔体尺寸进行测量的新方法(1.吉贵军，H Schwenke，ETrapet，罗震发动机喷油嘴微小喷油孔尺寸和形状测量系统内燃机学报1998，16(4)：475~479；2.吉贵军，H Schwenke，E Trapet等.光学接触式微型三维测量系统.仪器仪表学报.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.1998，3454：348~353；4.Guijun Ji，Schwenke Heinrich，Trapet Euqen.Fiber opticsensor for measuring very small holes.Proc SPIE Int Soc Opt Eng.1999，3538：143~146；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)。该方法把照亮的微球体作一个物体并成像于CCD上，并且把传感器在空间的横向位移量转变为微球体在轴的位移量，微球体的轴向位移量的变化能过CCD捕捉到的图像信号亮度的变化来检测。但此方法中通过光纤进行光珠的光大部分没有进入光学系统成像，CCD所捕捉的图像信号微弱，不利于后面的图像处理；当微球体深入微孔内部时，由于孔壁的“遮挡”效应使可测的深度很小，对大深径比的情况下，如深径比大于10∶1时无法完成测量工作；而且由于CCD接收系统中光学物镜的景深作用，当微球体触测孔壁且在横向的位移量较小时，光珠的像不发生任何变化，从而使传感器的测量精度不高，灵敏度低。
发明内容
本发明的一个目的是克服目前微内腔体测量方法中存在的不足之处，提供一种基于双光线耦合的可用于对垂直内型或斜面型微小内腔体结构的尺寸进行测量的装置。
为达到上述目的，本发明的基于双光纤耦合的微小内腔体尺寸测量装置包括瞄准及发讯装置、测长装置以及控制和数据处理装置，其特征在于：
所述瞄准及发讯装置包括激光耦合单元、数据采集处理单元和双光纤耦合单元；在双光纤耦合单元中，一根光纤作为入射光纤，另一根作为出射光纤，两根光纤的一端与耦合器固定连接；激光耦合单元包括激光器、扩束准直镜、光纤耦合透镜和固定体，激光器、扩束准直镜、光纤耦合透镜及入射光纤的一端共轴，固定块固定入射光纤；数据采集处理单元包括透镜与CCD摄像机，透镜、CCD摄像机与出射光纤共轴；
所述测长装置包括反射平晶、λ/4波片、偏振分光镜和双频激光器，其中λ/4波片、偏振分光镜和双频激光器共轴，反射平晶及被测物固连于工作台上，双频激光器与计算机相连；双频激光器用于在接收到来自控制装置的启测信号时，记录当前位置信息，并保存为p1，当接收到来自控制装置的停测信号时，记录当前信息，并保存为p2。
本发明的另一个目的在于提供一种基于双光纤耦合的微小内腔体尺寸测量方法，所述方法包括以下步骤：
a.将传感器测头伸入被测物内腔体，并向一侧沿测量线移动被测腔体；
b.检测传感器测头是否已与被测物内腔体内壁可靠接触，若检测结果为否，则返回第a步；
c.若步骤b中检测结果为是，则传感器测头向测长装置发出信号，测长装置记录当前位置的信息p1；
d.向反方向沿测量线移动被测物体；
e.检测传感器测头是否已与被测物内腔体另一侧内壁可靠接触，若检测结果为否，则返回第d步；
f.若步骤e中检测结果为是，则传感器测头向测长装置发出信号，测长装置记录当前位置的信息p2；
g.计算得出被测微内腔体的几何尺寸L＝|p1-p2|+d0，其中d0为传感器测头的直径。
测量过程由瞄准与位移两部分组成，其中瞄准部分通过双光纤耦合形成的双光纤耦合器探入微小内腔体内部，当耦合器与微小内腔体内壁正确瞄准时，瞄准及发讯装置发出瞄准信号，启动测长系统记录当前位置，并开始工作；当双光纤耦合器在微小内腔体内壁与另一侧正确瞄准时，瞄准及发讯装置再次发出信号，测长系统再次记录当前位置，并停止工作，通过计算得到被测尺寸；整个测量过程由控制装置的自动控制来完成；
由于本发明采用了具有双光纤耦合单元的瞄准及发讯装置，以及相应的测长装置，这样，通过增加的出射光纤使反射的光信号得到加强，因此被测物的最小内腔体的尺寸可达0.01mm，只受光纤纤芯直径尺寸的限制，最大可测深径比达50∶1；
其次，控制装置中CCD传感器检测的信号为双光纤耦合单元与被测物内腔相接触时光斑的抖动，因此本发明可对垂直内壁进行测量，也可对斜面进行测量；
