CN103900472B - 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 - Google Patents

Abstract

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属于精密仪器制造及测量技术；该传感器包括激光器A、B、起偏器A、B、平面反射镜A、B、半透半反棱镜、波片、探针、偏振态检测装置、计算机，其中探针由入射光纤A、入射光纤B、出射光纤、耦合球组成，半透半反棱镜、波片、探针依次排列，所述激光器A出射光经起偏器A由平面反射镜A反射进入射光纤A，激光器B出射光经起偏器B由平面反射镜B反射进入射光纤B，偏振态检测装置A、B分别接收光束第一、二次经半透半反棱镜反射的光束，当偏振态检测装置B检测到的偏振态相对于偏振态检测装置A检测到的偏振态的差值发生变化时，探针与被测孔发生触测；本传感器精度高，速度快。

Description

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

技术领域

本发明属于精密仪器制造及测量技术，主要涉及一种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。

背景技术

随着航空航天工业、汽车工业、电子工业以及尖端工业等的不断发展，对于精密微小构件的需求急剧增长。由于受到空间尺度和待测微小构件遮蔽效应的限制以及测量接触力的影响，微小构件尺寸的精密测量变得难以实现，尤其是微小内腔构件的测量深度难以提高，这些已然成为制约行业发展的“瓶颈”。为了实现更小的内尺寸测量、增加测量深度，最广泛使用的办法就是使用细长的探针深入微小构件的内腔进行探测，通过瞄准发讯的方式测量不同深度上的微小内尺寸。因此，目前微小构件尺寸的精密测量以坐标测量机结合具有纤细探针的瞄准发讯式探测***为主，由于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构件尺寸探测***设计的关键。

目前，微小构件尺寸测量的主要手段包括以下几种方法：

1.德国联邦物理技术研究院的H.Schwenke教授等人提出了一种微光珠散射成像法，实现了对探针测头位置信息的二维检测。该方法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。后来H.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***具有了三维探测能力，测量标准球时得到的标准偏差为0.2μm。据相关报道，此方法可以实现测量Φ151μm的孔径，测量深度为1mm。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，因此无法实现大深径比的高精度测量。

2.中国哈尔滨工业大学谭久彬教授和崔继文教授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通，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，可以实现对直径不小于0.01mm、深径比不大于15∶1的微深孔测量时的精确瞄准。这种方法虽然在一定程度上克服了遮蔽效应，但耦合球实现的反向传输的光能量十分有限，测量深度难以进一步提升。

3.美国国家标准技术研究院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***的理论分辨力可以达到4nm，探测***的探针测头直径为Φ75μm，实验中测量了Φ129μm的孔径，其扩展不确定度概算值达到了70nm(k＝2)，测量力为μN量级。该方法的局限是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***，导致***结构比较复杂，测量数据计算量比较大，探测***的实时性较差，***构成比较复杂。

4.瑞士联合计量办公室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，探针测头的直径最小到Φ100μm。探测***结合了一个由Phi1ips CFT开发的高位置精度的平台，平台的位置精度为20nm。该测量***测量重复性的标准偏差达到5nm，测量结果的不确定度为50nm。该种方法结构设计复杂，同时要求测杆具有较高的刚度和硬度，否则难以实现有效的位移传感，这使得测杆结构难以进一步小型化，测量深径比同时受到制约，探测***的分辨力难以进一步提高。

5.中国哈尔滨工业大学崔继文教授和杨福玲等人提出了一种基于FBG Bending的微孔尺寸测量装置及方法，该方法利用光纤光栅加工的探针和相应的光源、检测装置作为瞄准触发***，配合双频激光干涉仪测长装置，可以获得不同截面的微孔尺度。该方法的微尺度传感器在触测变形时，探针的主要应力不作用于光纤光栅上，***的分辨率很低，难以进一步提高。

综上所述，目前微小尺寸和二维坐标探测方法中，由于光纤制作的探针具有探针尺寸小、测量接触力小、测量深径比大、测量精度高的特点而获得了广泛关注，利用其特有的光学特性和机械特性通过多种方式实现了一定深度上的微小内尺寸的精密测量。现存测量手段主要存在的问题有：

1.探测***的测量深度受限。德国PTB的微光珠散射成像法受遮蔽效应的影响，难以实现测量深度的提升，同时降低了***探测精度。基于双光纤耦合的探针结构虽然在一定程度上克服了遮蔽效应，但目前尚未解决反向传输的光能量十分有限的问题，测量深度难以进一步提升。

2.探测***的位移分辨力难以进一步提高。现存的探测***的初级放大率较低，导致了其整体放大率较低，难以实现其位移分辨力的进一步提高。美国国家标准技术研究院采用的探测方法的光学测杆的光学光路放大倍率仅有35倍，较低的初级放大倍率导致了其位移分辨力难以进一步提高。

3.探测***实时性差，难以实现精密的在线测量。美国国家标准技术研究院采用的探测方法必须使用两路面阵CCD接收信号图像，必须使用较复杂的图像算法才能实现对光纤测杆位移的高分辨力监测，这导致测量***需要处理的数据量大大增加，降低了探测***的实时性能，难以实现微小内腔尺寸和二维坐标测量过程中瞄准发讯与启、止测量的同步性。

