专利名称：光纤布拉格光栅fbg三维测头的制作方法
技术领域：
本发明涉及三维测头，更具体地说是一种应用于复杂形状测量机中的触发式测头。
背景技术：
触发式测头是三维测头中应用最为广泛的测头，最早的触发测头是由英国Renishaw公 司研制。触发测头的测量原理是当测头测端与被测工件接触时，测头发出采样脉冲信号， 并通过测量机的定位系统锁存此时测端球心的坐标值，以此来确定测端与被测工件接触点的 坐标。已有的触发式测头采用弹簧力作用的机械结构，当测杆和工件接触产生的接触力可以 抵消弹簧力时，触发机构的机械触点脱离接触，从而发出触发信号。由于采用不对称的结构， 这种结构形式的测头在各方向的测量力不一样(各向异性)；由于采用弹簧力作用，使测头 需要较大的触发力，给测杆带来很大的变形误差；由于传感系统采用机械触点式，分辨力低， 因而大大限制了测头分辨力进一步提高。
一种基于"免形状测量原理"的复杂形状测量机，主要用于对复杂形状零件(如齿轮) 的测量。测球直径不能太大，否则会带来很大的"畸变"误差；在一次测量中要从各个方向 接触工件，所以对测头的各向灵敏度一致性要求很高；复杂形状测量机也用于测量细孔、槽 类零件，因此测头的测杆不能太粗；而很细的测杆刚度小，因此测量力不能太大；为了达到 高的测量精度，必须提高测头的分辨力。但是，针对这些要求，目前没有能满足的测头。
光纤布拉格光栅FBG是一种新型的传感元件。它具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、结 构简单、尺寸小等特点。它的传感原理为宽带光源射入FBG时，符合FBG中心波长的光被反 射回来，而其他波长的光透射过去。FBG的中心波长是由FBG的周期和折射率决定的，FBG 的轴向应变能改变它的周期。因此，当FBG受到轴向应变时，它的中心波长发生变化，用相 应的探测设备，能够分辨出这个变化。目前，FBG的应用在其他领域中已经广泛，如对大桥、 大坝的健康以及航天设备的检测，但是，迄今为止，光纤布拉格光栅FBG还没有在三维测头 中进行应用。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，利用均布悬丝柔性支撑系统的阻力 小、对称性好，FBG的灵敏度高、质量轻，测针细等优点，提供一种具有各向同性好、分辨 力高、触发力小、畸变误差小的光纤布拉格光栅FBG三维测头。
本发明解决技术问题采用如下技术方案
本发明光纤布拉格光栅FBG三维测头的结构特点是采用具有端部测球的测杆，测杆以顶端固联在支架的中心，测杆与支架呈"T"形设置，支架是在同一平面上120°均匀分布的三 根叉杆，构成柔性支撑系统的三根悬丝一端固定连接在支架的中心，另一端以120°的间隔 固定连接在处在支架外周的支撑圈上，支架和支撑圈处在同一水平面上，光纤布拉格光栅 FBG的一端固定连接在所述支架的叉杆端部，另一端固定连接在处在支架的正上方的水平固 定架上。
参照图2 (a)，激光从宽带光源ll出射，经过2X3耦合器12进入到三根传感FBG 13 中，从传感FBG 13反射回来的光经过2X3耦合器12后，经过另一个2X 2耦合器14进入 匹配FBG 15，从匹配FBG反射回来的光经过2 X 2耦合器14后进入探测器16，探测器结果 由处理系统17进行处理。
参照图2(b)，当传感FBG和匹配FBG均未发生应变时，它们的中心波长一致，因此， 探测器接收到的光强最强为Ei，当传感FBG发生应变，并且中心波长变化AA时，由于匹配 FBG没有发生变化，所以，探测器接收到的光强为E"并且E,〉E2。
测量原理
FBG波长^取决于光栅周期A和纤芯有效折射率w,。 应力引起FBG中心波长漂移可由下式描述
式中 AA为光纤本身在应力作用下的弹性形变
A ,一光纤的弹光效应引起的有效折射率的变化
当光纤布拉格光栅FBG受到轴向应变时，中心波长将发生变化，中心波长的变化导致 探测器接收到的能量变化，根据探测器的输出结果，系统作出是否发讯的判断。 与已有技术相比，本发明有益效果体现在
1、 本发明中采用光纤布拉格光栅FBG作为传感元件，对轴向应变灵敏度高，可以从根 本上提高测头的分辨力；
2、 本发明中具有端部测球的测杆为细杆件，直径仅为0.5mm，能有效的减小测球带来 的"畸变"误差，并满足细孔和槽零件的测量；
