基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感方法与装置制造方法及图纸

基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感方法与装置属于精密仪器制造及测量技术领域，特别是一种“亚宏观”领域中对微小、复杂内腔的结构尺寸和二维坐标的传感方法与装置，尤其适用于大深径比微小孔的测量，本发明专利技术利用光纤探针测杆具有超大曲率和微柱面透镜的结构特点组建了点光源一维微焦准直成像光路，利用该光路实现了对光纤探针测杆二维位移量的高倍放大与传感，本发明专利技术不仅具备单光纤探针测力小、易小型化及测量深径比大的特点，特别是分辨力最高可达深亚纳米量级，且在二维测量方向具有绝对“０”位，系统结构简单、实时性好、易于实际应用，在对微小内腔尺寸和二维坐标实施快速、超精密的测量与校准中具有显著优势。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于精密仪器制造及测量
，特别是一种"亚宏观"领域中对微小、复杂 内腔的结构尺寸和二维坐标的传感方法与装置，尤其适用于大深径比微小孔的测量。
技术介绍
工业产品发展的趋势之一就是内尺度微小化与精密化，随着航空航天工业、电子工业、 医疗器械的发展，精密微小内腔构件的需求急剧增长，如燃料射喷管、惯性仪表、光纤插芯、 拉丝模、电路印板和医疗器械中的孔(如耳咽管)等。由于受到空间尺度的限制以及测量 接触力的影响，微小内腔构件内尺度的精密测量变得难以实现，尤其是测量深度难以提高， 这些已成为制约行业发展的"瓶颈"。显微镜成像法虽然可以测量微小内腔尺寸，但是测量深 度受到很大限制，无法进一步扩展应用领域。为了实现更小的内尺寸测量、增加测量深度， 最广泛使用的办法是使用细长的探针伸入微小内腔进行探测，通过瞄准发讯的方式测量不同深度上的微小内尺寸。因此，目前微小内腔尺寸的精密测量主要以坐标测量机(CMM， Coordinate Measuring Machine)结合具有纤细探针的瞄准发讯式探测系统(PS， Probing System) 为主，其中坐标测量机技术的发展已经比较成熟，可以提供精密的三维空间运动，因此瞄准 触发式探针的探测方式成为微小内腔尺寸探测系统设计的关键。目前，微小内尺寸测量的主要手段包括以下几种方法1、 中国天津大学的杨世民教授等人提出一种弹性尺寸传递理论，基于这一原理研制了膜 片式盲小孔测头，以膜片为敏感元件，把测杆视为变形很大的弹性体，通过精密标定自动补 偿弹性测杆变形误差，将测头安装在三坐标测量机上，可对各种方向的通盲小孔进行接触测 量，测出其任意截面的尺寸和形状误差，可以测量①300 pm、深径比为40的盲孔，测量结果 的不确定度为lpm (杨世民，李树和，张国雄等。膜片式小孔测头的设计与研究，计量学报， 1998年第19巻第2期)。这种方法测头与测杆难以进一步小型化，测头的最大非线性误差为 0.2pm，测量精度难以进一步提高。2、 日本的Masuzawa等人利用硅加工的工艺制作了硅质微型探针，把探针作为阻抗元件 接入电路中，提出一种振动扫描的方法进行孔径测量，把探针的机械变动量直接转变为电信 号进行测量，能够对OIOO nm孔径实施测量，测量深度可达到3mm，测量结果的不确定度 为 0.5 nm (B.J. Kim, T. Masuzawa and T. Bourouina The vibroscanning method for the measurement of micro-hole profiles, Meas. Sci. Technol. 10 (1999) 697—705.)。这种方法由于采用 了外加振动源，测量数据的漂移较大，另外，它的探针测头末端几何形状为矩形，测量孔时 存在盲区，导致测量精度只能到达亚微米级。3、 德国联邦物理技术研究院(PTB， Physikalisch-Technische Bundesanstalt)的Schwenke 教授等人提出了一种微光珠散射成像法，实现了对探针测头的二维监测，他们利用单光纤作为探针测杆，把微光珠粘接或者焊接到测杆末端，使光线耦合进入光纤内部传播到微光珠上 形成散射，用一个面阵CCD接收散射光形成敏感信号，实现了微力接触式测量，测量了 0214 pm的孔径，测量深度为0.8mm，测量结果的不确定度为1 pm，测量力为pN量级(吉贵军， Schwenke H Tmpet E，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年，第16巻第4期)。