基于自组装原理的三芯光纤光栅微尺度测量探针制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于精密仪器制造技术领域，特别涉及一种基于自组装原理的三芯光纤光栅微尺度测量探针制作方法。
【背景技术】
[0002]随着航空航天工业、汽车工业、电子工业以及尖端工业等的不断发展，对于精密微小构件的需求急剧增长。由于受到空间尺度和待测微小构件遮蔽效应的限制以及测量接触力的影响，微小构件尺度的精密测量越来越难以实现，尤其是测量微小内腔构件的深度难以提高，这些已然成为制约行业发展的“瓶颈”。为了实现更小尺寸测量、增加测量深度，最广泛使用的办法就是使用细长的探针深入微小构件的内腔进行探测，通过瞄准发讯的方式测量不同深度上的微小内尺寸。因此，目前微小构件尺寸的精密测量方法主要以坐标测量机结合瞄准触发式探针的探测方式为主，由于坐标测量机技术的发展已经比较成熟，可以提供精密的三维空间运动，因此瞄准触发式探针的探测方式成为微小构件尺寸探测系统设计的关键。而且，光纤光栅探针以其传感器与测量系统分立的优点，可以完全克服遮蔽效应，突破测量深度对探针的限制，同时光纤光栅探针兼具小型化、抗干扰等优点，非常适合用于制作微尺度测量探针。
[0003]目前，基于光纤光栅设计的微尺度测量探针包括以下几种:
[0004]2011年，中国哈尔滨工业大学崔继文教授和杨福铃等人提出了一种基于FBGBending的微孔尺寸测量装置及方法，该方法利用光纤光栅探针和光源、检测装置构成瞄准触发系统，配合双频激光干涉仪测长装置，可以获得不同截面的微孔直径。该方法的光纤光栅探针触测变形时，探针的主要应力不作用于光纤光栅上，系统的分辨率很低、不具有三维测量能力，性能难以进一步提高。
[0005]2014年，中国哈尔滨工业大学崔继文教授和冯昆鹏等人提出了基于多芯光纤光栅的微尺度测量装置及方法，该方法设计了特殊的多芯光纤光栅探针，使探针在与工件触测过程中产生的应力充分作用于光纤光栅上，较之前的基于FBG Bending的微孔尺寸测量装置及方法的探测分辨力有很大的提高；而且，不同的多芯光纤纤芯分布结构可以实现二维、三维测的解耦，具有良好的测量性质。但是，该方法在特殊的多芯光纤上刻写光纤光栅，一方面，多芯光纤刻写过程中会带来纤芯和纤芯间的刻写串扰问题；另一方面，购买的多芯光纤制作探针导致探针结构参数不能自主设计。
[0006]综上所述，现有的基于光纤光栅设计的微尺度测量探针中，多芯光纤光栅探针以其分辨力高、多维测量解耦的特点被广泛关注，具有很好的应用前景，但是现有的多芯光纤光栅探针主要存在以下问题:
[0007]1.考虑多芯光纤光栅探针的制作成本问题，多芯光纤只能选用光纤生产厂家的特有型号，不能根据测量要求设计特殊结构的多芯光纤以用来制作多芯光纤光栅探针。
[0008]2.在制作多芯光纤光栅探针时，需要利用准分子激光相位掩膜法在多芯光纤上刻写光纤光栅，多芯光纤的纤芯距只有几十微米，在一根多芯光纤的纤芯上刻写光纤光栅时会影响临近纤芯，产生刻写串扰，最终制成的多芯光纤光栅探针，各个纤芯中的光纤光栅反射率低且光谱扭曲严重，严重影响测量的准确性。
[0009]3.多芯光纤光栅探针在使用时，需要获取多芯光纤内每根纤芯内光纤光栅的反射光谱，因此每个多芯光纤光栅探针需要安装一个多芯光纤扇出接头实现多芯光纤每根纤芯与外部单模光纤的耦合，但是这种接头价格高昂、光损耗大，不适合多芯光纤光栅探针在微尺度测量中的推广、应用。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是解决多芯光纤光栅探针应用中多芯光纤结构受生产厂家限制、刻写串扰以及扇出接头光损耗大的问题，提出了一种基于自组装原理的三芯光纤光栅微尺度测量探针制作方法，采用自组装的方式将刻写光纤光栅后的普通单模光纤制成三芯芯光纤光栅微尺度测量探针，并且可以根据测量需求，设计三芯光纤光栅微尺度测量探针的结构，而且采用该方法保证了制成的三芯光纤光栅微尺度测量探针每个信道与一根普通单模光纤连接，无需扇出接头，达到结构设计灵活、光谱信号好、光损耗小，成本低的目的。