3、 本发明因采用均布的悬丝支撑系统，结构具有的力学对称性，各向同性精度得到提
咼；
4、 本发明中柔性支撑系统阻力小，因而减小了测头的触发力，减小因测杆和支架变形带来的误差；采用的柔性支撑系统质量轻，测头动态响应好。
图1为本发明测头结构原理图。
图2a为本发明测头传感系统简图；图2b为本发明传感原理简图。 图3a为本发明X、 Y向测量过程示意图；图3b为本发明Z向测量过程示意图。 图4为本发明整体结构图。
图5a为本发明测力实验示意图；图5b为本发明测力实验结果示意图。 图6本发明测头分辨力实验结果图。
图7a本发明测头结构重复性示意图；图7b为本发明测头传感系统重复性实验结果示意图。 以下通过具体实施方式
，结合附图对本发明作进一步说明。
图中标号l测杆、2支撑圈、3三根悬丝、4水平支架、5光纤布拉格光栅FBG、 6固 定架、7外壳、8连杆、9限位机构、10限位螺钉、11宽带光源、12为2X3耦合器、13 传感FBG、 14为2X2耦合器、15匹配FBG、 16探测器、17处理系统、18被测工件、22圆 柱体、23细线、24砝码、25激光器、26反射镜、27光路。
具体实施例方式
参见图1、图4，采用具有端部测球的测杆1，测杆1以顶端固联在支架4的中心，测 杆1与支架4呈"T"形设置，支架4是在同一平面上120°均匀分布的三根叉杆，构成柔性 支撑系统的三根悬丝3 —端固定连接在支架4的中心，另一端以120°的间隔固定连接在处 在支架4外周的支撑圈2上，支架4和支撑圈2处在同一水平面上，光纤布拉格光栅FBG 5 的一端固定连接在支架4的叉杆端部，另一端固定连接在处在支架4的正上方的水平固定架 6上。
如图4所示，具体实施中，支撑圈2通过螺钉和固定架6连接，固定架6通过螺钉和外 壳7连接，外壳7通过螺钉和连杆8连接，连杆8和测量机连接。支架4的偏摆范围由限位 机构9限止，限位机构9为"口型"组合件，限位功能通过调整螺钉IO调整，限位机构通 过螺钉和支撑圈2连接。测杆顶端测球直径为0. 5mm，测杆长度为25mra。
支架4和悬丝3组成的柔性支撑是测头结构的关键，它保障测头系统稳定性、重复性和 灵敏度。测头构件如支架、测杆、测球等零件要求刚度好、质量轻。采用有限元分析软件 Ansys对测杆、支架、悬丝组成的柔性支撑系统进行受力分析，使各零件参数满足测量需要。 制作中，采用重物悬挂的方式，先采用较轻物体悬挂，粘贴悬丝，用SIOS干涉仪对测头结 构复位性进行测量，评定复位性是否符合要求，如果结果不满意，适当改变物体重量，再次粘贴、测量，直到取得很好的效果。
由于采用光纤布拉格光栅FBG为传感元件，FBG的机械强度有限，限位机构和支架之间 的上、下距离最大为O. lmm，上、下距离通过调整螺钉进行调整。
参照图2b，当传感FBG和匹配FBG均未发生应变时，它们的中心波长一致，因此，探 测器接收到的光强最强为Ep当传感FBG发生应变，并且中心波长变化A入时，由于匹配 FBG没有发生变化，所以，探测器接收到的光强为E2，并且E^E2。
采用匹配FBG做为解调方式要求两FBG参数匹配即中心波长一致，但是由于FBG的制造 方面原因，导致FBG中心波长有一定偏差，因此，选用FBG中心波长差在20pm内；FBG在 测头中呈竖直，其上端粘贴在固定的固定架6上，下端粘贴在支架4上。FBG对轴向的拉、 压应变都具有很高的灵敏度，能够探测到测杆在三维方向的测量；探测器采用InGaAs高灵 敏度光接收组件。
系统用数据采集卡、LABVIEW软件对探测器的输出电压进行分析。LABVIEW程序主要么 包括数据采集程序、信号频谱分析程序、信号均值计算、信号比较程序、发讯程序。数据 处理系统通过对采集的数据进行均值计算，把均值和阈值进行比较，当所得均值低于阈值时， 产生触发信号。
数据采集、处理系统中对信号接地处理，可以有效的消除信号噪声；对采集的信号分组 求均值，均值作为评定值，阈值的设定以均值为标准。
水平方向的测量过程
参照图3(a)，当测头在沿水平方向触碰工件18时，测球发生AX的偏移，通过测杆l、 支架4和悬丝组成的机构使FBG 5也发生相应的应变，左侧FBG被拉长AZ,，右侧FBG被压 縮AZ2 ， FBG拉长和压縮都会引起它的布拉格波长的变化。当测头从X-Y平面内任意方向触 碰工件时，三根FBG中总是有某些受拉，另一些受压，从而引起FBG的布拉格波长变化。此