另外，可作为独立部件安装在坐标测量机等其它设备上面，不仅可以实现对被测件中各个内腔体尺寸的测量，而且还可以测量被测件上各自内腔体之间的相对位置。
附图说明
图1是基于双光纤耦合的微小内腔体尺寸测量装置构成示意图。
图2(a)是瞄准及发讯装置激光耦合单元中光源为激光器15的示意图。
图2(b)是瞄准及发讯装置激光耦合单元中光源为发光二极管(LED)16的示意图。
图3(a)是瞄准及发讯装置中光电器件为CCD摄像机17的示意图。
图3(b)是瞄准及发讯装置中光电器件为CMOS摄像机18的示意图。
图3(c)是瞄准及发讯装置中光电器件为PSD位置传感器19的示意图。
图4(a)是测长仪器是直线光栅尺的示意图。
图4(b)是测长仪器是宏微结合的电容传感器示意图。
图4(c)是测长仪器是宏微结合的电感传感器示意图。
图5是内壁为斜面的微内腔体的结构示意图。
下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
具体实施方式
参照图1至图4，本实施例中的基于双光纤耦合的微小内腔体尺寸测量装置包括激光器1，扩束准直镜2，光纤耦合透镜3，固定体4，入射光纤5，耦合器6，工作台7，反射平晶8，λ/4波片9、偏振分光镜10、双频激光器11，计算机12，出射光纤13和CCD摄像机14；
激光器1、扩束准直镜2、光纤耦合透镜3、固定体4、共同构成激光耦合单元、其中，激光器1，扩束准直镜2、光纤耦合透镜3及入射光纤5的一端共轴，固定块4固定入射光纤5；
入射光纤5、耦合器6和出射光纤13共同构成双光纤耦合单元；其中，入射光纤5为直角弧形，出射光纤13为直线形，入射光纤5与出射光纤13固连于耦合器6的表面，且两光纤共面；耦合器6既用作光能量的传递的器件，又兼作瞄准时的触测点，其在微深微小内腔体内部的空间位置由光电器件得到，信号经采集与处理单元由计算机运算后得到。
透镜14A与CCD摄像机14组成数据采集处理单元；其中，透镜14A，CCD摄像机14与出射光纤13共轴；
反射平晶、λ/4波片9、偏振分光镜10和双频激光器11构成测长装置，其中，λ/4波片9、偏振分光镜10双频激光器11共轴，反射平晶8及被测物固连于工作台7上，双频激光器11与计算机12相连。双频激光器11在接收到来自控制装置121的启测信号时，记录当前位置信息，并保存为p1，当接收到来自控制装置的停测信号时，记录当前信息，并保存为p2；
计算机12包括控制装置121和数据处理装置122，控制装置121可以接收CCD摄像机14采集到的图像信号，并根据图像的完整度向双频激光器11发出开始及停止采集信号；数据处理装置122用以对测长装置测得的数据进行计算。
反射平晶8与耦合器6之间在测量方向上无相对运动；激光器1发出激光束经扩束准直镜2进入光纤耦合透镜3进行聚焦，聚焦后的激光束由入射光纤5进入耦合器6后由出射光纤13导出，由出射光纤13导出的光束经光电器件CCD摄像机14转换成电信号，并经采集送入计算机12进行处理即可得到耦合器6在空间的瞄准位置；当耦合器6在微内腔体内部15一端瞄准后发讯单元发出信号，测长系统开始工作；测长系统主要由反射平晶8、λ/4波片9、偏振分光镜10及双频激光器11组成，测长系统测得的长度值直接送入计算机12；
本发明利用瞄准及发讯装置实时检测耦合器在微小内腔体内部的位置，当耦合器与腔体内壁可靠接触时，瞄准及发讯装置发出瞄准信号，测长系统开始或停止工作。当耦合器在微内腔体一侧并与内壁可靠接触时，瞄准及发讯装置发出信号，测长系统开始工作并记录当前的位置为p1；同时耦合器在微内腔体内部运动，其运动的位移量由测长系统实时检测得出，在微内腔体内部的位置由瞄准及发讯装置实时检测；当耦合器运动到微内腔体内部另一位置并与内壁可靠接触时，瞄准及发讯装置再次发出信号，测长系统停止工作并记录当前的位置为p2；测长系统检测到的传感器耦合器在微内腔体内部的位移与耦合器本身的尺寸之和即为被测微内腔体的某一截面尺寸，依次可测量内腔各截面尺寸；控制装置对整个测量装置的自动测量过程进行控制；
当被测微内腔体为微孔且测量孔径尺寸时，其测量步骤仍按照上述的测量步骤，但在步骤6与7中采用找拐点的方法来得到测长系统测得的最大位置Δmax，找拐点的具体实现过程如下：
