测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测装置及系统的制作方法

本申请涉及设备检测技术领域，具体而言，涉及一种测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测装置及系统。

背景技术：

对于某些密闭工件如储气罐、高压管道等，需要在不拆开和破坏该工件的前提下，了解工件内部的腐蚀或损伤状况。

目前，往往是通过采用光纤内窥镜来实现对工件的检测。但是目前的光纤内窥镜仅可观察或测量工件内部形貌，无法获得腐蚀层(氧化膜)厚度信息。而腐蚀层厚度信息对于评判工件内部的腐蚀或损伤状况而言，是具有很高参考价值的信息，基于腐蚀层厚度信息可以使得对于工件内部的腐蚀或损伤状况的评判结果更为准确。因此，设计一种可以实现对密闭工件腐蚀层厚度和形貌信息同时获取的装置，就非常有必要了。

技术实现要素：

本申请实施例的目的在于提供一种测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测装置及系统，用以实现对工件腐蚀层厚度信息的获取。

本申请实施例提供了一种测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测装置，包括：

光源光纤，所述光源光纤的输入端用于与光源设备连接；

光谱测量光纤，所述光谱测量光纤的样品端用于采集所述光源光纤输出光线被工件内壁反射得到的反射光谱信号；所述光谱测量光纤的输出端用于与光纤光谱仪连接，将所述反射光谱信号传输给所述光纤光谱仪，以供所述光纤光谱仪根据所述反射光谱信号得到光谱；

成像光纤，所述成像光纤的输出端用于与成像设备连接，样品端用于采集所述光源光纤输出光线被工件内壁反射得到的成像光信号。

在上述实现结构中，光源光纤的样品端、成像光纤的样品端、以及光谱测量光纤的样品端可以放入密闭工件中，光源光纤可以将光源设备提供的反射光谱测量光源释放出去，反射光谱测量光源在工件内被反射后，被光谱测量光纤采集到，输入给光纤光谱仪，由光纤光谱仪得到光谱，进而相关工作人员或者电子设备即可根据薄膜干涉原理，计算得出腐蚀层厚度信息实现了对密闭工件腐蚀层厚度信息的获取，能够使得相关人员能够对于工件内部的腐蚀或损伤状况做出更为准确的评判；而成像光纤可以将成像光信号输出给成像设备进行成像，从而使得本申请实施例的方案，能够在实现对腐蚀层厚度信息的获取同时，还能够实现对工件内部形貌的获取，使得相关工作人员能够更为准确的确定出工件内部的腐蚀或损伤状况。且本申请的方案通过集成光纤内窥镜和反射光谱两种技术，可同时观测表面形貌和测量反射光谱信息(计算厚度)，既可方便在封闭空间内测量，得到的图像信息也可与光谱数据相印证，提高测量结果的准确性。

进一步地，所述光源光纤的样品端、所述光谱测量光纤的样品端、所述成像光纤的样品端集成在一起。

在上述实现结构中，通过将光源光纤的样品端、光谱测量光纤的样品端、以及成像光纤的样品端集成在一起，使得本申请实施例所提供的测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测装置，需要放入工件内部的光源光纤的样品端、光谱测量光纤的样品端、以及成像光纤的样品端可以更容易的放入到工件内，且能够使得放入工件内的光源光纤、光谱测量光纤、成像光纤的相对位置固定，使得光谱测量光纤能够更好的接收到光源光纤输出光线的反射光谱信号，从而提高最终计算得到的腐蚀层厚度信息的准确性，以及使得成像光纤能够更好的接收到光源光纤输出光线被工件内壁反射得到的成像光信号，从而提高成像效果。

进一步地，所述光源光纤的样品端布置于所述成像光纤的样品端外侧，包围所述成像光纤的样品端。

在上述实现结构中，为便于描述，记光源光纤的样品端、光谱测量光纤的样品端、以及成像光纤的样品端集成在一起得到的结构为集成光纤。光源光纤布置于整个集成光纤的最外侧，可以确保光线的有效输出。

