一种基于双层正交网格状分布的边孔光纤光栅表面形貌检测装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于双层正交网格状分布的边孔光纤光栅表面形貌检测装置及测量方法，属于光纤光栅传感领域。所述形貌检测装置由内部嵌入的边孔光纤光栅传感器阵列和覆盖于阵列外的三层硅胶片组成，重点在于所述边孔光纤光栅传感器阵列编排成双层正交网格状分布，所述硅胶片与被测物表面紧密贴合时可将所在位置处被测物表面的凹凸变化信息转换为边孔光纤光栅传感器的弯曲信息，弯曲使得各传感器反射谱中出现两个反射峰，观测双峰间距的变化，可反演出传感器处边孔光纤弯曲的曲率大小和弯曲方向信息，利用其重建被测物表面形貌。本发明专利技术的形貌检测装置具有小型化、防电磁干扰等优势，便于推广使用。便于推广使用。便于推广使用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双层正交网格状分布的边孔光纤光栅表面形貌检测装置及测量方法


[0001]本专利技术涉及边孔光纤光栅(Side
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hole Fiber Bragg grating，SHFBG)传感、曲率测量以及表面形貌检测等问题，属于光纤光栅(Fiber Bragg grating，FBG)传感领域。
技术背景
[0002]目前表面形貌检测的主要方式有两种：一种是接触式测量，如传统的触针式轮廓仪是通过触针的压力传感来捕获被测物形貌信息；另一种是非接触式测量，如数字全息显微技术、相移干涉测量技术和变焦显微测量技术等，这些技术所需仪器成本高，且所测结果容易受到电磁场干扰。
[0003]光纤的传输损耗低，波长编码的FBG传感器具有介电性和本征性特征，其稳定性好，可用来将对所在位置弯曲程度的检测转化为应变检测，从而获得表面形貌信息，但基于普通FBG的表面形貌检测技术无法摆脱环境温度的影响，且空间分辨率有限。
[0004]本专利技术提供一种基于SHFBG的表面形貌检测装置和测量方法，检测装置由内部嵌入的双层正交网格状分布的SHFBG传感器阵列和覆盖于阵列外的三层硅胶片组成，通过观测各传感器反射谱双峰间距的变化，可反演出传感器处边孔光纤弯曲的曲率大小和弯曲方向信息，利用其重建被测物表面形貌。重建结果不受环境温度影响，空间分辨率高。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于提供一种表面形貌检测装置和测量方法，可解决普通FBG 进行表面形貌检测时受环境温度的影响及空间分辨率有限的问题。r/>[0006]为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：
[0007]表面形貌检测装置由内部嵌入的双层正交网格状分布的边孔光纤光栅传感器阵列和覆盖于阵列外的三层硅胶片组成，可以紧密贴合在被测物表面，将所在位置处被测物表面的凹凸变化信息转换为边孔光纤光栅传感器的弯曲信息，弯曲使得各传感器反射谱中出现两个反射峰，观测双峰间距的变化，可反演出传感器处边孔光纤弯曲的曲率大小和弯曲方向信息，利用其重建被测物表面形貌。
[0008]三层硅胶片分别为底层的A、中层的B和顶层的C，三层硅胶片之间用硅胶混合液粘合。
[0009]底层硅胶片A和中层硅胶片B中各嵌入一层边孔光纤光栅传感器阵列，A 层中的阵列由一定数目沿y方向排列成若干列的边孔光纤光栅传感器组成，B层中的阵列由一定数目沿x方向排列成若干行的边孔光纤光栅传感器组成，行与列的交叉点均为正交嵌入的边孔光纤光栅的中点。
[0010]边孔光纤光栅传感器弯曲时成为具有特定曲率的圆弧，建立笛卡尔坐标系，利用各边孔光纤光栅传感器捕获所在位置的曲率信息，计算所述坐标系下所有圆弧的方程，经拟合可重建正交边孔光纤光栅网格的轮廓，实现对所述被测物表面形貌的检测。
[0011]与现有技术相比，本专利技术有益的效果是：1)本专利技术装置仅由SHFBG传感器阵列和三层硅胶片组成，结构简单、稳定性好、操作简便；2)本专利技术装置进行表面形貌检测时摆脱了环境温度的影响，且检测结果不受电磁场和潮湿空气影响； 3)本专利技术装置中SHFBG传感器阵列呈双层正交网格状分布，提高网格中SHFBG 的密度，可有效提高空间分辨率；4)本专利技术装置在制作过程中无需使用任何光纤粘合专用胶水，避免因胶水引入引起的应变传递衰减现象。
[0012]当然，实施本专利技术的任一产品并不一定同时拥有上述全部优点。
