專利名稱：接觸式光纖測頭測量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種接觸式光纖測頭測量方法和測量裝置結(jié)構(gòu)，屬于精密測 試技術(shù)與儀器和光學(xué)精密測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
測頭可視為傳感器，只是其結(jié)構(gòu)、功能較一般傳感器更為復(fù)雜。測頭的 兩大基本功能是測微(即測出與給定的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)值的偏差量)和觸發(fā)瞄準(zhǔn)并過 零發(fā)訊。
測頭是精密量儀的關(guān)鍵部件之一，作為傳感器提供被測工件的幾何信息， 其發(fā)展水平直接影響精密量儀的測量精度、工作性能、使用效率和柔性程度。 在目前廣泛使用的坐標(biāo)測量機中，測頭的設(shè)計和制造更決定了測量機的整體 性能。其發(fā)展歷史也表明，只有在精密測頭為其提供新的觸測原理、新的測 量精度后，精密量儀才能發(fā)生一次根本的變化。換言之，精密測頭是限制精 密量儀精度和速度的主要因素，精密量儀能否滿足現(xiàn)代測量要求也依賴于精 密測頭裝置的不斷創(chuàng)新與發(fā)展。因此，研制具有高精度、高性能的精密測頭 是實現(xiàn)精密測量的關(guān)鍵。
測頭的分類，按功能分為瞄準(zhǔn)測頭和測微測頭，按結(jié)構(gòu)原理分為機械式 測頭、電氣式測頭和光學(xué)測頭，按照測量方法又分為接觸式測頭和非接觸式 測頭，其中接觸式測頭又分為硬測頭和軟測頭。
從總體分析，目前的掃描式測頭精度較高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、價格 昂貴，影響了其普及應(yīng)用。其發(fā)展方向就是在不影響其精度和掃描速度的同時， 研制結(jié)構(gòu)簡單、成本低的新型、高精度掃描式測頭。非接觸測頭具有測量力 為零、測量效率高的優(yōu)點，得到越來越廣泛的應(yīng)用，但是由于受到被測物體 的形貌特征、輻射特性等影響，測量精度尚需提高，還無法取代接觸式測頭 在精密量儀中的位置。而接觸式測頭由于具有結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低及較高 的觸發(fā)精度等優(yōu)點，仍是三維測頭中應(yīng)用最廣泛的測頭。而其發(fā)展方向是尺 寸小、集成度高、精度高、各向異性小。自從1972年發(fā)明三叉式觸發(fā)測頭以來，其傳感方式不斷改進，目前的觸 發(fā)式測頭主要是通過判斷電子機械開關(guān)的通斷、壓電晶體的壓電效應(yīng)、應(yīng)變 片的形變等幾種方式觸發(fā)。各種觸發(fā)方式都有其優(yōu)缺點，電子機械開關(guān)觸發(fā) 式測頭結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強，但精度有限；壓電觸發(fā)式測頭靈敏度高、 結(jié)構(gòu)簡單，但易誤觸發(fā)；應(yīng)變片觸發(fā)式測頭測量力小、精度高，但易受外界 溫度影響；振動觸發(fā)式測頭測力小、使用范圍廣，但精度有限。綜合比較各 種觸發(fā)方式，都不能兼顧高精度、抗干擾強、適應(yīng)范圍廣等特點。最為關(guān)鍵 的是，無論采用哪種傳感方式，其觸發(fā)的本質(zhì)并未改變，仍是測端接觸被測 件帶動測桿偏移引起觸發(fā)，其存在的各向異性及測桿變形帶來的誤差，雖可 采用一定措施減少，但無法從根本上消除，成為制約其精度提高的主要障礙。