耦合器伸入被测微孔内部某一截面内，当耦合器与被测微孔内壁一侧可靠接触时，瞄准及发讯装置发出信号，测长系统开始工作并记录当前位置p1；耦合器在被测微孔内运动到微孔内壁另一侧某一位置并与微孔内壁可靠接触时，瞄准及发讯装置再次发出信号，测长系统记录当前位置p21，但并不停止工作，计算得出耦合器相对于被测孔的位移量Δ1＝|p1-p21|；此时被测微孔在与测长系统测长方向垂直的方向上移动，并使耦合器再次与微孔内壁可靠接触，瞄准系统再次发出信号，测长系统再次记录当前位置p22，并再次计算得出耦合器相对于被测孔的位移量Δ2＝|p1-p22|；如此反复，直到耦合器相对于被测孔的位移量为最大值Δmax时，测量过程停止，被测孔的直径为d＝Δmax+d0。
当作为独立部件与坐标测量机等其他设备相联实现对被测件上各个内腔体的尺寸及它们之间相对位置的测量时，按照上述步骤实现对各个内腔体尺寸的测量，各内腔体之间的相对位置由坐标测量机等其他设备读出。
本发明可以通过以下方式实现：
整个测量装置的构成如图1所示，激光器1发出激光束经扩束准直镜2进入光纤耦合透镜3进行聚焦，聚焦后的激光束由入射光纤5进入耦合器6后由出射光纤13导出，由出射光纤13导出的光束经光电器件CCD摄像机14转换成电信号，并经采集送入计算机12进行处理即可得到耦合器6在空间的瞄准位置；当耦合器6在微小内腔体内部一端瞄准后发讯单元发出信号，测长系统开始工作。测长系统主要由反射平晶8、λ/4波片9、偏振分光镜10及双频激光器11组成，测长系统测得的长度值直接送入计算机12，最终通过软件系统完成数据的处理。控制装置对整个测量装置的自动测量过程进行控制，通过软件系统来完成控制策略。双光纤耦合系统中光源为发光二极管16；
本发明还可以通过以下方式实现：
整个测量装置的构成如图1所示，激光器1发出激光束经扩束准直镜2进入光纤耦合透镜3进行聚焦，聚焦后的激光束由入射光纤5进入耦合器6后由出射光纤13导出，由出射光纤13导出的光束经光电器件CCD摄像机14转换成电信号，并经采集送入计算机12进行处理即可得到耦合器6在空间的瞄准位置；当耦合器6在微小内腔体内部一端瞄准后发讯单元发出信号，测长系统开始工作。测长系统主要由反射平晶8、λ/4波片9、偏振分光镜10及双频激光器11组成，测长系统测得的长度值直接送入计算机12，最终通过软件系统完成数据的处理。控制装置对整个测量装置的自动测量过程进行控制，通过软件系统来完成控制策略。双光纤耦合系统中光源为发光二极管16。
本发明的第三种实施方式如下：
整个测量装置的构成如图1所示，激光器1发出激光束经扩束准直镜2进入光纤耦合透镜3进行聚焦，聚焦后的激光束由入射光纤5进入耦合器6后由出射光纤13导出，由出射光纤13导出的光束经光电器件CCD摄像机14转换成电信号，并经采集送入计算机12进行处理即可得到耦合器6在空间的瞄准位置；当耦合器6在微小内腔体内部一端瞄准后发讯单元发出信号，测长系统开始工作。测长系统主要由反射平晶8、λ/4波片9、偏振分光镜10及双频激光器11组成，测长系统测得的长度值直接送入计算机12，最终通过软件系统完成数据的处理。控制装置对整个测量装置的自动测量过程进行控制，通过软件系统来完成控制策略。双光纤耦合系统中光电传感器为CCD摄像机17；
本发明的第四种实施方式如下：
整个测量装置的构成如图1所示，激光器1发出激光束经扩束准直镜2进入光纤耦合透镜3进行聚焦，聚焦后的激光束由入射光纤5进入耦合器6后由出射光纤13导出，由出射光纤13导出的光束经光电器件CCD摄像机14转换成电信号，并经采集送入计算机12进行处理即可得到耦合器6在空间的瞄准位置；当耦合器6在微内腔体内部一端瞄准后发讯单元发出信号，测长系统开始工作。测长系统主要由反射平晶8、λ/4波片9、偏振分光镜10及双频激光器11组成，测长系统测得的长度值直接送入计算机12，最终通过软件系统完成数据的处理。控制装置对整个测量装置的自动测量过程进行控制，通过软件系统来完成控制策略。双光纤耦合系统中光电传感器为CMOS摄像机18；
本发明的第五种实施方式如下：
整个测量装置的构成如图1所示，激光器1发出激光束经扩束准直镜2进入光纤耦合透镜3进行聚焦，聚焦后的激光束由入射光纤5进入耦合器6后由出射光纤13导出，由出射光纤13导出的光束经光电器件CCD摄像机14转换成电信号，并经采集送入计算机12进行处理即可得到耦合器6在空间的瞄准位置；当耦合器6在微内腔体内部一端瞄准后发讯单元发出信号，测长系统开始工作。测长系统主要由反射平晶8、λ/4波片9、偏振分光镜10及双频激光器11组成，测长系统测得的长度值直接送入计算机12，最终通过软件系统完成数据的处理。控制装置对整个测量装置的自动测量过程进行控制，通过软件系统来完成控制策略。双光纤耦合系统中光电传感器为PSD位置传感器19；