进一步地，所述光谱测量光纤的样品端被所述成像光纤的样品端包围。

成像光纤通常是由几百至几万根光纤组成，光纤数量决定成像图像的像素点个数，其中的某一根或几根光纤的损坏会降低画质，但不会导致成像失败；而光谱测量光纤相较而言则不需要这么多的光纤数量，理论上仅设置一根光纤作为光谱测量光纤也可以有效获取到反射光谱信号，因此光谱测量光纤相比于成像光纤而言，一旦损坏后所导致的损失更为严重。因此，在上述实现结构中，将光谱测量光纤设置于成像光纤内，被成像光纤包围，可以有效实现对光谱测量光纤的保护，降低出现光谱测量光纤损坏，导致无法采集反射光谱信号的风险。

进一步地，所述光谱测量光纤和所述成像光纤为同一光纤。

在上述实现结构中，光谱测量光纤和成像光纤为同一光纤，即光谱测量光纤和成像光纤的功能只需要通过一种光纤即可实现，即光谱测量光纤和成像光纤可以复用。此时，工程师只需要根据实际检测需求，依次选择接入成像设备以及光纤光谱仪，即可分别实现对于形貌图像的获取以及工件的腐蚀层厚度信息的计算。

进一步地，所述测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测装置还包括：光纤耦合器，设置在所述光源光纤的输入端。

应当理解的是，在对于光信号进行采集时，为了保证光信号的采集效果，可以在采集端之前设置相应的透镜或光纤耦合器等设备。在上述实现结构中，在光源光纤的输入端设置光纤耦合器，可以提高对光源设备输出光线的汇聚效果，从而进一步提高整个方案的可靠性。

进一步地，所述测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测装置还包括：成像微透镜，设置在所述光谱测量光纤的样品端。

在上述实现结构中，在光谱测量光纤的样品端设置成像微透镜，可以提高对光源光纤输出光线的反射光谱信号的采集效果，从而进一步提高光纤光谱仪计算得到的腐蚀层厚度信息的准确性。

进一步地，所述光谱测量光纤、所述成像光纤和所述光源光纤为石英光纤。

在上述实现结构中，光谱测量光纤、成像光纤和光源光纤为石英光纤，使得光源光纤传输的光线可以覆盖紫外光、可见光和红外光波段，而可见光为成像光波段，可以确保成像设备得以可靠地成像。同时光谱测量光纤能采集的波段可以覆盖紫外光、可见光和红外光波段，从而提高反射光谱测试范围，即能够提高膜厚测试范围，并有利于对薄膜厚度进行更准确的判断。

本申请实施例还提供了一种测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测系统，包括：光源设备、光纤光谱仪、成像设备、以及上述任一种的测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测装置；

所述光源设备与所述测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测装置中的光源光纤的输入端连接，用于提供反射光谱测量光源；

所述光纤光谱仪与所述测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测装置中的光谱测量光纤的输出端连接，用于接收所述光谱测量光纤采集的反射光谱信号，并根据所述反射光谱信号得到光谱；

所述成像设备与所述测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测装置中的成像光纤的输出端连接，用于根据所述成像光纤传来的成像光信号进行成像。

在上述实现结构中，光源光纤的样品端和光谱测量光纤的样品端可以放入密闭工件中，且通过光源光纤可以将光源设备提供的反射光谱测量光源释放出去，反射光谱测量光源在工件内被反射后，被光谱测量光纤采集到，输入给光纤光谱仪，由光纤光谱仪得到光谱，进而相关工作人员或者电子设备即可根据薄膜干涉原理，计算得出腐蚀层厚度信息实现了对密闭工件腐蚀层厚度信息的获取，能够使得相关人员能够对于工件内部的腐蚀或损伤状况做出更为准确的评判；而成像光纤可以将成像光信号输出给成像设备进行成像，从而使得本申请实施例的方案，能够在实现对腐蚀层厚度信息的获取同时，还能够实现对工件内部形貌的获取，使得相关工作人员能够更为准确的确定出工件内部的腐蚀或损伤状况。且本申请的方案通过集成光纤内窥镜和反射光谱两种技术，可同时观测表面形貌和测量反射光谱信息(计算厚度)，既可方便在封闭空间内测量，得到的图像信息也可与光谱数据相印证，提高测量结果的准确性。

