复杂轮廓表面光纤数字化系统

　　1引言

　　复杂轮廓表面，尤其是复杂内轮廓表面的非接触数字化检测已经成为制造和测量行业的一个瓶颈问题。其难点在于复杂轮廓表面的形状特异、空间狭小、尤其对复杂内轮廓的测量，至今还没有一个通用、有效的非接触测量手段。为此，国内外也都在进行理论和实验研究[1~3]。实现本文光纤测量系统的一些关键技术及理论分析已经另文发表[4,5]，这里对其实验系统的构成及实验结果加以研究和分析。以便系统应用于工程之中。

　　研制的复杂轮廓表面形状的光纤测量系统具有非接触式扫描、测量精度高、横向分辨力高、性能稳定等优点;探头可用于工况环境恶劣、电磁干扰严重的车间、现场等;且使用方便、结构紧凑。

　　2实验系统的构成

　　测量实验系统的原理构成如图1所示。由具有慢启动、过流保护、自动功率控制和温度补偿等功能的半导体激光器(LD)驱动模块驱动LD发出的激光，经过藕合器件藕合入发射照明光纤中。经被测表面反射后，由排列成同心圆结构的两路接收光纤同时接收反射光。传感头结构如图2所示。探头结构简单，制作容易。在两个半圆柱体的平面一侧，加工出能使光纤束嵌入的沟槽，并在端部弯曲。将光纤束置入后，将两个半圆柱合并固紧即可。在探头的底部还装有防止探头与工件端部或工作台发生碰撞的光电接近开关，当探头接近工件端部或工作台表面时，光电接近传感器发出中断信号，停止扫描运动。

　　工作台可以提供三个方向的直线运动和转动，由花岗岩气浮导轨支撑。从而保证了工作台运动平稳和较高的直线度。

　　传感器接收到的两路信号，经过光电转换及前置放大后，通过同步采样保持送入数据采集系统并进行处理。

　　3稳定性、分辨力与定位精度实验

　　在光纤传感测量系统应用之前，需要对其位移特性进行标定。首先对数据采集系统的稳定性进行了监测，其中一组检测结果如图3所示。在不同的位移下进行了大量的实验。结果表明，系统运行可靠，稳定性优于0.15%。借助于HP5528A双频激光干涉仪提供位移参考标准，对传感器分辨力和定位精度分别进行了测定。选取合适的工作区段，由微位移进给装置(本实验采用步进电机及精密丝杠驱动的微动导轨平台，步距0. 8μm)实现工件的微位移运动。由于每一个数据采集时间很短，所以事先进行了短时间l10s内(远大于每个数据点的采样时间)的系统稳定性实验，大量的实验证明，在短时间内，系统的输出稳定性好于0. 2mV。这样，可以认为，只要输入变化量引起输出变化0. 2mV,即可认为此时的位移变化量即为最小分辨力。实验共进行5次，其中一组测试实验数据如表1.测量结果表明，平均每有0. 8μm的位移输入，引起0. 44mV的输出变化量，则系统的分辨力可以达到0. 4μm 。