本发明的第六种实施方式如下：
整个测量装置的构成如图1所示，激光器1发出激光束经扩束准直镜2进入光纤耦合透镜3进行聚焦，聚焦后的激光束由入射光纤5进入耦合器6后由出射光纤13导出，由出射光纤13导出的光束经光电器件CCD摄像机14转换成电信号，并经采集送入计算机12进行处理即可得到耦合器6在空间的瞄准位置；当耦合器6在微内腔体内部一端瞄准后发讯单元发出信号，测长系统开始工作。测长系统主要由反射平晶8、λ/4波片9、偏振分光镜10及双频激光器11组成，测长系统测得的长度值直接送入计算机12，最终通过软件系统完成数据的处理。控制装置对整个测量装置的自动测量过程进行控制，通过软件系统来完成控制策略。测长仪器直线光栅尺如图4(a)所示，动栅20与耦合器之间无相对运动，动栅20位于静栅21上；
本发明的第七种实施方式如下：
整个测量装置的构成如图1所示，激光器1发出激光束经扩束准直镜2进入光纤耦合透镜3进行聚焦，聚焦后的激光束由入射光纤5进入耦合器6后由出射光纤13导出，由出射光纤13导出的光束经光电器件CCD摄像机14转换成电信号，并经采集送入计算机12进行处理即可得到耦合器6在空间的瞄准位置；当耦合器6在微内腔体内部一端瞄准后发讯单元发出信号，测长系统开始工作。测长系统主要由反射平晶8、λ/4波片9、偏振分光镜10及双频激光器11组成，测长系统测得的长度值直接送入计算机12，最终通过软件系统完成数据的处理。控制装置对整个测量装置的自动测量过程进行控制，通过软件系统来完成控制策略。测长仪器宏微结合的电容传感器如图4(b)所示，电容传感器可动部分的固定件22和电容极板23及电容传感器固定部分的固定件25和电容极板24位于大范围位移测量件26上，电容传感器可动部分与固定部分均位于大范围位移测量机构26上，且电容传感器可动部分与固定部分可作相对运动；
本发明的第八种实施方式如下：
整个测量装置的构成如图1所示，激光器1发出激光束经扩束准直镜2进入光纤耦合透镜3进行聚焦，聚焦后的激光束由入射光纤5进入耦合器6后由出射光纤13导出，由出射光纤13导出的光束经光电器件CCD摄像机14转换成电信号，并经采集送入计算机12进行处理即可得到耦合器6在空间的瞄准位置；当耦合器6在微内腔体内部一端瞄准后发讯单元发出信号，测长系统开始工作。测长系统主要由反射平晶8、λ/4波片9、偏振分光镜10及双频激光器11组成，测长系统测得的长度值直接送入计算机12，最终通过软件系统完成数据的处理。控制装置对整个测量装置的自动测量过程进行控制，通过软件系统来完成控制策略。测长仪器宏微结合的电感传感器如图4(c)所示，电感传感器装夹件28和电感测头27位于固定件29上，固定件29位于大范围位移测量机构30上。
此外，本发明的测量装置及方法还可用来测量内壁为斜面的如图5所示的微内腔体31，其测量原理与前述测量垂直面内壁的微内腔体的方法相同。

Claims (9)

1.一种基于双光纤耦合的微小内腔体尺寸测量装置，包括瞄准及发讯装置、测长装置以及控制和数据处理装置，其特征在于：
所述瞄准及发讯装置包括激光耦合单元、数据采集处理单元和双光纤耦合单元，在双光纤耦合单元中，一根光纤作为入射光纤，另一根作为出射光纤，两根光纤的一端与耦合器固定连接；激光耦合单元包括激光器、扩束准直镜、光纤耦合透镜和固定体，激光器、扩束准直镜、光纤耦合透镜及入射光纤的一端共轴，固定块固定入射光纤；数据采集处理单元包括透镜与CCD摄像机，透镜、CCD摄像机与出射光纤共轴；
所述测长装置包括反射平晶、λ/4波片、偏振分光镜和双频激光器，其中λ/4波片、偏振分光镜和双频激光器共轴，反射平晶及被测物固连于工作台上，双频激光器与计算机相连；双频激光器用于在接收到来自控制装置的启测信号时，记录当前位置信息，并保存为p1，当接收到来自控制装置的停测信号时，记录当前信息，并保存为p2。
2.根据权利要求1所述的基于双光纤耦合的微小内腔体尺寸测量装置，其特征在于：所述入射光纤为直角弧形，出射光纤为直线形，入射光纤与出射光纤固连于耦合器的表面，且入射光纤与出射光纤共面。
3.根据权利要求2所述的基于双光纤耦合的微小内腔体尺寸测量装置，其特征在于：所述测长装置为宏观微观相结合的电容传感器。
