一种基于光纤传感的表面形貌测量系统和方法与流程

本发明属于光纤传感测量领域，具体涉及一种基于光纤传感的表面形貌测量系统和方法。

背景技术：

在机械加工领域，随着制造技术的快速发展，工件表面形貌测量已经成为工件加工过程中检测的重要一环。表面形貌在表面计量学领域是工件表面通过各种机械加工过程的纹理所体现出来的。表面形貌结构是零部件使用性能的重要决定因素，不仅有助于识别加工中的瑕疵，以改进加工工艺，而且有助于分析表面形貌与性能寿命的关系。所以在科学研究和工程应用的很多领域中，对表面形貌的定量测量显得十分重要。

目前，应用最广泛的表面形貌测量方式有两种：一种是接触式测量方式，如传统的触针式轮廓仪是通过触针的机械压力来测量的。另一种是非接触的方式，主要有光学法等。由于低损耗光纤的出现以及光纤传感器的普遍具有抗电磁干扰强、造价低廉、稳定性好等优点，光纤传感技术开始应用于三维表面测量中。

根据对光信息解调方式的不同，可用于测量表面形貌的光纤传感器有三类：基于相位解调的干涉式，基于偏振态解调的偏振式和基于光强度调制的反射式。由于干涉与偏振方式的光学系统价格昂贵、复杂又难以调试、技术上较难以实现。

目前为止，反射式光纤传感器在测量表面形貌中的研究还处于实验室探索阶段，研究方向主要集中在光纤传感探头结构设计、出射光强数学建模、干扰补偿这几个方面，相关研究也没有对被测工件表面形貌进行定量测量。

技术实现要素：

本发明的目的旨在现有技术的不足，提供一种能够对工件表面的形貌进行测量,并获取表面三维坐标信息，从而实现工件表面纹理的测量的基于光纤传感的表面形貌测量装置和方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于光纤传感的表面形貌测量系统，包括光电探测单元、电动位移台单元、信息采集和处理单元的计算机11；其中：所述光电探测单元包含激光器1、光纤传感探头2、及光功率计10；光纤传感探头包含发送光纤3与接收光纤组；所述激光器用于产生高稳定性的出射光，通过发送光纤连接光纤传感探头，所激光器与发送光纤耦合后传输到光纤传感探头；其特征在于：

·所述光纤传感探头2，调整其保持与待测工件12表面垂直，用于将发送光纤3的出射光投射到所述的待测工件12表面；

·所述待测工件12表面反射光进入到所述接收光纤组；所述反射光信息通过接收光纤组传输到光功率计10，光功率计10用于将接收的光信息转换为电信号；

·所述电动位移台单元包含三轴位移台、三轴运动控制器9；所述三轴位移台装于所述光纤传感探头，被测工件12置于三轴位移台处，光纤传感探头2对准被测工件12；所述三轴运动控制器9通过电缆连接三轴位移台；所述三轴运动控制器9控制光纤传感探头与被测工件12进行x、y及z三轴方向的相对移动；

·所述信息采集与处理单元的计算机11，计算机11通过数据总线分别与光功率计10、三轴运动控制器9相连接；用于三轴运动控制器9及光功率计10的电信号传输与采集，并进行相应数据处理，以此获得被测工件12表面x、y及z三轴方向的位置数据测量及数据处理结果，重构工件表面形貌，获得待测工件表面的纹理信息，并显示出来。

所述光纤传感探头2有一根发射光纤，两圈同轴型反射式收接光纤，即内圈接收光纤组4与外圈接收光纤组5，内圈与外圈接收光纤围绕在发射光纤外紧密排列；所述待测工件12表面反射光进入到内圈接收光纤组和外圈接收光纤组；反射光信息通过内圈接收光纤组和外圈接收光纤组传输到光功率计10，光功率计用于将接收的光信息转换为电信号。

所述电动位移台单元的三轴位移台包含x轴步进电机6、y轴步进电机7、z轴步进电机8、三轴位移台13及探头支架14；所述x轴步进电机6与y轴步进电机7安装在三轴位移台上，及的所述z轴步进电机安装在支架上，所述支架装在三轴位移台；所述光纤传感探头2装于支架上，光纤传感探头对准被测工件12；所述三轴运动控制器9通过电缆连接与控制x、y和z轴步进电机；所述光纤传感探头在z轴步进电机的驱动下沿z轴上下运动；所述待测工件在三轴位移台上在x轴步进电机的驱动下沿x轴左右运动，在y轴步进电机的驱动下沿y轴前后运动。