进一步地，所述光源设备为可提供覆盖紫外光、可见光和红外光波段的光的发光设备。

在上述实现结构中，光源设备为可提供覆盖紫外光、可见光和红外光波段的光的发光设备，可以提高反射光谱测试范围，即能够提高膜厚测试范围，并有利于对薄膜厚度进行更准确的判断，提高本申请方案的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种成像光纤与光源光纤、光谱测量光纤未集成的测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测系统结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种成像光纤与光源光纤、光谱测量光纤集成的测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测系统结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种集成光纤截面结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种试验测得的工件内表面的反射光谱图；

图5-1为本申请实施例提供的工件敞开时自然光下成像设备得到的存在白色斑点的图像；

图5-2为本申请实施例提供的工件扣合时成像设备得到的存在白色斑点的图像；

图6-1为本申请实施例提供的工件敞开时自然光下成像设备得到的存在“z”字形标记物图像；

图6-2为本申请实施例提供的工件扣合时成像设备得到的存在“z”字形标记物图像。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

实施例一：

为了实现对工件腐蚀层厚度信息的获取，使得相关工程师能够更好的确定出工件内部的腐蚀或损伤状况，本申请实施例提供了一种测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测装置和一种具有该测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测装置的测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测系统。为了描述更简洁，本申请实施例中直接针对测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测系统的结构进行描述，但应当理解的是，描述过程中所涉及的测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测装置的结构是可以脱离测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测系统而被单独制造使用的。

本申请实施例中提供了一种测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测系统，参见图1所示，包括：测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测装置10、光源设备11、光纤光谱仪12和成像设备13。其中：

测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测装置10包括光源光纤101、光谱测量光纤102和成像光纤103。其中，光源光纤101的输入端可以与光源设备11连接，光谱测量光纤102的输出端则可以与光纤光谱仪12连接，而成像光纤103的输出端则可以与成像设备13连接。

在进行工件2内部的腐蚀或损伤状况检测时，工程师可以将光源光纤101的样品端、光谱测量光纤102的样品端、成像光纤103的样品端放入需要进行检测的工件2中，并将光源设备11连接到光源光纤101的输入端，将光纤光谱仪12连接到光谱测量光纤102的输出端，将成像设备13连接到成像光纤103的输出端，并打开光源设备11。

此时，光源设备11产生反射光谱测量光源，通过光源光纤101在工件2内部进行输出。光源光纤101输出的光线经过工件2内表面的反射，产生反射光谱信号，被同样处于工件2内部的光谱测量光纤102的样品端采集到，并传输给光纤光谱仪12。根据光纤光谱仪12获得的反射光谱信号得到光谱，进而可以利用薄膜干涉原理即可计算得到工件2内的腐蚀层厚度信息。

示例性的，可以根据光纤光谱仪12获得的光谱中的中波谷和波峰的波长，以及公式λ1·λ2/4n(λ1-λ2)计算得到薄膜厚度(即腐蚀层厚度信息)，式中λ1和λ2分别为波峰和波谷的波长，n为薄膜的折射率。应当说明的是，前述薄膜为工件内表面材料被氧化后得到的氧化膜，该氧化膜也就是工件内表面的腐蚀层，因此在实际应用中，工程师可以根据被检测的工件的材质确定出工件内所形成的薄膜的类型，进而确定出薄膜的折射率并计算薄膜厚度。

需要注意的是，光源设备11还会产生照明光源，成像光纤103采集光源光纤101输出光线被工件2内壁反射得到的成像光信号，并传输给成像设备13进行信号处理并转换为工件2内部的形貌图像显示出来。从而通过成像设备13，工程师即能够在实现对腐蚀层厚度信息的获取同时，还能够实现对工件2内部形貌的获取，从而使得相关工作人员能够更为准确的确定出工件2内部的腐蚀或损伤状况。

需要说明的是，在本申请实施例中，成像设备13可以为ccd(chargecoupleddevice，是电荷藕合器件图像传感器)相机，cmos(complementarymetaloxidesemiconductor，互补金属氧化物半导体)相机等。