4.根据权利要求2所述的基于双光纤耦合的微小内腔体尺寸测量装置，其特征在于：所述测长装置为宏观微观相结合的电感传感器。
5.根据权利要求1所述的基于双光纤耦合的微小内腔体尺寸测量装置，其特征在于：所述激光器是发光二极管。
6.根据权利要求1所述的基于双光纤耦合的微小内腔体尺寸测量装置，其特征在于：数据采集与处理单元的光电器件为PSD位置传感器。
7.一种基于双光纤耦合的微小内腔体尺寸测量方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
a.将传感器测头伸入被测物内腔体，并向一侧沿测量线移动被测腔体；
b.检测传感器测头是否已与被测物内腔体内壁可靠接触，若检测结果为否，则返回步骤(a)；
c.若步骤(b)中检测结果为是，则传感器测头向测长装置发出信号，测长装置记录当前位置的信息p1；
d.向反方向沿测量线移动被测物体；
e.检测传感器测头是否已与被测物内腔体另一侧内壁可靠接触，若检测结果为否，则返回步骤(d)；
f.若步骤(e)中检测结果为是，则传感器测头向测长装置发出信号，测长装置记录当前位置的信息p2；
g.计算得出被测微内腔体的几何尺寸L＝|p1-p2|+d0，其中d0为传感器测头的直径。
8.根据权利要求7所述的基于双光纤耦合的微小内腔体尺寸测量方法，其特征在于：当被测微内腔体为微孔且测量孔径尺寸时，其测量步骤仍按照上述的测量步骤，但在步骤(f)与(g)中采用找拐点的方法来得到测长系统测得的最大位置Δmax。
9.根据权利要求7或8所述的基于双光纤耦合的微小内腔体尺寸测量方法，其特征在于找拐点的具体实现过程如下：耦合器伸入被测微孔内部某一截面内，当耦合器与被测微孔内壁一侧可靠接触时，瞄准及发讯装置发出信号，测长系统开始工作并记录当前位置p1；耦合器在被测微孔内运动到微孔内壁另一侧某一位置并与微孔内壁可靠接触时，瞄准及发讯装置再次发出信号，测长系统记录当前位置p21，但并不停止工作，计算得出耦合器相对于被测孔的位移量Δ1＝|p1-p21|；此时被测微孔在与测长系统测长方向垂直的方向上移动，并使耦合器再次与微孔内壁可靠接触，瞄准系统再次发出信号，测长系统再次记录当前位置p22，并再次计算得出耦合器相对于被测孔的位移量Δ2＝|p1-p22|；如此反复，直到耦合器相对于被测孔的位移量为最大值Δmax时，测量过程停止，被测孔的直径为d＝Δmax+d0。
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Families Citing this family (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1882579A1 (de) * 2006-07-27 2008-01-30 Soudronic AG Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von mit einer Siegelnaht versehenen Gegenständen
US7889322B2 (en) * 2007-02-20 2011-02-15 Electro Scientific Industries, Inc. Specimen inspection stage implemented with processing stage coupling mechanism
US7886449B2 (en) * 2007-02-20 2011-02-15 Electro Scientific Industries, Inc. Flexure guide bearing for short stroke stage
US7603785B2 (en) * 2007-02-20 2009-10-20 Electro Scientific Industries, Inc. Air bearing assembly for guiding motion of optical components of a laser processing system
WO2010108365A1 (en) * 2009-03-24 2010-09-30 Harbin Institute Of Technology Micro focal-length collimation based micro-cavity measuring method and detecting equipment thereof