一种基于光纤传感的表面形貌测量方法,其特征在于：光纤探头沿光纤探头的光轴方向，与所述待测工件表面垂直，找到所述光纤探头到待测面的最佳距离h并按相应的轨迹完成表面扫描，每扫描一个待测区域，信息采集和处理单元的计算机采集所述待测工件表面每个测量点对应的电压信号数据，并通过标定位移特性曲线的前坡线性区间拟合的位移与电压的函数关系计算出每个扫描点的相对高度值，其中：高度是指，选定光纤探头的光轴与待测工件表面相对固定的任一平面为参考面时，所述待测工件表面上的测量点与参考平面的相对距离，既所述光纤探头与参考平面的相对距离；由信息采集与处理单元的计算机上位机程序，采集和处理光功率计传输的转换为电压信号数据，以此获得被测工件12表面数据测量及数据处理结果，重构工件表面形貌，获得待测工件表面的纹理信息，并显示出来。

一种基于光纤传感的表面形貌测量方法,其特征在于：采用基于光纤传感的表面形貌测量系统，使用所述信息采集与处理单元的计算机11及表面形貌测量方法的流程，具体测量步骤为：

(1)、首先，将编写的三轴位移台运动控制程序设置好运动参数后通过运动控制器驱动x、y、z三轴的步进电机协调运动，将光纤位移传感器的探头移动到检测初始位置；

(2)、其次，激光器发出的激光与光纤传感器的发射光纤耦合，经发送光纤传送到探头前端并投射到待测工件上，激光在工件表面发生反射后，携带被测表面信息的反射光通过探头的接收光纤传送到光功率计中转换为对应的光功率值，通过虚拟仪器编写的数据采集系统，读取光功率计的值并显示出来；

(3)、最后，随着被测工件沿着规定的轨迹做扫描运动，数据采集完成后，建立坐标系，通过相应数据处理后将每个测量点的光功率值转换为对应的位移值从而描摹出零件的表面轮廓。

所述表面形貌测量方法的流程为：

(1)、开始，待测工件放置在三轴位移台上，调整光纤探头的光轴方向，与待测工件表面垂直；

(2)、打开基于光纤传感的表面形貌测量系统中各个装置的电源；

(3)、标定待测工件表面的位移特性曲线，计算位移特性曲线前坡的线性区间，确定合适的扫描高度；

(4)、设置线扫描轨迹，轨迹规划和分布恰当就能够达到减少测量点数并不影响测量的效果，提高测量效率；

(5)、采集数据预处理，是通过高斯滤波剔除测量异常点和测量系统的随机噪声，提高测量精度；

(6)、根据标定位移-功率特性曲线的前坡线性区间函数，将待测工件表面形貌测量点的电信号值带入上述函数中计算每个测量点的相对高度值，将计算结果标记为所述测量点的z坐标值；

(7)、标定测量装置坐标系统(确定每个测量点的三维坐标)，以起始测量点为坐标原点，将所述工件表面形貌的每个测量点坐标转换为实际坐标(x，y)，结合上述z坐标值，得到待测工件表面形貌测量点的三维坐标(x，y，z)；

(8)、b样条曲面重构算法，利用获得测量特征点的坐标，通过拟合形成一系列的工件表面截面线，参数化工件表面曲面，生成插值重构曲面。b样条曲面重构算法包括：迭代优化b样条曲面重构逼近算法、迭代几何插值b样条曲面拟合算法。

(9)、重构工件表面形貌，获得待测工件12表面的纹理信息。

本发明的与现有技术比较其突出的实质性特点和显著效果是：

本发明一种基于光纤传感的表面形貌测量系统和方法，操作简便，具有较高的分辨率，通过对工件表面的形貌进行测量，并获取表面三维坐标信息，获得表面波纹度和重建出三维形貌数据，实现工件表面形貌的测量。

综上，研制出一种价格合理和测量精度比较高的反射式光纤传感表面形貌测量系统具有重要的研究意义和利用价值。

附图说明

图1是所述一种基于光纤传感的表面形貌测量系统的结构示意图。

图2是所述一种基于光纤传感的表面形貌测量方法的流程图。

图3是所述待测工件表面的位移特性曲线和前坡线性区间拟合函数图。

图4是待测工件表面5mm×2.5mm区域的三维表面形貌重构图。

图中：光电探测单元：激光器1，光纤传感探头2，发送光纤3，内圈接收光纤组4，外圈接收光纤组5，电动位移台单元：x轴步进电机6，y轴步进电机7，z轴步进电机8，三轴运动控制器9，光功率计10，计算机11，待测工件12，三轴位移台13、探头支架14。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