4.存在二维径向触测位移的耦合。基于FBG Bending的微孔尺寸测量方法的探针具有各向性能一致，在径向二维触测位移传感时存在耦合，而且无法分离，导致二维测量存在很大误差，无法实现径向二维触测位移的准确测量。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，满足微小构件尺寸测量的高精度、大深径比与快速测量的需求，本发明提出了一种可深入微深内腔体内部将三光纤耦合球与内腔体侧壁触测位置信息转换为光束偏振态信息的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。

本发明的目的是这样实现的：

一种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，所述传感器包括激光器A、起偏器A、平面反射镜A、激光器B、起偏器B、平面反射镜B、半透半反棱镜、波片、探针、偏振态检测装置A、偏振态检测装置B、计算机，所述探针由入射光纤A、入射光纤B、出射光纤共三根光纤和一个耦合球组成，所述入射光纤A与入射光纤B是两根平包层保偏光纤，入射光纤A与入射光纤B平行固定连接，且入射光纤A与入射光纤B的保偏方向相互垂直，所述出射光纤为普通单模光纤，入射光纤A、入射光纤B和出射光纤的一端与耦合球固定连接，耦合球作为探针的触点；激光器A、起偏器A、平面反射镜A依次排列，激光器B、起偏器B、平面反射镜B依次排列，半透半反棱镜、波片、探针依次排列，其中激光器A出射光通过起偏器A、经平面反射镜A反射后的光束光轴与入射光纤A入射光光轴重合，激光器B出射光通过起偏器B、经平面反射镜B反射后的光束光轴与入射光纤B入射光光轴重合，所述激光器A经起偏器A后的光束的偏振态与激光器b经起偏器B后的光束的偏振态相差90°，偏振态检测装置A位于两束入射光第一次经半透半反棱镜反射后的反射光路光轴A与反射光路光轴B之间的中心线上，偏振态检测装置B位于探针的出射光纤的出射光通过波片、经半透半反棱镜反射后的反射光路光轴上，通过数据线分别将偏振态检测装置A和偏振态检测装置B与计算机相连，探针置于被测孔内；以所述偏振态检测装置A检测到的光束的偏振态作为参考信号，以所述偏振态检测装置B检测到的光束的偏振态作为检测信号，当检测信号的偏振态相对于参考信号的偏振态的差值发生变化时，探针与被测孔发生触测。

本发明具有以下特点及良好效果：

1.传感器的探针过两根敏感方向相互垂直的平包层保偏光纤作为入射光纤，可以实现二维空间位置信号探测，且本传感器具有的二维探测能力是解耦的；同时，采用两根入射光纤可以增强探针的刚度。

2.光学探测信号在光纤内部传输，不受微孔内壁的影响，测量最大深径比可达50∶1，满足大深径比微孔测量要求。

3.通过检测出射光偏振态的变化判断触测信号，精度高，处理速度快，满足工业需求。

4.该传感器中引入参考偏振光，可以消除环境因素对判断触测信号的影响，大大提高了传感器对环境的适应能力，可适用于工业现场测量。

5.采用特殊截面的平包层保偏光纤，使传感器具有更高的灵敏度。

附图说明

图1为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总体结构示意图；

图2为图1中探针的俯视图。

图中：1a、激光器A，1b、激光器B，2a、起偏器A，2b、起偏器B，3a、平面反射镜A，3b、平面反射镜B，4、半透半反棱镜，5、波片，6a、入射光纤A，6b、入射光纤B，7、出射光纤，8、耦合球，9、被测孔，10、探针，11、偏振态检测装置A，12、偏振态检测装置B，13a、反射光路光轴A，13b、反射光路光轴B，14、反射光路光轴，15、计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

一种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，所述传感器包括激光器A1a、起偏器A2a、平面反射镜A3a、激光器B1b、起偏器B2b、平面反射镜B3b、半透半反棱镜4、波片5、探针10、偏振态检测装置A11、偏振态检测装置B12、计算机15，所述探针10由入射光纤A6a、入射光纤B6b、出射光纤7共三根光纤和一个耦合球8组成，所述入射光纤A6a与入射光纤B6b是两根平包层保偏光纤，入射光纤A6a与入射光纤B6b平行固定连接，且入射光纤A6a与入射光纤B6b的保偏方向相互垂直，所述出射光纤7为普通单模光纤，入射光纤A6a、入射光纤B6b和出射光纤7的一端与耦合球8固定连接，耦合球8作为探针10的触点；激光器A1a、起偏器A2a、平面反射镜A3a依次排列，激光器B1b、起偏器B2b、平面反射镜B3b依次排列，半透半反棱镜4、波片5、探针10依次排列，其中激光器A1a出射光通过起偏器A2a、经平面反射镜A3a反射后的光束光轴与入射光纤A6a入射光光轴重合，激光器B1b出射光通过起偏器B2b、经平面反射镜B3b反射后的光束光轴与入射光纤B6b入射光光轴重合，所述激光器A1a经起偏器A2a后的光束的偏振态与激光器b1b经起偏器B2b后的光束的偏振态相差90°，偏振态检测装置A11位于两束入射光第一次经半透半反棱镜4反射后的反射光路光轴A13a与反射光路光轴B13b之间的中心线上，偏振态检测装置B12位于探针10的出射光纤7的出射光通过波片5、经半透半反棱镜4反射后的反射光路光轴14上，通过数据线分别将偏振态检测装置A11和偏振态检测装置B12与计算机15相连，探针10置于被测孔9内；以所述偏振态检测装置A11检测到的光束的偏振态作为参考信号，以所述偏振态检测装置B12检测到的光束的偏振态作为检测信号，当检测信号的偏振态相对于参考信号的偏振态的差值发生变化时，探针10与被测孔9发生触测。