CN101586942B (zh) * 2009-06-19 2011-02-02 北京工业大学 接触式光纤测头测量方法及其装置
CN101963491B (zh) * 2010-09-10 2012-10-31 珠海华伦造纸科技有限公司 造纸纤维图像测量方法
CN102410836B (zh) * 2011-07-26 2014-01-29 清华大学 基于二维位置敏感传感器的空间六自由度物体定位系统
CN102589439B (zh) * 2011-12-16 2015-04-22 哈尔滨工业大学 基于光纤布拉格光栅的接触式温度无感三维探测传感器
CN102564309B (zh) * 2011-12-16 2014-08-20 哈尔滨工业大学 基于光纤布拉格光栅的微孔尺寸测量装置
CN102589422B (zh) * 2011-12-16 2014-10-15 哈尔滨工业大学 正交光路二维微焦准直与三维坐标传感器
CN103900472B (zh) * 2014-03-20 2017-01-25 哈尔滨工业大学 基于偏振态检测的双入射保偏平光纤耦合球微尺度传感器
CN103900471A (zh) * 2014-03-20 2014-07-02 哈尔滨工业大学 基于双入射光纤共球耦合的微测量力瞄准传感器
CN103900468A (zh) * 2014-03-20 2014-07-02 哈尔滨工业大学 带有端面微结构的双光纤共球耦合微测量力瞄准传感器
CN103900466B (zh) * 2014-03-20 2017-05-17 哈尔滨工业大学 基于偏振态检测的温度自补偿双光纤耦合球微尺度传感器
CN103900470B (zh) * 2014-03-20 2017-01-11 哈尔滨工业大学 基于三光纤共球耦合的微测量力瞄准传感器
CN103900481B (zh) * 2014-03-20 2016-08-24 哈尔滨工业大学 基于偏振态检测的保偏平光纤耦合球微尺度传感器
CN104907889B (zh) * 2015-07-06 2017-03-22 哈尔滨工业大学 一种基于psd原理的二维测力主轴夹具
CN105750928B (zh) * 2016-04-01 2017-11-21 哈尔滨工程大学 一种实现光纤沿轴心旋转的机械结构
KR101817132B1 (ko) * 2016-05-17 2018-01-10 주식회사 엑스엘 간섭계와 영상을 이용한 정밀 측정 시스템
JP6797639B2 (ja) * 2016-11-02 2020-12-09 株式会社キーエンス 画像測定装置
JP6797638B2 (ja) * 2016-11-02 2020-12-09 株式会社キーエンス 画像測定装置
CN111649651B (zh) * 2020-07-28 2021-11-19 怀化学院 一种产品设计用测量装置
CN112050755B (zh) * 2020-08-07 2021-11-12 深圳烯湾科技有限公司 测量超细纤维横截面积的方法
CN112904336A (zh) * 2021-02-10 2021-06-04 深圳市云视机器人有限公司 探测装置及自移动机器人

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1079047A (zh) * 1992-05-21 1993-12-01 清华大学 激光高精度测量大型工件内外径装置及方法
CN2578823Y (zh) * 2002-11-01 2003-10-08 秦书乐 一种光纤探头
CN1598480A (zh) * 2004-09-22 2005-03-23 哈尔滨工业大学 采用布里渊光纤环形激光器测量超窄激光线宽的装置和测量方法

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5943302A (ja) * 1982-09-06 1984-03-10 Mitsutoyo Mfg Co Ltd タツチプロ−ブ装置
JPS61103762A (ja) * 1984-10-29 1986-05-22 Osaka Kiko Co Ltd ワ−ク自動計測装置