还需要说明的是，为了同时满足照明光源和反射光谱测量光源的需求，光源设备11所产生的光的波段应当覆盖照明光波段。考虑到单纯的照明光波段会导致反射光谱较窄，因此在本申请实施例的一种可行实施方式中可以采用提供覆盖紫外光、可见光和红外光波段(如波长为200nm至1100nm的波段)的光的发光设备作为光源设备，例如氘-卤素灯光源设备、led(lightemittingdiode，发光二极管)光源设备等。

需要注意的是，本申请实施例中所述的样品端是指光纤接入工件中的一端，对于光源光纤101而言，样品端即为使用时输出光线的一端，而对于光谱测量光纤102和成像光纤103而言，样品端即为使用时采集光信号的一端。

在本申请实施例中，由于实际应用场景是复杂多变的，比如可能存在需要放入密闭工件内进行检测的情况。此时需要在密闭工件上开口才能将光源光纤101的样品端、光谱测量光纤102的样品端、成像光纤103的样品端放入工件内，那么为了防止开口过大或过多导致工件结构受损，也为了便于将光源光纤101的样品端、光谱测量光纤102的样品端、成像光纤103的样品端放入，可以将光源光纤101的样品端、光谱测量光纤102的样品端、成像光纤103的样品端集成在一起，例如参见图2所示。应当理解的是，将光源光纤101的样品端、光谱测量光纤102的样品端、成像光纤103的样品端集成在一起得到集成光纤104后(为便于表述，本文中记多条光纤集成在一起的部分为集成光纤)，也能够使得放入工件2内的光源光纤101、光谱测量光纤102、成像光纤103的相对位置固定，从而使得光谱测量光纤102能够更好的接收到光源光纤101输出光线的反射光谱信号，成像光纤103能够更好的接收到光源光纤101输出光线被工件内壁反射得到的成像光信号，提高光纤光谱仪12最终计算得到的腐蚀层厚度信息的准确性，并提高成像效果。

示例性的，参见图3所示，集成光纤104中，光源光纤101可以布置于整个集成光纤104的最外侧，包围成像光纤103和光谱测量光纤102，从而确保光线的有效输出。而成像光纤103通常是由几百至几万根光纤组成，光纤数量决定成像图像的像素点个数(例如可以采用60*60的成像光纤103阵列，即共有3600根成像光纤103，能够得到3600像素的图像)，其中的某一根或几根光纤的损坏会降低画质，但不会导致成像失败，而光谱测量光纤102相较而言则不需要这么多的光纤数量，理论上仅设置一根光纤作为光谱测量光纤102也可以有效获取到反射光谱信号，因此光谱测量光纤102相比于成像光纤103而言，对于损伤的承受力较弱，因此在本申请实施例中，可以将光谱测量光纤102设置于成像光纤103内，被成像光纤103包围，从而有效实现对光谱测量光纤102的保护，降低出现光谱测量光纤102损坏，导致无法采集反射光谱信号的风险。

需要说明的是，在本申请实施例的一种可行实施方式中，光谱测量光纤102和成像光纤103可以用同一光纤来实现复用，即某一光纤既可以实现光谱测量光纤102的功能，又可以实现成像光纤103的功能，从而在使用时，工程师可以选择成像设备13和光纤光谱仪12中的一种先接入该光纤进行检测，进而再采用另一种设备接入该光纤进行检测。而为了满足光纤复用的要求，需要所采用的光纤能够同时支持成像光信号所在波段和反射光谱信号所在波段的信号的采集。为此，可以采用石英光纤来实现光谱测量光纤102和成像光纤103的复用。当然，应当理解的是，对于光谱测量光纤102和成像光纤103不复用的情况，各类光纤也可以采用石英光纤来实现。

应当理解的是，在对于光信号进行采集时，为了保证光信号的采集效果，可以在采集端之前设置相应的透镜或光纤耦合器等设备。在本申请实施例中，对于图1的方案，可以在光谱测量光纤102的样品端前面设置一个成像微透镜，以提高对于光源光纤101输出光线的反射光谱信号的采集效果，并在成像光纤103的样品端前面也设置一个成像微透镜，以提高对于成像光信号的采集效果。相应的，对于存在集成光纤104的方案，例如图2的方案，只需要在集成光纤104的首先进入工件2的一端前面设置一个成像微透镜即可。