[0011]本发明的技术方案是:一种基于自组装原理的三芯光纤光栅微尺度测量探针制作方法，所述方法包括以下步骤:
[0012](I).减小刻写光纤光栅后的单模光纤直径
[0013]取三根长度为100?100mm刻写光纤光栅后的单模光纤，光纤光栅栅区处于刻写光纤光栅后的单模光纤的一端30?50mm的位置，光纤光栅栅区长度为10?20mm，将刻写光纤光栅后的单模光纤靠近光纤光栅栅区的末端长度为50?80mm部分的涂覆层剥除，之后采用机械处理的方法减小刻写光纤光栅后的单模光纤剥除涂覆层部分的直径:将刻写光纤光栅后的单模光纤拉直，两端固定在同步旋转电机的固定装置上并且使将刻写光纤光栅后的单模光纤的转动轴线与同步旋转电机的转动轴线重合，在刻写光纤光栅后的单模光纤转动轴上方装有一个包裹研磨片的转轮，包裹研磨片的转轮靠近并接触刻写光纤光栅后的单模光纤并沿刻写光纤光栅后的单模光纤在剥除涂覆层部分反复匀速运动，进行磨削，同时采用显微观察系统检测刻写光纤光栅后的单模光纤剥除涂覆层部分的直径，当刻写光纤光栅后的单模光纤剥除涂覆层部分的直径减小至50?100 μπι时，停止磨削；用光纤切割刀将直径减小后的刻写光纤光栅后的单模光纤上的光纤光栅栅区之后30?50mm的单模光纤切去，使光纤光栅栅区处于直径减小后的刻写光纤光栅后的单模光纤的末端，并保光纤光栅栅区长度为5?10mm，之后放置于装有无水乙醇的超声清洗机中洗涤5?20分钟；
[0014]⑵.三根直径减小后的刻写光纤光栅后的单模光纤的自组装
[0015]准备长度10?30_、一端有内锥角、内径为(50?100 μπι) X3+(I?5) μπι的细管，将第(I)步处理后三根直径减小后的刻写光纤光栅后的单模光纤从细管一端的内锥角插入，保证三根直径减小后的刻写光纤光栅后的单模光纤端部平齐且超出细管一端5?1mm ；竖直固定细管并将超出细管一端的三根直径减小后的刻写光纤光栅后的单模光纤浸没在装有粘度小于10cp的紫外胶的玻璃杯中3?6mm，在毛细作用力下低粘度紫外胶沿着三根直径减小后的刻写光纤光栅后的单模光纤向上运动，并使三根直径减小后的刻写光纤光栅后的单模光纤紧紧靠近形成最紧凑的正三角形结构，对三根直径减小后的刻写光纤光栅后的单模光纤进行自组装；5?15分钟后，将细管和其中自组装后的三根直径减小后的刻写光纤光栅后的单模光纤从紫外胶中取出，保证自组装后的三根直径减小后的刻写光纤光栅后的单模光纤不发生错位，并用紫外胶固化光源对超出细管一端自组装后的三根直径减小后的刻写光纤光栅后的单模光纤照射I?10分钟完成紫外胶固化，形成三芯光纤光栅；尔后，在细管一端的内锥角处滴入热固化胶并填满内锥角，将插有三芯光纤光栅的细管放在50?180°C恒温电加热器上加热10?60分钟，使细管一端的内锥角中的热固化胶固化；
[0016](3).三芯光纤光栅的端面研磨
[0017]将第(2)步中插有三芯光纤光栅的细管固定在光纤研磨机上，调整细管高度，使三芯光纤光栅与光纤研磨机上的研磨片接触，之后按照FC/PC光纤接头的研磨方式对其端面进行研磨，并用端面观察装置确认平整、无裂痕和残缺，停止三芯光纤光栅的端面研磨并用蘸有酒精的无尘纸将端面擦拭干净；
[0018](4).端面研磨后的三芯光纤光栅端部球形针尖制作
[0019]熔融光纤法:将第(3)步中端面研磨后的三芯光纤光栅上端的细管竖直固定，调节细管高度使端面研磨后的三芯光纤光栅下端处于电火花加工机两根放电电极针尖中心下方0.5?3mm位置，调节电火花加工机的放电时间和放电电流，利用电火花放电产生的热量将端面研磨后的三芯光纤光栅下端0.5?3mm的光纤熔化，利用重力和熔融光纤的表面张力形成一个良好的光纤球，待其冷却后在端面研磨后的三芯光纤光栅下端形成一个光纤球形针尖，完成端面研磨后的三芯光纤光栅端部球形针尖的加工；在电子显微镜下对光纤球形针尖加工质量进行检定，要求光纤球针尖与端面研磨后的三芯光纤光栅的同轴度小于5 μπκ光纤球无气泡和破损、光纤球直径和端面研磨后的三芯光纤光栅直径之比大于或等于1.2，挑选合格的三芯光纤光栅探针，完成三芯光纤光栅探针的制作。
[0020]本发明的优点是:
[0021]1.采用刻写光纤光栅后的单模