本發(fā)明涉及光纖傳感器，尤其涉及一種光纖研磨方法及研磨加工裝置。

背景技術(shù)：

1、光纖壓力傳感器具有抗電磁干擾、耐高溫耐腐蝕、復(fù)用能力強(qiáng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)，因此在諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。但在一些使用領(lǐng)域中，如地震監(jiān)測(cè)、結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)、醫(yī)療設(shè)備和水下目標(biāo)探測(cè)等，對(duì)其壓力靈敏度會(huì)有更高的要求。對(duì)于壓力測(cè)量常用的光纖傳感器是基于f-p腔的膜片式光纖壓力傳感器，通過其結(jié)構(gòu)中對(duì)壓力敏感的膜片實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量。膜片式光纖壓力傳感器的壓力靈敏度與膜片厚度的三次方成反比，故當(dāng)f-p傳感器的膜片越薄時(shí)，f-p傳感器的壓力靈敏度將會(huì)顯著提高。

2、目前有許多不同的制造方法對(duì)f-p傳感器的膜片進(jìn)行減薄，以提高傳感器的壓力靈敏度。目前的主要加工方法包括飛秒激光加工，化學(xué)腐蝕法和研磨法。其中飛秒激光加工會(huì)對(duì)光纖本身造成一定損傷，傳感器易在沖擊波測(cè)量過程中造成損壞，且飛秒激光加工設(shè)備較為昂貴，使得傳感器的制作成本較高。在化學(xué)腐蝕法中，由于纖芯的腐蝕速率要快于包層，因此在化學(xué)腐蝕過程中，膜片的中心會(huì)留下一個(gè)孔洞，中心的孔洞會(huì)導(dǎo)致膜片在過薄時(shí)發(fā)生穿孔的現(xiàn)象，導(dǎo)致膜片的厚度很難被腐蝕到一個(gè)比較小的范圍，孔洞的存在也會(huì)使得f-p傳感器的膜片表面質(zhì)量下降，影響傳感器使用性能，這對(duì)傳感器的靈敏度提升十分不利。

3、使用研磨機(jī)對(duì)f-p傳感器膜片進(jìn)行研磨的方法能夠克服飛秒激光加工法對(duì)光纖造成損傷、制作成本高的缺點(diǎn)，也能夠克服化學(xué)腐蝕法腐蝕不均勻?qū)е履て砻尜|(zhì)量下降這一缺點(diǎn)。

4、現(xiàn)有授權(quán)公告號(hào)為cn113334198b的發(fā)明專利，公開了一種基于傘狀結(jié)構(gòu)裝夾的光纖端面研磨系統(tǒng)，包括研磨裝置和夾持裝置；研磨裝置包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和研磨轉(zhuǎn)盤，研磨轉(zhuǎn)盤與驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)連接，且遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)電機(jī)的端面上設(shè)置有研磨砂紙；夾持裝置包括直線往復(fù)機(jī)構(gòu)和多個(gè)連桿，連桿上設(shè)置有夾持座。在實(shí)際應(yīng)用過程中，直線往復(fù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)末端設(shè)置有多個(gè)連桿，以通過多個(gè)連桿上對(duì)應(yīng)設(shè)置的多個(gè)夾持座同時(shí)夾持多根光纖，由直線往復(fù)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，使被夾持的光纖端面貼合研磨砂紙，并在研磨砂紙的中心至邊緣之間做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，從而提高光纖的研磨效率，且通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)研磨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，即帶動(dòng)研磨砂紙相對(duì)于光纖轉(zhuǎn)動(dòng)，從而提高研磨砂紙的利用率；

5、如上述技術(shù)方案中，光纖在研磨過程中，會(huì)在連桿的帶動(dòng)下沿砂紙的徑向進(jìn)行移動(dòng)，但光纖采用研磨加工方式，本身精度就偏低，輔以上述研磨動(dòng)作后，會(huì)由于位移產(chǎn)生的晃動(dòng)、連桿擺動(dòng)的不可控性，進(jìn)一步造成光纖研磨精度控制難度增大的問題，影響光纖的加工精度；