还应当理解的是，在本申请实施例中，还可以在光源光纤101与光源设备11之间设置光纤耦合器，从而加强光源的输出效果。此外，本申请实施例中，成像微透镜、光纤耦合器中的透光部件都可以采用石英材质制成，以有效支持紫外光、可见光和红外光波段的光的传输。

需要注意的是，为了保证通光效果，所有通光器件，如光源光纤101、光谱测量光纤102、成像光纤103、光纤耦合器、成像微透镜等均可以采用石英光纤来实现。

本申请实施例中所提供的测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测装置及系统，光源光纤101的样品端、光谱测量光纤102的样品端、成像光纤103的样品端可以放入密闭工件中，且通过光源光纤101可以将光源设备提供的光源释放出去，光源在工件内被反射后，被光谱测量光纤102采集到，输入给光纤光谱仪12，由光纤光谱仪12得到光谱，进而相关工作人员或者电子设备即可根据薄膜干涉原理，计算得出腐蚀层厚度信息实现了对密闭工件腐蚀层厚度信息的获取，能够使得相关人员能够对于工件内部的腐蚀或损伤状况做出更为准确的评判；而成像光纤103可以将成像光信号输出给成像设备13进行成像，从而使得本申请实施例的方案，能够在实现对腐蚀层厚度信息的获取同时，还能够实现对工件内部形貌的获取，使得相关工作人员能够更为准确的确定出工件内部的腐蚀或损伤状况。

此外，本申请的方案通过集成光纤内窥镜和反射光谱两种技术，可同时观测表面形貌和测量反射光谱信息(计算厚度)，既可方便在封闭空间内测量，得到的图像信息也可与光谱数据相印证，提高测量结果的准确性。

实施例二：

本实施例在实施例一的基础上，以图2所示的测量工件内表面形貌和薄膜厚度的检测系统对使用材料为金属铈的工件2进行检测的情况为例，为本申请做进一步示例说明。

参见图2所示，检测时集成光纤104通过开口放入到工件2内，集成光纤104接近至距离工件2内表面待检测位置毫米至厘米量级。光源设备11采用氘-卤素灯光源设备，发出的光经光源光纤101入射至工件2的内表面，反射光谱信号和成像光信号由集成光纤104收集，经过成像光纤103进入成像设备13，经过光谱测量光纤102进入光纤光谱仪12。

本申请实施例中成像光纤103采用60*60的成像光纤103阵列，最终生成得到的集成光纤104的直径可以小于0.8mm，从而使得在对工件2的开口得以很小，降低检测过程对工件2结构的损伤。

参见图4所示，图4为实际试验测中，光纤光谱仪12得到的工件2内表面的反射光谱图。从图4可以看出，反射光谱信号中波谷和波峰的波长分别为482nm和589nm。根据薄膜干涉原理，通过公式λ1·λ2/4n(λ1-λ2)计算得到薄膜厚度(即腐蚀层厚度信息)，式中λ1和λ2分别为波峰和波谷的波长，n为薄膜的折射率。本试验中，工件2内表面材料为金属铈，因此可以确定n值为2.0(n值可以根据实际需要，取至不同精度，本实施例中仅示例性的取精度为小数点后第一位)。根据此方法可以获得金属铈表面氧化层的厚度为331nm。

此外，参见图5-1和图5-2所示。图5-1为工件2敞开时自然光下成像设备13得到的图像(存在白色斑点)，图5-2为工件2扣合后本系统光源设备输出光源后成像设备13得到的图像(可见白色斑点被清晰的检测到)。此外，还可以参见图6-1和图6-2所示。图6-1为工件2敞开时自然光下成像设备13得到的图像(存在“z”字形标记物)，图6-2为工件2扣合后本系统光源设备输出光源后成像设备13得到的图像(可见“z”字形标记物被检测到)。

综上，通过上述方案，可以同时实现对密闭工件内表面的形貌以及腐蚀层厚度信息的获取，使得相关人员能够对于工件内部的腐蚀或损伤状况做出更为准确的评判。同时整个方案使用简单，对工件几乎不会造成损伤，为狭窄空间内，工件内表面的腐蚀或损伤状况检测提供了一种解决方案。

应该理解到，所揭露装置，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，所描述或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

在本文中，多个是指两个或两个以上。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。