1、本发明的一种基于光纤传感的表面形貌测量系统

如图1所示，一种基于光纤传感的表面形貌测量系统，包括光电探测单元、电动位移台单元、信息采集和处理单元的计算机11；其中：所述光电探测单元包含激光器1、光纤传感探头2、及光功率计10等。所述光纤传感探头2含有发送光纤3、内圈接收光纤组4、外圈接收光纤组5。所述电动位移台单元：x轴步进电机6、y轴步进电机7、z轴步进电机8、三轴运动控制器9、三轴位移台13和探头支架14等。

·所述激光器1用于产生高稳定性的出射光，通过发送光纤3连接光纤传感探头2，所激光器1与发送光纤3耦合后传输到光纤传感探头2。

·所述光纤传感探头2，调整其保持与待测工件12表面垂直，用于将发送光纤3的出射光投射到所述的待测工件12表面。

·所述光纤传感探头2有一根发射光纤，两圈同轴型反射式收接光纤，即内圈接收光纤组4与外圈接收光纤组5，内圈与外圈接收光纤围绕在发射光纤外紧密排列；所述待测工件12表面反射光进入到内圈接收光纤组和外圈接收光纤组；反射光信息通过内圈接收光纤组和外圈接收光纤组传输到光功率计10，光功率计用于将接收的光信息转换为电信号。

·所述电动位移台单元的三轴位移台包含x轴步进电机6、y轴步进电机7、z轴步进电机8、三轴位移台13及探头支架14；所述x轴步进电机6与y轴步进电机7安装在三轴位移台上，及的所述z轴步进电机安装在支架上，所述支架装在三轴位移台；所述光纤传感探头2装于支架上，光纤传感探头对准被测工件12；所述三轴运动控制器9通过电缆连接与控制x、y和z轴步进电机；所述光纤传感探头在z轴步进电机的驱动下沿z轴上下运动；所述待测工件在三轴位移台上在x轴步进电机的驱动下沿x轴左右运动，在y轴步进电机的驱动下沿y轴前后运动。

·所述信息采集与处理单元的计算机11，计算机11通过数据总线分别与光功率计10、三轴运动控制器9相连接；用于三轴运动控制器9及光功率计10的电信号传输与采集，并进行相应数据处理，以此获得被测工件12表面x、y及z三轴方向的位置数据测量及数据处理结果，重构工件表面形貌，获得待测工件表面的纹理信息，并显示出来。

本发明基于光纤传感的表面形貌测量系统，在待测工件12的的表面形貌测量时，将所述光纤传感探头2调整、保持与待测工件12表面垂直。所述激光器产生的高稳定性的光，通过发送光纤3耦合后传输到光纤传感探头2，光纤传感探头2出射光投射到所待测工件12表面，再通过内圈接收光纤组4和外圈接收光纤组5接收待测工件10的反射光，并将强弱反射光的光信号传输给光功率计10，光功率计10用于将接收的光信息转换为电信号。

通过信息采集与处理单元的计算机11编写的上位机程序，以及三轴运动控制器9来控制电动三轴位移台单元的x轴步进电机6，y轴步进电机7，z轴步进电机8，按设定移动相应的步长，实现待测工件12表面相对于光纤传感探头2的三轴运动。

通过信息采集与处理单元的计算机11编写的上位机程序，采集和处理光功率计10传输的转换为电信号数据，以此完成待测工件12表面进行x、y、z三轴方向的测量，获得测量结果并显示出来，重构工件表面形貌，获得待测工件12表面的纹理信息，并显示出来。

本具体实施例的装置与设备

激光器1：根据光源稳定性、传播损耗大小以及光电探测器的接收能力等要求选取合适的激光器，实施中选取了波长为1550nm、发出功率在13mw以内的lr-sfj-1550型半导体激光器；

光纤传感探头2：光纤传感探头性能与光纤排布、数量、芯径有关，实施中发射光纤3的芯径为9um,内外圈接收光纤4和5芯径均为62.5um；

光功率计10：上海嘉慧公司生产的jw8101型台式双通道光功率计，能探测波长范围为850-1700nm,分辨力为1nw。

三轴位移台13：行程30mm,最小步长1um，重复定位精度1um。

三轴运动控制器9：北京微纳光科仪器有限公司生产的wnmc400系列运动控制器拥有四通道高速脉冲输出接口的高性能运动控制卡，其控制核心由新一代的corexm3高性能处理器与fpga组成，可以实现点位运动、插补运动和圆弧插补。