6、此外，其技術(shù)方案中是多根光纖同時(shí)研磨，然而在對(duì)光纖腔長厚度進(jìn)行加工時(shí)，受于光纖裝夾、形變等因素的影響，很難保證所有光纖同時(shí)達(dá)到研磨要求，這進(jìn)一步的提高了研磨難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提出了一種可有效保證光纖研磨精度、加工便利的光纖研磨方法及研磨加工裝置，以解決現(xiàn)有光纖研磨裝置存在研磨精度低、難以保證所有光纖同時(shí)達(dá)到研磨精度的問題。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、一方面，本發(fā)明提供了一種光纖研磨方法，包括以下步驟：

4、s11、設(shè)置三軸位移機(jī)構(gòu)和研磨盤用于光纖的研磨工作，以上位機(jī)對(duì)三軸位移機(jī)構(gòu)和研磨盤進(jìn)行電性控制，

5、s12、在三軸位移機(jī)構(gòu)上設(shè)置夾持組件，在夾持組件上安裝光纖傳感器，三軸位移機(jī)構(gòu)帶動(dòng)光纖傳感器移動(dòng)，以靠近或遠(yuǎn)離研磨盤，

6、s13、在光纖傳感器靠近研磨盤時(shí)，確定初始研磨點(diǎn)位，通過研磨盤對(duì)光纖傳感器的端部進(jìn)行研磨；

7、其中，在研磨過程中，以寬帶光源、光學(xué)環(huán)形器和光譜儀組成解調(diào)系統(tǒng)，以檢測(cè)光纖光譜信息并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)通過解調(diào)算法對(duì)研磨厚度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并與三軸位移機(jī)構(gòu)和研磨盤通過硬件模塊建立通訊，之后根據(jù)研磨厚度檢測(cè)信息控制三軸位移機(jī)構(gòu)和研磨盤的動(dòng)作。

8、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，研磨厚度通過峰值數(shù)目進(jìn)行計(jì)算，其步驟為：

9、設(shè)置光纖傳感器，將傳感器膜片視為固體腔，三個(gè)反射面形成了兩個(gè)f-p腔，入射光在3個(gè)反射面間發(fā)生不同程度的反射與透射，最終反射光相互疊加干涉，形成光譜，三個(gè)反射面依次記作m1、m2和m3，其干涉后形成的反射光的強(qiáng)度表示為：

10、

11、式中：為輸出光強(qiáng)度；、、分別為反射面m1、m2和m3處的反射率；為輸出波長；，為f-p固體腔和f-p空芯腔的介質(zhì)的折射率；、分別為f-p固體腔和f-p空芯腔的腔長；為圓周率；為余弦函數(shù)；

12、其中f-p固體腔的干涉信號(hào)為：

13、

14、式中，、分別為反射面m1和m2處的反射率；為f-p固體腔的介質(zhì)的折射率；為f-p固體腔的腔長；為圓周率；為余弦函數(shù)；為輸出波長；

15、在考慮半波損失的情況下，初相位為，當(dāng)相位差時(shí)，干涉相消可得研磨過程中f-p固體腔的腔長減少表達(dá)式為：

16、

17、式中，為干涉級(jí)次，即f-p傳感器在研磨過程中產(chǎn)生的實(shí)際包絡(luò)數(shù)目；為f-p固體腔的介質(zhì)的折射率，；為輸出波長；為f-p固體腔的腔長減少量；為圓周率；

18、通過腔長減少量對(duì)研磨厚度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

19、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，初始研磨點(diǎn)位，通過f-p空芯腔受壓后的腔長變化進(jìn)行確定，其步驟為：

20、根據(jù)楊氏模量的定義：

21、

22、式中，e是楊氏模量；f是施加的壓力；s是有效受力橫截面的面積；l是f-p空芯腔的長度；δl是f-p空芯腔腔長的改變量；這個(gè)方程可以變換為：

23、

24、式中，e是楊氏模量；f是施加的壓力；s是有效受力橫截面的面積；l是f-p空芯腔的長度；δl是f-p空芯腔腔長的改變量；

25、當(dāng)研磨盤所受壓力發(fā)生變化時(shí)，光纖傳感器f-p空芯腔的腔長也會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)光纖傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定之后，公式中的e、s、l為確定的值，f-p空芯腔腔長的變化量與光纖所受的壓力成正比；