綜上所述，觸發(fā)式測頭應(yīng)用最廣，其進一步發(fā)展必須突破傳統(tǒng)的觸發(fā)模 式，從根本上消除各向異性和測桿變形對測量精度的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是突破目前傳統(tǒng)的觸發(fā)式測量原理，將非接觸式測量中的光學(xué) 原理與接觸式觸發(fā)原理相結(jié)合，產(chǎn)生一種新的觸測方法，該方法能解決現(xiàn)有 測頭的的缺陷，將精密測量帶入到一個新的高度。
本發(fā)明針對目前精密測量所用的測頭的原理缺陷，提出一種新的觸測原 理，其基本思想單色光光源的光通過單根光纖傳至遠(yuǎn)離光源端的光纖球， 然后通過光纖球外層的占有超半球面積的反射膜在光纖球內(nèi)部進行反射，然 后從接近接收光纖束端面的小半球表面出射，再進入外圍的接收光纖束，然
后經(jīng)過光學(xué)裝置后至圖像探測器(CCD)，再通過數(shù)字圖像處理技術(shù)來識別接收
來的光斑。如果前端光纖球觸碰到被測物，則會導(dǎo)致發(fā)射光纖在接收光纖束 端面處的部位發(fā)生彎曲變形，從而導(dǎo)致反射回來的光強發(fā)生變化，反映到光 斑圖像信息的變化，然后從光斑圖像變化信息提取被測物空間幾何量信息。 該方法最大的優(yōu)點是避免了在接觸式測量中普遍存在的各向異性和測桿變形 帶來的測量誤差，以及非接觸測量中對被測物表面要求高的缺陷，從而實現(xiàn) 了對傳統(tǒng)觸測方法的突破。
本發(fā)明提供了一種接觸式光纖測頭裝置，其特征在于，該裝置結(jié)構(gòu)如
下單色光光源l;在單色光光源一側(cè)，有一單根發(fā)射光纖5，該單根發(fā)射 光纖的遠(yuǎn)離光源端端頭是一個熔合的透明光纖球7，在光纖球7遠(yuǎn)離光源端的 超半球表面鍍上一層內(nèi)反射膜8，然后在發(fā)射光纖5外套上能使發(fā)射光纖5在管 內(nèi)自由活動的光滑套管4，光滑套管外圍是均勻分布且至少一層的多根接收光 纖3，接收光纖外圍是接收光纖束外包層2;在光滑套管接近光纖球端處內(nèi)嵌 一能自由伸縮的彈性復(fù)位裝置6，在彈性復(fù)位裝置外加起到封閉彈性復(fù)位裝置 6和固定發(fā)射光纖5作用的一個螺紋套管件12;在單色光光源l的另一側(cè)，依次 有透鏡組9，光闌IO，圖像探測器ll，計算機。
應(yīng)用上述接觸式光纖測頭裝置進行測量的方法，其特征在于，包括以下
7 1單色光光源1，發(fā)射出的光進入發(fā)射光纖5，到達(dá)發(fā)射光纖遠(yuǎn)離光源端 的光纖球7，在光纖球內(nèi)部發(fā)生折射后又被其外層的反射膜8反射，從光纖球 7接近接收光纖束端面的預(yù)留未鍍膜的表面部分出射，進入發(fā)射光纖5外圍均 勻分布的接收光纖3，傳送出來經(jīng)過透鏡組9以及光闌10后照射到圖像探測 器11上，圖像探測器11檢測到的原始光斑圖像再送入計算機進行圖像處理 與信息提取；
2.被測物與光纖球7進行觸碰，發(fā)射光纖5在發(fā)射光纖與光纖球連接部位 13發(fā)生彎曲變形，也就導(dǎo)致外圍接受光纖束接收到的反射光光強大小和分布 發(fā)生變化，同時圖像探測器ll接收到的光斑圖像也產(chǎn)生與原始光斑圖像的差 別，而且這種差別通過標(biāo)定技術(shù)定性或定量的獲取光纖球的空間幾何位置的 變化信息和被測物的信息。
更具體的方案如下
1)選用單色光光源l，可見光光源或者不可見光源都可以，主要是視 后端圖像探測器類型而定。
2) 選用一單根發(fā)射光纖5，將其遠(yuǎn)離光源端熔合成透明光纖球7，然后在 光纖球遠(yuǎn)離光源端的超半球表面鍍上一層內(nèi)反射膜8，反射膜不僅能對進入到 光纖球的光進行反射，而且能起保護作用，保護光纖測球表面不被被測物直 接接觸磨損。