2、本发明的一种基于光纤传感的表面形貌测量方法

一种基于光纤传感的表面形貌测量方法,光纤探头沿光纤探头的光轴方向，与所述待测工件表面垂直，找到所述光纤探头到待测面的最佳距离h并按相应的轨迹完成表面扫描，每扫描一个待测区域，信息采集和处理单元的计算机采集所述待测工件表面每个测量点对应的电压信号数据，并通过标定位移特性曲线的前坡线性区间拟合的位移与电压的函数关系计算出每个扫描点的相对高度值，其中：高度是指，选定光纤探头的光轴与待测工件表面相对固定的任一平面为参考面时，所述待测工件表面上的测量点与参考平面的相对距离，既所述光纤探头与参考平面的相对距离。

由信息采集与处理单元的计算机11的上位机程序，采集和处理光功率计10传输的转换为电压信号数据，以此获得测量结果并显示出来，重构工件表面形貌，获得待测工件12表面的纹理信息。

一种基于光纤传感的表面形貌测量方法,采用上述基于光纤传感的表面形貌测量系统，如图2所示,其所述表面形貌测量方法的流程为：

1、开始，待测工件放置在三轴位移台13上，调整光纤探头的光轴方向，与待测工件表面垂直；

2、打开基于光纤传感的表面形貌测量系统中各个装置的电源；

3、标定待测工件12表面的位移特性曲线，计算位移特性曲线前坡的线性区间，确定合适的扫描高度；所述位移-功率特性曲线前坡的线性区间拟合函数为光纤探头到待测工件表面距离d与对应电信号的函数关系，用于计算扫描区域内每个测量点的z坐标。

4、设置线扫描轨迹，轨迹规划和分布恰当就能够达到减少测量点数并不影响测量的效果，提高测量效率；

5、采集数据预处理，是通过高斯滤波剔除测量异常点和测量系统的随机噪声，提高测量精度；

6、根据标定位移-功率特性曲线的前坡线性区间函数，将待测工件12表面形貌测量点的电信号值带入上述函数中计算每个测量点的相对高度值，将计算结果标记为所述测量点的z坐标值；

7、标定测量装置坐标系统(确定每个测量点的三维坐标)，以起始测量点为坐标原点，将所述工件表面形貌的每个测量点坐标转换为实际坐标(x，y)，结合上述z坐标值，得到待测工件12表面形貌测量点的三维坐标(x，y，z)；

8、b样条曲面重构算法，利用获得测量特征点的坐标，通过拟合形成一系列的工件表面截面线，参数化工件表面曲面，生成插值重构曲面。b样条曲面重构算法包括：迭代优化b样条曲面重构逼近算法、迭代几何插值b样条曲面拟合算法。

9、重构工件表面形貌，获得待测工件12表面的纹理信息，并显示出来。

3、本发明的具体测量实施例和结果

一种基于光纤传感的表面形貌测量方法,采用基于光纤传感的表面形貌测量系统，使用所述信息采集与处理单元的计算机11及表面形貌测量方法的流程，具体测量步骤为：

首先，将编写的三轴位移台运动控制程序设置好运动参数后通过运动控制器9驱动x、y、z三轴的步进电机协调运动，将光纤位移传感器的探头2移动到检测初始位置。

其次，激光器1发出的激光与光纤传感器的发射光纤3耦合，经发送光纤传送到探头前端并投射到待测工件12上，激光在工件12表面发生反射后，携带被测表面信息的反射光通过探头的接收光纤传4送到光功率计10中转换为对应的光功率值，通过虚拟仪器编写的数据采集系统，读取光功率计10的值并显示出来。

最后，随着被测工件12沿着规定的轨迹做扫描运动，数据采集完成后，建立坐标系，通过相应数据处理后将每个测量点的光功率值转换为对应的位移值从而描摹出零件的表面轮廓。

先在被测工件表面的初始位置进行位移特性实验，实验前先用酒精擦洗光纤探头2端面和待测工件12表面，三轴位移台13的z轴步进电机8以每步0.01mm进行移动，每移动一个单位光功率计读取10次取其平均值作为此位移的功率值。如图3所示，光纤探头2的功率-位移曲线，黑色的直线是前坡的线性区间拟合函数，范围在0.25mm～0.75mm，在区间内位移与功率的函数关系为：p＝0.7273*d-0.1769。

为了在工件表面测量中减小测量误差，根据位移特性曲线前坡的线性区间范围和被测台阶的高度确定光纤探头2与待测工件12的初始高度为0.5mm最为适宜。首先将被测工件12移动到初始测量点，然后三轴位移台13在y轴方向每步移动0.01mm，移动500次，之后沿着x轴移动0.01mm，在沿着y轴反方向以相同的步距移动500次，按照规划的轨迹完成扫描5mm*2.5mm范围。将扫描点处采集的功率值带入到位移与功率的函数中计算每个扫描点的高度值，通过迭代几何插值b样条曲面拟合算法重构工件表面形貌，如图4所示，可以获得待测工件表面的纹理信息。