26、根據(jù)上述的光纖f-p傳感器干涉理論公式，當(dāng)傳感器膜片接觸研磨盤，在光纖傳感器的端部受壓后，f-p空芯腔腔長發(fā)生變化，光譜波形向右漂移，通過光譜波形某一波峰的漂移量得到此時(shí)光纖傳感器端部所受到的壓力值，當(dāng)光纖f-p傳感器達(dá)到預(yù)設(shè)壓力值時(shí)，作為光纖傳感器的研磨初始點(diǎn)。

27、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，在研磨厚度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)步驟中，通過解調(diào)算法處理信號(hào)，其步驟為：

28、s21、對(duì)雙f-p干涉信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換得到兩個(gè)主峰，濾波器分離后得到f-p空芯腔幅頻特性和f-p固體腔幅頻特性，對(duì)f-p固體腔幅頻特性進(jìn)行傅里葉逆變換得到f-p固體腔干涉光譜信號(hào)，對(duì)f-p空芯腔幅頻特性進(jìn)行傅里葉逆變換得到f-p空芯腔干涉光譜信號(hào)；

29、s22、通過尋峰算法找到某一波峰所對(duì)應(yīng)的波長值，通過上述的f-p空芯腔受壓后的腔長變化的理論公式，則可利用光譜波形該波峰的漂移量得到此時(shí)光纖傳感器端部所受到的壓力值；

30、s23、采用濾波器對(duì)所得到的f-p固體腔干涉光譜信號(hào)進(jìn)行濾波，得到特定波長下的干涉信號(hào)；

31、s24、研磨過程中由于f-p固體腔的腔長的減小導(dǎo)致光譜信號(hào)發(fā)生變化，對(duì)此過程中產(chǎn)生的光譜信號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、歸一化的前處理，以得到幅值處處相等的光譜信號(hào)，對(duì)前處理后的光譜信號(hào)進(jìn)行去噪處理，得到平滑的光譜信號(hào)；

32、s25、采用尋峰算法檢測(cè)一個(gè)包絡(luò)是否出現(xiàn)兩個(gè)峰值，去掉多余峰值數(shù)目，得到實(shí)際包絡(luò)數(shù)；

33、s26、式中，為通過顯微鏡測(cè)得f-p固體腔的初始厚度，為研磨過程中f-p固體腔的腔長減少表達(dá)式；為f-p固體腔的介質(zhì)的折射率，為干涉級(jí)次，即f-p傳感器在研磨過程中產(chǎn)生的實(shí)際包絡(luò)數(shù)目。

34、另一方面，本發(fā)明提出了一種研磨加工裝置，應(yīng)用于上述的光纖研磨方法，包括三軸位移機(jī)構(gòu)、研磨盤、模塊機(jī)架、夾持組件和調(diào)節(jié)鎖止件，其中，

35、三軸位移機(jī)構(gòu)設(shè)置在研磨盤的一側(cè)；

36、模塊機(jī)架為筒狀結(jié)構(gòu)，模塊機(jī)架的周面分為平面和弧形面，平面與三軸位移機(jī)構(gòu)相連接；

37、夾持組件環(huán)繞弧形面設(shè)置有多個(gè)，并與模塊機(jī)架插接，夾持組件用于夾持光纖傳感器；

38、調(diào)節(jié)鎖止件設(shè)置在模塊機(jī)架上，調(diào)節(jié)鎖止件用于將夾持組件保持在研磨高度或待機(jī)高度；

39、研磨盤對(duì)光纖進(jìn)行研磨時(shí)，通過解調(diào)系統(tǒng)檢測(cè)光纖光譜信息并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)傳輸給上位機(jī)，以通過上位機(jī)控制三軸位移機(jī)構(gòu)的進(jìn)給量；

40、在任一光纖傳感器的腔長達(dá)到目標(biāo)厚度時(shí)，調(diào)節(jié)鎖止件彈起夾持光纖傳感器的夾持組件，對(duì)應(yīng)的夾持組件位于待機(jī)高度。

41、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，模塊機(jī)架包括筒體、隔板、套筒和蓋板，其中，