3) 加工接收光纖束結(jié)構(gòu)，接收光纖束中心是一根能使發(fā)射光纖5在其內(nèi)自由活動的光滑套管4，而且在光滑套管接近光纖球端內(nèi)嵌一彈性復(fù)位裝置6， 然后用螺紋管套件12進行封閉固定處理。在光滑套管4的周圍均勻分布著接收 光纖3，然后再其最外層是接收光纖束外包層2。
4) 然后選取后端光學(xué)裝置裝置，包括透鏡組9、光闌10和圖像探測器11。
5) 單色光光源l，發(fā)射出的光進入發(fā)射光纖5，到達(dá)發(fā)射光纖遠(yuǎn)離光源端 的光纖球7，在光纖球內(nèi)部發(fā)生折射后又被其外層的反射膜8反射，最終從光 纖球7接近接收光纖束端面的預(yù)留未鍍膜的部分出射，進入外圍均勻分布的接 收光纖3，傳送出來經(jīng)過透鏡組9以及光闌10后照射到圖像探測器11上，圖像 探測器檢測到的圖像再送入PC機進行圖像處理與信息提取。
6) 光纖測球與被測物進行觸碰的瞬間，使具有一定韌性的發(fā)射光纖5在 發(fā)射光纖與光纖球連接部位13發(fā)生彎曲變形，以及光纖球7與接收光纖束端面 的距離也會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致從光纖球出射光的光強大小和分布都會發(fā)生 變化，也就導(dǎo)致外圍接受光纖束接收到的反射光光強大小和分布發(fā)生變化， 同時后端接收到的光斑圖像也會產(chǎn)生與原始光斑圖像的差別，而且這種差別 可以通過標(biāo)定技術(shù)定性或定量的獲取光纖球的空間幾何位置的變化信息，從 而達(dá)到測頭傳感器傳感測量的目的。
本發(fā)明首次將傳統(tǒng)而且普遍的觸發(fā)原理與光學(xué)間接測量以及機器視覺技 術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)一種新的觸測方法。該原理與目前已有的原理相比，具有許 多創(chuàng)新點，如下
1) 此原理完全脫離了傳統(tǒng)的三叉式等機械結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)完全的各向 同性，從而解決了目前普遍存在的各向異性的問題。
2) 該原理無需傳統(tǒng)測桿等前端結(jié)構(gòu)，只需要在接受光纖束端面處有一 個起固定作用的裝置即可，其后端都是可彎曲的光纖束結(jié)構(gòu)，從而解決了受 測桿彎曲等問題帶來的誤差影響，減少裝置誤差項。
3) 由于該原理使用的是光學(xué)檢測和機器視覺技術(shù)結(jié)合，通過圖像變化 判斷其觸碰，大大提高了測頭測量靈敏度；同時也就減小測頭觸碰測量力。
4) 該原理是基于光纖結(jié)構(gòu)，本身尺寸可以做到微米級，甚至更小，從 而克服了傳統(tǒng)測量中對微小結(jié)構(gòu)或者深孔的測量難度問題。5) 該原理也簡化了測頭的結(jié)構(gòu)，只需要在接受光纖束端面處有一個起 固定作用的裝置即可，其后端都是可彎曲的光纖束結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)前端與后 端圖像探測裝置的分開，不用像傳統(tǒng)測頭一定兩者固定連接，從而也給坐標(biāo) 測量機的結(jié)構(gòu)帶來很大的變化空間。


圖l為接觸式光纖測頭測量裝置與測量方法示意圖1、單色光光源，2、 接收光纖束外包層，3、反射光纖，4、光滑套管，5、發(fā)射光纖，6、彈性復(fù) 位裝置，7、光纖球，8、反射膜，9、透鏡組，10、光闌，11、圖像探測器， A、觸碰的方向為徑向，B、觸碰的方向為A與C之間的任意方向，C、觸碰的 方向為軸向，D-D、向上看的截面4， E、光纖式觸發(fā)測頭測端局部放大示 意圖。