后来Schwenke教授等人拓展了这种方法，在测杆上粘接了一个 微光珠，同时增加了一路对该微光珠的成像光路，这使得该探测系统具备了三维探测能力， 测量标准球时得到的标准偏差为0.2|im (H. Schwenke, R Waldele, C. Weiskirch， H. Kunzmann. Opto-tactile Sensor for 2D and 3D Measurement of Small Structures on Coordinate Measuring Machines, Annals of CIRP 50/1 (2001), pp. 361-364)。这种方法在测量深孔过程中，由于微光珠 散射角度较大，随着测量深度的增加，微光珠散射成像光斑的质量由于散射光线受到孔壁遮 挡而逐渐降低，导致成像模糊，降低了测量精度，因此无法实施大深径比的高精度测量。4、中国哈尔滨工业大学谭久彬教授和崔继文博士等人提出一种基于双光纤耦合的探针结 构，把两根光纤通过末端熔接球连接，熔接球作为测头， 一根较长光纤引入光线，另外一根 较短导出光线，克服了微光珠散射法测量深度的局限，可以测量O100nm以上的孔，测量结 果的不确定度为0.25 pm，测量深度可以达到5mm (谭久彬，崔继文，邹丽敏等。基于双光 纤耦合的微小内腔尺寸测量装置与方法，专利申请号ZL200510102478.6)。这种方法由于探 针尺寸很小且具有微观的特征结构，因此制作工艺难度很大，给实际应用带来困难，测量精 度为亚微米量级。5 、美国国家标准技术研究院(National Institute of Standard Technology, NIST)使用了单光纤 测杆结合微光珠测头的探针，通过光学设计在二维方向上将光纤测杆成像放大35倍左右，用 2个面阵CCD分辨接收二维方向上光纤测杆所成的像，然后对接收到的图像进行轮廓检测， 从而监测光纤测杆的在测量过程中的微小移动，进而实现触发式测量，该探测系统的理论分 辨力可以达到4nm，探测系统的探针测头直径为①50 pm，实验中测量了 0129 的孔径， 测量结果的扩展不确定度达到了70mn(k-2)，测量深度可以达到5mm，测量力为nN量级(B. Muralikrishnan, J.A. Stone,丄R. Stoup. Fiber deflection probe for small hole metrology. Precision Engineering 30 (2006) 154-164.)。这种方法探测分辨力高，测量精度高，使用的测头易于小型 化，可以测量较大深径比的微孔，是目前微小内腔尺寸测量中测量分辨力最高的方法。该方 法的局限是成像单元对光纤测杆的微位移放大倍数较低(仅有35倍)，必须通过图像算法进 一步提高分辨力，探测光纤测杆的二维微位移必须使用两套成像系统，导致系统结构比较复 杂，测量数据计算量比较大，这些因素导致探测系统的分辨力难以进一步提高，探测系统的 实时性较差，系统构成比较复杂。6、瑞士联合计量办公室(Swiss Federal Office of Metrology, METAS )研发了一个新型 的坐标测量机致力于小结构件纳米精度的可追迹的测量。该测量机采用了基于并联运动学原 理的弯曲铰链结构的新型接触式探针，该设计可以减小移动质量并且确保全方向的低硬度， 是一个具有三维空间结构探测能力的探针。这一传感结构的测量力低于0.5mN，同时支持可 更换的探针，探针头的直径最小到OO.hmn。探测系统结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感方法，其特征在于通过以下步骤实现对光纤探针测杆二维位移的传感：①将光纤探针测杆的一部分作为具有超大曲率的微柱面双凸透镜使用；②利用步骤①所述的微柱面双凸透镜组建点光源一维微焦准直成像光路，所成像为一亮条纹；③利用步骤②所述的点光源一维微焦准直成像光路，将光纤探针测杆相对于点光源的二维位移变化转变为点光源一维微焦准直成像光路所成亮条纹能量中心位置的变化和亮条纹宽度的变化；④点光源与微柱面双凸透镜在唯一一个特定的物距下，步骤②所述的点光源一维微焦准直成像光路所成像具有最小的条纹宽度和最小的偏度绝对值，将该特定的物距下的光纤探针测杆所在位置作为二维位移传感方向上的绝对“０”位置；⑤利用光电转换器件将步骤③所述的点光源一维微焦准直成像光路所成像转变为电信号；⑥利用数据采集与处理模块实现将步骤⑤所得到的电信号进行采集与处理，获得步骤③所述的点光源一维微焦准直成像光路所成像的变化信息，完成对光纤探针测杆相对于点光源的二维位移变化量的提取。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谭久彬，王飞，崔继文，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]