42、平面和弧形面設(shè)置在筒體上；

43、隔板設(shè)置在筒體內(nèi)，將筒體的內(nèi)腔分隔為頂腔和底腔；

44、套筒穿過隔板，夾持組件與套筒插接；

45、蓋板設(shè)置在筒體上，以密封頂腔，且蓋板對(duì)應(yīng)套筒開設(shè)有第一槽口；

46、調(diào)節(jié)鎖止件設(shè)置在頂腔內(nèi)，且調(diào)節(jié)鎖止件的調(diào)節(jié)端貫穿蓋板。

47、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，夾持組件包括固定座、內(nèi)管、螺栓、底夾、插芯和頂夾，其中，

48、固定座插接在套筒內(nèi)，且固定座的一側(cè)設(shè)置有第一開口；

49、內(nèi)管設(shè)置在固定座內(nèi)，且內(nèi)管對(duì)應(yīng)第一開口設(shè)置有第二開口；

50、螺栓與固定座螺紋連接，且螺栓穿過固定座并抵持內(nèi)管；

51、底夾設(shè)置在內(nèi)管的下端，插芯設(shè)置在底夾內(nèi)，且插芯與內(nèi)管插接，并對(duì)應(yīng)第二開口設(shè)置有第三開口；

52、底夾用于擠壓插芯，以對(duì)光纖傳感器的一個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行夾持；

53、頂夾設(shè)置在內(nèi)管的上端，頂夾用于對(duì)光纖傳感器的一個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行夾持，并控制光纖傳感器進(jìn)給。

54、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，底夾包括錐夾和錐套，插芯包括連續(xù)的插接段、過渡段和夾持段，其中，

55、內(nèi)管的底端設(shè)置有第一錐面，并開設(shè)有第一定位槽；

56、插接段插接在第一定位槽內(nèi)，過渡段設(shè)置有與第一錐面相連續(xù)的第二錐面，過渡段和夾持段均位于內(nèi)管的外側(cè)；

57、錐夾套設(shè)在插芯上，錐夾的頂面抵持第一錐面，且錐夾的內(nèi)壁與過渡段及夾持段之間留有間隙；

58、錐夾的周面開設(shè)有多個(gè)第二槽口，以形成多個(gè)弧板，其中一個(gè)弧板封閉第三開口的側(cè)面；

59、錐套套設(shè)在內(nèi)管和錐夾上，且錐套與內(nèi)管通過螺紋相連接；

60、錐套旋緊時(shí)，錐夾與夾持段遠(yuǎn)離內(nèi)管的端部相接觸。

61、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，頂夾包括夾座、夾板、第一彈簧、第一夾輥、第二夾輥和旋轉(zhuǎn)件，其中，

62、夾座開設(shè)有第二定位槽，且夾座對(duì)應(yīng)第二開口開設(shè)有通槽，以將夾座分割為相連接的固定板和定位板；

63、內(nèi)管遠(yuǎn)離底夾一端插接在第二定位槽內(nèi)；

64、定位板設(shè)置有凸臺(tái)和插槽，夾板的中段與凸臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)連接；

65、第一彈簧的一端插接在插槽內(nèi)，另一端抵持夾板的低端，第二定位槽對(duì)應(yīng)插槽設(shè)置有平面部；

66、第一夾輥轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)置在固定板上；

67、第二夾輥通過旋轉(zhuǎn)件與夾板轉(zhuǎn)動(dòng)連接，且第二夾輥與旋轉(zhuǎn)件相對(duì)周向限位。

68、在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選的，調(diào)節(jié)鎖止件包括第二彈簧、轉(zhuǎn)軸、壓蓋、撥桿、舵機(jī)、限位桿和限位塊，其中，

69、第二彈簧設(shè)置在套筒內(nèi)；

70、轉(zhuǎn)軸設(shè)置在隔板上；

71、壓蓋的中段與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接；

72、撥桿設(shè)置在壓蓋的一端上，且撥桿貫穿蓋板，蓋板對(duì)應(yīng)撥桿開設(shè)有弧形槽；

73、舵機(jī)設(shè)置在隔板上；

74、限位桿與舵機(jī)的主軸相連接；

75、限位塊設(shè)置在舵機(jī)上；

76、研磨加工裝置研磨時(shí)，限位塊對(duì)限位桿限位，壓蓋封閉套筒的頂端，使夾持組件保持研磨高度；

77、研磨加工裝置結(jié)束研磨時(shí)，限位桿處于調(diào)節(jié)位，壓蓋解除對(duì)套筒的封閉，第二彈簧彈起夾持組件，使夾持組件保持待機(jī)高度。