圖2為接觸式光纖測頭測端局部放大示意圖E: 12、螺紋管套件，13、發(fā) 射光纖與光纖球連接部位。
圖3為接觸式光纖測頭接收光纖束截面示意圖D-D。
圖4為接觸式光纖測頭多層接收光纖束截面示意圖接收光纖3可以按 照多層次的均勻分布。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖l，圖2，圖3、圖4對本發(fā)明進一步說明 本發(fā)明首次將傳統(tǒng)而且普遍的觸發(fā)原理與光學(xué)間接測量以及機器視覺技 術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)一種新的觸測方法以及新的測頭結(jié)構(gòu)。其裝置示意圖如圖1 所示，主要包括光纖測頭部分和圖像接收部分。單色光光源1的選取，可見 或者不可見可以根據(jù)后端的圖像探測器類型確定，最好選取可見紅色或者綠 色單色光，對單根發(fā)射光纖5 (選取材質(zhì)為石英或者塑料的多模光纖，直徑在 市場現(xiàn)有的都可以，普遍直徑大于10/^)進行加工，首先需要將其遠(yuǎn)離光源 端熔為一透明光纖球7 (光纖球直徑視選取的發(fā)射光纖而定， 一般在22()/^ )， 然后需要對光纖球7的遠(yuǎn)離光源端超半球面積(此面積至少要超過赤道半球 面積)上利用鍍膜的方法(可選真空鍍或者化學(xué)鍍)鍍上一層金屬反射膜8
(此鍍膜均勻且厚度在1()，~25()戶范圍)，使其球內(nèi)表面達(dá)到鏡面反射。然 后還需要在圖3的螺紋管套件12的位置處對發(fā)射光纖5加工一個臺階(可以 采用薄套環(huán)固定在此)，以卡住彈性復(fù)位裝置6和固定發(fā)射光纖5遠(yuǎn)離光源端伸出接收光纖束的長度。在接收光纖束中心選取一根能使發(fā)射光纖5在其
內(nèi)自由活動的光滑套管4 (長度一般在5-20mm，材質(zhì)可以是金屬或者非金屬， 視加工難易而定，建議選取毛細(xì)玻璃管)，而且在光滑套管4接近光纖球端 加工形成一個端口帶有螺紋的內(nèi)臺階如圖3所示，使其能內(nèi)嵌一彈性復(fù)位裝 置6 (可選塑膠彈簧或者金屬彈簧)，然后用螺紋管套件12進行固定，使彈性 復(fù)位裝置6處于彈性勢能為0的狀態(tài)(即自然伸長狀態(tài))，此處的加工主要 是有利于其在C向的移動以及復(fù)位。
進行測頭前端的安裝。先螺紋管套件12倒向串到發(fā)if光纖5上，然后固 定發(fā)射光纖的臺階，再將選取的彈性復(fù)位裝置6從接受光源端穿過發(fā)射光纖5 直至臺階處，再將帶有臺階的發(fā)射光纖5從接收光纖束的接收端穿入直到毛 細(xì)玻璃管臺階處，然后旋進螺紋管套件12直到使塑膠彈簧處于自然伸長狀態(tài)。 至此，測頭前端安裝完畢。
測量過程。初始狀態(tài)下，首先將單色光光源1點亮，將光線引入發(fā)射光 纖5，直至光纖球7，然后經(jīng)過反射膜8反射，通過光纖球7接近接收光纖束 端面的預(yù)留未鍍膜的部分出射，返回到反射光纖3，出射的反射光經(jīng)透鏡組9 進行聚焦和光闌10光學(xué)處理后打到圖像探測器11上，形成光斑圖像(彩色 或者灰度，根據(jù)選取的圖像探測器而定)。在測量過程中，光纖測球與被測 物在不高于光纖球赤道平面各方向進行觸碰的瞬間，使具有一定韌性的發(fā)射 光纖5在圖2中的發(fā)射光纖與光纖球連接部位13發(fā)生彎曲變形，以及光纖球 7與接收光纖束端面的距離也會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致從光纖球出射光的光強大 小和分布都會發(fā)生變化，也就導(dǎo)致外圍接受光纖束接收到的反射光光強大小 和分布發(fā)生變化，同時后端接收到的光斑圖像也會產(chǎn)生與初始光斑圖像的差 別，而且這種差別可以通過標(biāo)定技術(shù)定性且定量的獲取光纖球的空間幾何位 置的變化信息，從而達(dá)到測頭傳感器傳感測量的目的。