时，受拉FBG的应变大小为，，受压FBG的应变大小为^。
丄 丄
垂直方向测量过程
参照图3 (b)，当测头沿垂直方向接触工件18时，测球发生AZ的偏移，三根FBG 5 被压缩，且都发生AZ的应变量，导致FBG布拉格波长的变化。此时三根FBG的应变大小为一。
实验效果各向同性及测量力实验结果
实验目的验证测头各向同性及测量力是否符合要求。
实验方法参考图5，用细线23把测杆1和砝码24连接，细线绕过光滑圆柱体22，使 砝码24处于垂直；测杆另一边粘贴反射镜26，用干涉仪测量测杆的偏移量，测量光经过光 路27到达反射镜26，然后返回干涉仪25。读取干涉仪读数的同时读取测头传感系统的电压 值。实验示意图如图5 (a)，图5 (b)所示为5mN测力时，测杆各向偏摆量。从图上可以 看出，测杆在各个方向上的偏移量基本一致，因此大大提高测头的各向同性精度；当采用 5mN的测力时，测杆的偏移量达到2)am，说明测头对测力的灵敏度是很高的。
测头分辨力的实验
实验目的标定测头系统灵敏度。
实验方法把测头固定微动台架上，利用微动台架驱动机构，干涉仪测量系统，测头传
感、信号处理系统。当微动机构给测杆一定偏移量时，干涉仪测量系统能测量精确的偏移量，
测头输出电压有所变化，记录这个偏移量和测头输出电压，得出系统的分辨力，由图6可知， 测头的最小分辨力小于O.lum。 测头结构复位性测量
实验目的验证测杆在测量中撤去外力后能否返回原来位置。
实验方法在测杆顶端粘贴小反射镜(用于SIOS干涉仪测量)，把测头固定在微动台架
上，使激光能照射到反射镜上并能反射回激光孔，适当调整位置，使干涉仪处于测量状态。 用微力使测杆偏摆，并立即撤去力，读取干涉仪的数据，对数据进行处理分析，验证测头结 构的复位性。实验利用干涉仪测量测杆在变化前后的单方向位置偏差，是评定结构复位性指 标的有效方法，改变测量方向，以得到测杆各向复位性指标。由于本发明结构具有很高的对
称性，各向复位性一致。实验结果如图7(a)，测头结构复位性精度为20nm。 测头传感系统重复性实验
实验目的验证当测杆返回初始位置时，传感系统是否能返回原来的状态。
实验方法把测头系统装夹在微动台架上，用微动台架的驱动系统触碰测杆，并立即返
回，读取数据采集系统的数据，同时也可以采用干涉仪测量测杆的偏移量作为参考。本实验 是在测头结构复位性很好的前提下进行的，测头结构的高复位性，说明测杆在触碰前、后位 于同一位置，本实验的主要目的是验证当测杆返回初始位置时，传感系统是否能返回原来的
状态。实验结果如图7(b)，测头传感系统重复性为0.2mV。
权利要求
1、光纤布拉格光栅FBG三维测头，其特征是采用具有端部测球的测杆(1)，所述测杆(1)以顶端固联在支架(4)的中心，测杆(1)与支架(4)呈“T”形设置，所述支架(4)是在同一平面上120°均匀分布的三根叉杆，构成柔性支撑系统的三根悬丝(3)一端固定连接在所述支架(4)的中心，另一端以120°的间隔固定连接在处在支架(4)外周的支撑圈(2)上，所述支架(4)和支撑圈(2)处在同一水平面上，光纤布拉格光栅FBG(5)的一端固定连接在所述支架(4)的叉杆端部，另一端固定连接在处在所述支架(4)的正上方的水平固定架(6)上。
全文摘要
光纤布拉格光栅FBG三维测头，其特征是采用具有端部测球的测杆，测杆以顶端固联在支架的中心，测杆与支架呈“T”形设置，支架是在同一平面上120°均匀分布的三根叉杆，构成柔性支撑系统的三根悬丝一端固定连接在所述支架的中心，另一端以120°的间隔固定连接在处在支架外周的支撑圈上，支架和支撑圈处在同一水平面上，光纤布拉格光栅FBG的一端固定连接在支架的叉杆端部，另一端固定连接在处在所述支架的正上方的水平固定架上。本发明利用均布悬丝的柔性支撑系统阻力小、对称性好，FBG的灵敏度高、质量轻，测针细等优点，提供了一种具有各向同性好、分辨力高、触发力小、畸变误差小的三维测头。
文档编号G01B11/24GK101424522SQ20081024430
公开日2009年5月6日 申请日期2008年11月21日 优先权日2008年11月21日
发明者丁邦宙, 夏豪杰, 杨睿嫦, 鑫 王, 立 盛, 范哲光, 费业泰 申请人:合肥工业大学