78、本發(fā)明的光纖研磨方法及研磨加工裝置相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果：

79、（1）本加工方法利用f-p傳感器膜片厚度解調(diào)算法，通過離散傅里葉變換將干涉光譜信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域，利用濾波器技術(shù)分離和識(shí)別出固體腔（膜片）的特定波長下的光譜信號(hào)，并通過傅里葉逆變換將信號(hào)轉(zhuǎn)換回時(shí)間域，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化歸一化和去噪處理，以平滑光譜圖并精確尋峰，進(jìn)而通過理論公式計(jì)算出固體腔（膜片）的實(shí)時(shí)厚度；如此實(shí)現(xiàn)了研磨過程中的腔長厚度的在線監(jiān)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)單一光纖的研磨控制，同時(shí)保證了光纖的研磨加工精度及效率；

80、（2）本研磨加工裝置，通過設(shè)置調(diào)節(jié)鎖止件，其可控制夾持組件的位置，如此在通過解調(diào)系統(tǒng)及上位機(jī)的協(xié)同作用下，判斷單一光纖達(dá)到目標(biāo)研磨厚度時(shí)，調(diào)節(jié)鎖止件可將對(duì)應(yīng)的夾持組件調(diào)節(jié)至待機(jī)高度，以避免光纖繼續(xù)研磨；而其他夾持組件上的光纖依舊繼續(xù)研磨，直至達(dá)到目標(biāo)厚度；如此本裝置實(shí)現(xiàn)了在多根光纖同時(shí)研磨時(shí)的厚度精準(zhǔn)控制，提高了加工精度，且保證了研磨效率；

81、（3）用于安裝夾持組件的模塊機(jī)架由筒體、隔板、套筒和蓋板組成，其整體為中空結(jié)構(gòu)，如此在三軸位移機(jī)構(gòu)帶動(dòng)模塊機(jī)架進(jìn)行動(dòng)作時(shí)，可降低負(fù)載慣性，以保證三軸位移機(jī)構(gòu)的位移精度，進(jìn)而保證光纖研磨加工精度；

82、（4）在夾持組件中，其設(shè)置有頂夾和底夾兩部分，可對(duì)光纖傳感器進(jìn)行雙點(diǎn)夾持，以減少光纖傳感器的晃動(dòng)，進(jìn)而充分保證夾持穩(wěn)定性；同時(shí)頂夾還用于控制光纖傳感器的進(jìn)給，如此其同步實(shí)現(xiàn)了夾持定位和進(jìn)給控制，可保證光纖傳感器具有精準(zhǔn)的進(jìn)給量，以保證加工精度；

83、（5）夾持組件的底夾包括錐夾和錐套兩部分，且在底夾內(nèi)設(shè)置有插芯，在進(jìn)行裝配時(shí)，錐夾與內(nèi)管的第一錐面相配合，并與插芯之間留有間隙，僅在安裝錐套進(jìn)行夾持固定時(shí)，錐夾的端部才會(huì)與插芯的端部進(jìn)行接觸，如此可防止出現(xiàn)接觸面過大導(dǎo)致光纖傳感器夾持受力不均的問題，以避免影響加工精度；且插芯為可拆卸結(jié)構(gòu)，如此方便進(jìn)行檢修更換，也方便針對(duì)光纖適應(yīng)性的進(jìn)行結(jié)構(gòu)或材料上的調(diào)整；

84、（6）在調(diào)節(jié)鎖止件中，其通過壓蓋對(duì)夾持組件進(jìn)行壓持固定，并通過舵機(jī)上的限位桿及限位塊實(shí)現(xiàn)定位，而在光纖達(dá)到研磨要求后，舵機(jī)則可通過限位桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，使壓蓋解除對(duì)夾持組件的壓持，此時(shí)夾持組件便會(huì)被第二彈簧彈起，保持在待機(jī)高度，以避免繼續(xù)研磨，從而保證研磨精度。