测量使用时：

由激光器A1a发出的光经起偏器A2a成为偏振光S光，S光经平面反射镜A3a反射后垂直入射到半透半反棱镜4，激光器B1b发出的光经起偏器B2b成为偏振光P光，P光经平面反射镜B3b反射后垂直入射到半透半反棱镜4，其S、P两束透射光经波片5后分别进入入射光纤A6a与入射光纤B6b后经耦合球8反射后由出射光纤7出射后，再次经过波片5，其偏振态相对于未两次经过波片5时的偏振态发生了90°变化，即S光转变为P光，P光转变为S光，光束两次经过波片5可以防止光束返回激光器A1a、B1b造成干扰，此时P光与S光经半透半反棱镜4反射后入射到偏振态检测装置B12上，偏振态检测装置B12检测到的光束的偏振态用作检测信号；在此过程中，由半透半反棱镜4第一次反射的S光、P光两束反射光入射到偏振态检测装置A11上，偏振态检测装置A11检测到的光束的偏振态用作参考信号；在探针10受触测变形时，将破坏保偏光纤的偏振保持特性，光纤中传输的光信号的偏振态会随形变量的大小而向其他偏振态转换，即当探针10受X方向触测变形时，将仅仅破坏入射光纤A6a中光束的偏振态，当探针10受Y方向触测变形时，将仅仅破坏入射光纤B6b中光束的偏振态。由此通过分析偏振态检测装置A11与偏振态检测装置B12所得的偏振态的差值的变化即可以判断是否发生触测；当探针10发生弯曲，即耦合球8与待测孔9发生触碰时，偏振态检测装置B12所接收到的光束的偏振态发生变化，即该光束的偏振态相对于偏振态检测装置A11检测到的参考偏振态的差值发生变化，将该变化作为测量信号，用于移动装置或实现测量装置测长。

Claims (1)

1.一种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，其特征在于：所述传感器包括激光器A(1a)、起偏器A(2a)、平面反射镜A(3a)、激光器B(1b)、起偏器B(2b)、平面反射镜B(3b)、半透半反棱镜(4)、波片(5)、探针(10)、偏振态检测装置A(11)、偏振态检测装置B(12)、计算机(15)，所述探针(10)由入射光纤A(6a)、入射光纤B(6b)、出射光纤(7)共三根光纤和一个耦合球(8)组成，所述入射光纤A(6a)与入射光纤B(6b)是两根平包层保偏光纤，入射光纤A(6a)与入射光纤B(6b)平行固定连接，且入射光纤A(6a)与入射光纤B(6b)的保偏方向相互垂直，所述出射光纤(7)为普通单模光纤，入射光纤A(6a)、入射光纤B(6b)和出射光纤(7)的一端与耦合球(8)固定连接，耦合球(8)作为探针(10)的触点；激光器A(1a)、起偏器A(2a)、平面反射镜A(3a)依次排列，激光器B(1b)、起偏器B(2b)、平面反射镜B(3b)依次排列，半透半反棱镜(4)、波片(5)、探针(10)依次排列，其中激光器A(1a)出射光通过起偏器A(2a)、经平面反射镜A(3a)反射后的光束光轴与入射光纤A(6a)入射光光轴重合，激光器B(1b)出射光通过起偏器B(2b)、经平面反射镜B(3b)反射后的光束光轴与入射光纤B(6b)入射光光轴重合，所述激光器A(1a)经起偏器A(2a)后的光束的偏振态与激光器b(1b)经起偏器B(2b)后的光束的偏振态相差90°，偏振态检测装置A(11)位于两束入射光第一次经半透半反棱镜(4)反射后的反射光路光轴A(13a)与反射光路光轴B(13b)之间的中心线上，偏振态检测装置B(12)位于探针(10)的出射光纤(7)的出射光通过波片(5)、经半透半反棱镜(4)反射后的反射光路光轴(14)上，通过数据线分别将偏振态检测装置A(11)和偏振态检测装置B(12)与计算机(15)相连，探针(10)置于被测孔(9)内；以所述偏振态检测装置A(11)检测到的光束的偏振态作为参考信号，以所述偏振态检测装置B(12)检测到的光束的偏振态作为检测信号，当检测信号的偏振态相对于参考信号的偏振态的差值发生变化时，探针(10)与被测孔(9)发生触测。