球内反射式光纤测头

　　1 引 言

　　随着现代精密测量技术朝着精密化、集成化和智能化方向发展，精密量仪的研究越来越突显其重要性。作为精密量仪的关键部件———测头[1]，其精度的高低很大程度决定了精密量仪的测量精度、工作性能、使用效率和柔性程度。目前使用于坐标测量机上的测头种类繁多，但其中触发式测头由于结构简单，应用最为广泛[2-5]。为了提高触发式测头的精度水平，国内外的学者们做了大量的研究工作，主要集中在 3 个方面: 一是测量方法的新探索; 二是测量结构的工艺改进; 三是测量软件算法方面的改进。但是目前触发式测头仍然存在结构上的各向异性、测杆变形等带来的误差问题。

　　非接触式测量是近几年来发展较快的技术[6-7]，视觉图像测量技术也逐渐应用于精密测量领域，如常见的激光扫描测头[8]、二维视觉图像测头[9]等，无论从测量原理还是误差分析，都取得了较好测量效果。同时光纤技术越来越普遍地应用于测头系统中。在微纳米生物测量领域中，光纤探针已经成为一个热门话题，而普通的测头也开始利用各种光纤原理提高精度。美国国家标准与技术研究院( NIST) 结合显微镜组，利用视像技术，通过测量光纤测杆的微位移作为判断触发信号设计了光纤式触发测头[10]，合肥工业大学曾采用光纤布拉格光栅作为传感器实现触碰发讯[11]。

　　日本 Takaaki Oiwa 和北京工业大学石照耀等人先后研究了一种三维触发式光纤测头[12-14]，此测头利用发射光纤发出的光照射在胶粘接的钢制测球上，通过外围反射光纤束接收反射回来的光，反射回的光分布变化即反映了测头触碰情况。虽然该结构解决了目前存在的如测杆弯曲等常见问题，但是该测头的结构中又引入一些新问题，如光纤束与钢球的粘接工艺及黏胶剂选材问题、钢球表面的反光效率问题等。

　　针对现有触发式测头存在的一些缺陷，充分利用非接触式测量中的光学原理与接触式触发原理优点，使两者相结合，本文在已有触发式光纤测头思想的基础上，提出一种新型球内反射式光纤测头，并实验验证了其有效性。

　　2 球内反射式光纤测头的原理

　　现有触发式光纤测头如图 1 所示，发射光纤发出的光照射在胶黏接的钢制测球上，通过外围反射光纤束接收反射回来的光，当钢球触碰被测物时，反射回的光分布就会发生变化，从而通过光纤传感器模块电路监测其变化并给出触发信号。但是该结构对光纤束与钢球的黏接部分要求较高，黏胶剂的选材、用量等将影响黏接部分的弹性程度及光在其中的折射路线，从而影响其测量精度。