US4806016A (en) * 1987-05-15 1989-02-21 Rosemount Inc. Optical displacement sensor
JP2817975B2 (ja) * 1989-12-20 1998-10-30 株式会社ソキア 三次元測定装置
US5434669A (en) * 1990-10-23 1995-07-18 Olympus Optical Co., Ltd. Measuring interferometric endoscope having a laser radiation source
JPH0792381B2 (ja) * 1991-11-07 1995-10-09 株式会社ミツトヨ 三次元測定機用プローブ
CN1093163A (zh) * 1993-04-01 1994-10-05 浙江大学 光纤位移传感器
CN1104765A (zh) * 1993-12-30 1995-07-05 天津大学 测量盲小孔与狭槽的三维测头和测量方法
JP3464835B2 (ja) * 1994-10-31 2003-11-10 東京航空計器株式会社 微小円筒形部品の穴径・同心度測定装置
DE19805892A1 (de) * 1997-06-12 1998-12-24 Werth Messtechnik Gmbh Verfahren und Anordnung zur Messung von Strukturen eines Objekts
WO1998057121A1 (de) * 1997-06-12 1998-12-17 Werth Messtechnik Gmbh Koordinatenmessgerät mit tastelement und dieses vermessenden optischen sensor
JPH11108640A (ja) * 1997-09-30 1999-04-23 Mitsubishi Cable Ind Ltd 光学式触覚センサ
DE29808683U1 (de) * 1998-05-13 1998-08-20 Schwenke Heinrich Dipl Ing Anordnung zur Sensierung der dritten Raumrichtung bei einem mikromechanischen Tastsystem
JP2003004433A (ja) * 2001-06-21 2003-01-08 Sankyo Seiki Mfg Co Ltd 微小内径測定方法及び装置
US7016052B2 (en) * 2001-09-28 2006-03-21 The Boeing Company Apparatus for measuring characteristics of a hole and associated method
CN1346965A (zh) * 2001-10-15 2002-05-01 天津大学 一种光纤干涉测量距离的方法及测量设备
DE10258283B4 (de) * 2002-12-13 2011-02-17 Carl Mahr Holding Gmbh Tasteinrichtung zur Werkstückvermessung
US7023557B2 (en) * 2003-08-05 2006-04-04 Agilent Technologies, Inc. Parallel interferometric measurements using an expanded local oscillator signal

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1079047A (zh) * 1992-05-21 1993-12-01 清华大学 激光高精度测量大型工件内外径装置及方法
CN2578823Y (zh) * 2002-11-01 2003-10-08 秦书乐 一种光纤探头
CN1598480A (zh) * 2004-09-22 2005-03-23 哈尔滨工业大学 采用布里渊光纤环形激光器测量超窄激光线宽的装置和测量方法

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