附图说明
[0013]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图进行介绍。
[0014]图1为表面形貌检测装置的光纤连接示意图；
[0015]图2为所述表面形貌检测装置的分层结构示意图；
[0016]图3为所述表面形貌检测装置中某三个SHFBG传感器反射谱双峰间距随曲率变化关系示意图；
[0017]图4为曲率测量原理图，图4(a)～(c)分别为无弯曲状态模型、正弯曲状态模型和负弯曲状态模型；
[0018]图5为形貌重建原理图，图5(a)和(b)分别为所述表面形貌检测装置中某一行 /列连续三个SHFBG传感器两种曲率变化情况；
[0019]图6(a)～(c)为被测物实物图，图6(d)～(f)为被测物表面形貌重建图。
[0020]附图中，各编号所代表的部件列表如下：
[0021]1‑
宽带光源，2
‑
光谱仪，3，4，6
‑
传输光纤，5
‑
3dB耦合器，7
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表面形貌检测装置，71
‑
双层正交SHFBG传感器阵列，711
‑
y方向SHFBG传感器阵列，712
‑ꢀ
x方向SHFBG传感器阵列，72
‑
三层硅胶片，8
‑
硅胶片，9
‑
SHFBG，10
‑
中性层。
具体实施方式
[0022]为了使本专利技术的
技术实现思路
更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术作详细说明。
[0023]如图1所示，宽带光源1用于产生高稳定性的宽带输出光波，通过传输光纤 3连接3dB耦合器5，经传输光纤6将光信号传输到表面形貌检测装置7。
[0024]所述表面形貌检测装置7与被测物表面紧密贴合时，可将所在位置处被测物表面的凹凸变化信息经三层硅胶片72传递至内部嵌入的SHFBG传感器阵列71，弯曲使得各传感器反射谱双峰间距发生变化，该变化通过传输光纤6连接3dB耦合器5，经传输光纤4传至光谱仪2并显示。
[0025]图2所示的表面形貌检测装置7包括三层硅胶片72和内部嵌入的SHFBG 传感器阵列71，其中：所述三层硅胶片72包括底层的A，中层的B和顶层的C，所述内部嵌入的SHFBG传感器阵列71包括嵌入底层A的SHFBG传感器阵列 711和嵌入中层B的SHFBG传感器阵列712，顶层C覆盖于中层B的上方，三层硅胶片A、B和C之间用硅胶混合液粘合。
[0026]所述SHFBG传感器阵列711由一定数目沿y方向排列成若干列的SHFBG 传感器组
成，SHFBG传感器阵列712由一定数目沿x方向上排列成若干行的 SHFBG传感器组成，行与列交叉点均为正交嵌入的SHFBG的中点。
[0027]所述表面形貌检测装置7中SHFBG传感器阵列71的埋置包括以下步骤：
[0028]步骤1、制作三个长宽相等的模具，模具1和模具2分别用于制作硅胶片72 的A层和B层，模具3为装配模具；模具1深度为A层厚度，由沿y方向排列的SHFBG传感器阵列711与形貌检测装置7底面的间距决定，模具2深度为B 层厚度，由沿x方向排列的SHFBG传感器阵列712与A层顶面的间距决定，模具3深度为A、B和C三层厚度之和，其中C层厚度由沿x方向排列的SHFBG 传感器阵列712与形貌检测装置7顶面的间距决定；模具3每个侧壁上刻有若干个精确等距分布的V型凹槽，用于将边孔光纤固定在合适位置；三个模具内壁均匀涂刷凡士林，便于脱本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双层正交网格状分布的边孔光纤光栅表面形貌检测装置，其特征在于：所述表面形貌检测装置由内部嵌入的双层正交网格状分布的边孔光纤光栅传感器阵列和覆盖于阵列外的三层硅胶片组成，可以紧密贴合在被测物表面，将所在位置处被测物表面的凹凸变化信息转换为边孔光纤光栅传感器的弯曲信息，弯曲使得各传感器反射谱中出现两个反射峰，观测双峰间距的变化，可反演出传感器处边孔光纤弯曲的曲率大小和弯曲方向信息，利用其重建被测物表面形貌。2.根据权利要求1所述的一种基于双层正交网格状分布的边孔光纤光栅表面形貌检测装置，其特征在于：所述三层硅胶片分别为底层的A、中层的B和顶层的C，三层硅胶片之间用硅胶混合液粘合。3.根据权利要求1所述的一种基于双层正交...

【专利技术属性】
技术研发人员：余有龙，李欣然，李民兴，王健聪，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：