權(quán)利要求
1.一種接觸式光纖測頭裝置，其特征在于，該裝置結(jié)構(gòu)如下單色光光源(1)；在單色光光源一側(cè)，有一單根發(fā)射光纖(5)，該單根發(fā)射光纖的遠(yuǎn)離光源端端頭是一個熔合的透明光纖球(7)，在光纖球(7)遠(yuǎn)離光源端的超半球表面鍍上一層內(nèi)反射膜(8)，然后在發(fā)射光纖(5)外套上能使發(fā)射光纖(5)在管內(nèi)自由活動的光滑套管(4)，光滑套管外圍是均勻分布且至少一層的多根接收光纖(3)，接收光纖外圍是接收光纖束外包層(2)；在光滑套管接近光纖球端處內(nèi)嵌一能自由伸縮的彈性復(fù)位裝置(6)，在彈性復(fù)位裝置外加起到封閉彈性復(fù)位裝置(6)和固定發(fā)射光纖(5)作用的一個螺紋套管件(12)；在單色光光源(1)的另一側(cè)，依次有透鏡組(9)，光闌(10)，圖像探測器(11)，計算機。
2.應(yīng)用權(quán)利要求1所述的接觸式光纖測頭裝置進行測量的方法，其特征 在于，包括以下步驟-1) 單色光光源(1)，發(fā)射出的光進入發(fā)射光纖(5)，到達(dá)發(fā)射光纖遠(yuǎn) 離光源端的光纖球(7)，在光纖球內(nèi)部發(fā)生折射后又被其外層的反射膜(8) 反射，從光纖球(7)接近接收光纖束端面的預(yù)留未鍍膜的表面部分出射，進 入發(fā)射光纖(5)外圍均勻分布的接收光纖(3)，傳送出來經(jīng)過透鏡組(9) 以及光闌(10)后照射到圖像探測器(11)上，圖像探測器(11)檢測到的 原始光斑圖像再送入計算機進行圖像處理與信息提取；2) 被測物與光纖球(7)進行觸碰，發(fā)射光纖(5)在發(fā)射光纖與光纖球 連接部位(13)發(fā)生彎曲變形，也就導(dǎo)致外圍接受光纖束接收到的反射光光 強大小和分布發(fā)生變化，同時圖像探測器(11)接收到的光斑圖像也產(chǎn)生與 原始光斑圖像的差別，而且這種差別通過標(biāo)定技術(shù)定性或定量的獲取光纖球 的空間幾何位置的變化信息和被測物的信息。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種接觸式光纖測頭測量方法與裝置，屬于精密測試技術(shù)與儀器和光學(xué)精密測量領(lǐng)域。其基本思想單色光光源的光通過單根光纖傳至遠(yuǎn)離端光纖球，然后通過光纖球外層的反射膜反射回來，再進入外圍的接收光纖束，然后經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)至后端的圖像探測器，再通過數(shù)字圖像處理來識別接收來的光斑，如果前端光纖球觸碰到被測物，則會導(dǎo)致發(fā)射光纖發(fā)生彎曲變形，從而導(dǎo)致反射回來的光的光強發(fā)生變化，反映到光斑圖像的變化，從光斑變化信息提取被測物空間幾何量信息。該方法克服了接觸式測量的各向異性和測桿變形帶來的測量誤差，以及非接觸測量中對被測物表面要求高的缺陷。
文檔編號G01B11/24GK101586942SQ20091008771
公開日2009年11月25日 申請日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者向大超, 石照耀, 蔡軼珩 申請人:北京工業(yè)大學(xué)