光纤F-P干涉传感器进行精密表面粗糙度测量原理探讨

　　1　引　　言

　　利用光学方法进行表面粗糙度测量除了传统的光切法(在一个截面轮廓上测量粗糙度参数),还有光反射法、激光散斑等(局部面积上综合评定)。随着机电一体化和尖端科技的发展,对精加工、超精加工表面的要求日益增加,其表面粗糙度测量也日趋精密和迫切。因此就不断有更先进的测试原理技术、方法出现和发展。象光纤探针法[1]、光学干涉法[2～4]。由.C.Huang.1984年首先提出光外差干涉轮廓仪(OPT.Eng.V23)。它的基本原理是外差干涉原理通过测量相位获得表面粗糙度。这类光外差干涉轮廓仪的缺陷是光路复杂,且需要两次混频处理引入的误差较大,影响其测量精度。利用多模、单模 [1]光纤探针法进行粗糙度测量,改变了光学方法只能进行局部面积上综合粗糙度评定,从而使光学测量方法接近了机械式轮廓仪,直接给出了粗糙度测量参数。但它仍属于光纤强度型传感器测量方式。测量精度受到光源、探测器等因素的影响。在此基础上,借鉴光干涉测距的原理,我们提出利用光纤F—P干涉仪的高精度测距原理[4],对精加工或超精加工表面进行粗糙度测量方法。

　　2　光纤F—P干涉传感器进行粗糙度测量原理

　　2.1　光纤F-P干涉传感器(FFPI)测距原理

　　利用光纤F-P干涉传感器可进行连续距离的测量。其基本原理是光纤端面与被测表面形成的F-P干涉谐振腔,激光在此谐振腔产生振荡,经光纤返回形成干涉,并被光电探测器接收,当谐振腔距离连续变化时形成干涉条纹变化。通过计数(细分)可得出移动距离。

　　对于反射式F-P腔,当谐振腔反射率较低并接近时其光强输出可近似为:[3]

　　可见光强近似随位移d变化而作余弦变化。那么采用F-P法测量粗糙度,是利用光纤探针端面和被测表面的峰/谷形成F-P腔体进行干涉测量高度变化,按照这样的模型,其形成的腔体是不连续的。那么无法采用上述方法。但从上述可知干涉光强的相位差与腔体长度有关,又与使用波长λ有关。因此,利用双腔比较[4]的思想进行波长扫描,借助双光纤f—p干涉仪FFPI进行绝对距离测量,实现粗糙表面高度的测量。

　　2.2　双F—P腔光纤干涉仪测距原理

　　其原理框如图1。光源出射光信号,经两级3dB耦合器分别进入光纤F-P参考干涉仪和传感干涉仪。对于某一波长,当传感光纤与被测表面形成谐振腔是(峰/谷)有两路干涉条纹分别被光接收器PD1,PD2接收:

　　ΦS=4πds/λ　ΦR=4πdR/λ

　　前面连续测距原理是光源中心波长λ0不变,而d连续变化使相位差变化,现在当dR确定而要求dS时,可令λ变化,我们求出: