CN108592829A - 一种非接触测量深孔内表面粗糙度的测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非接触测量深孔内表面粗糙度的测量装置和方法，该装置包括运动控制模块、激光器、耦合装置、发射光纤、光纤传感器阵列、光电检测模块、数据采集卡和计算机，运动控制模块牵引光纤传感器阵列在待测孔内移动，光纤传感器阵列包括多个光纤传感器；同时激光器发射激光光束，经耦合装置传入主发射光纤，再经过多个从发射光纤传至光纤传感器，直角微棱镜使激光垂直照射到待测孔的内表面上，经待测孔的表面散射的激光由接收光纤接收，并经光电检测模块处理，再经数据采集卡转换，最后由计算机实现粗糙度的计算和显示。本发明能同时测深孔内表面四条母线上的表面粗糙度，可以有效剔除偏心测量时的数据点，以提高系统测量精度。

Description

一种非接触测量深孔内表面粗糙度的测量装置和方法

技术领域

本发明涉及产品质量检测技术领域，尤其涉及一种非接触测量深孔内表面粗糙度的测量装置和方法。

背景技术

表面粗糙度作为表征表面质量最主要的参数之一，很大程度上影响着工件的性能，尤其在光学、机械、生物医学工程和航空航天等诸多领域，表面粗糙度的测量与评定一直是行业内的重要研究课题。现有的大多数表面粗糙度测量方法主要是针对平面、外表面的检测，内表面尤其是深孔内表面粗糙度全深度多母线非接触测量技术的研究因其径深比大和内部空间小，依然存在成本高、精度低、操作难度大、效率低等问题。

目前，常用的内表面粗糙度的检测技术主要有机械触针法、视觉检测法、光散射法。其中机械触针测量方法因其工作稳定性好、分辨率较高，在工业检测中应用最为广泛。有学者基于机械触针法研制了一种便携式表面粗糙度自动检测装置，能够实现深孔内表面多母线上粗糙度的测量，但是它存在着测量效率较低、会划伤软质金属表面等局限。视觉检测方法作为一种非接触式测量方法，检测效率高，可以得到所测工件的内表面三维形貌，但是其分辨率与测量精度还需进一步提升，并且成本较高，在工业检测上的应用存在一定局限。基于光散射法的光纤传感内表面粗糙度测量技术由于经济性好、可靠性高，近年来多位学者对此项技术进行了研究，张涛等人在《四川大学学报》发表了《内表面粗糙度测量仪》，该装置可以将探头深入到孔中，进行区域性粗糙度测量，但是其光学结构较复杂且控制精度要求较高，所以测量速度较慢，只适合实验性测量，工业检测应用受到制约。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种非接触测量深孔内表面粗糙度的测量装置和方法，同时全深度测量深孔内表面的多条母线上的粗糙度，具有成本低、运动控制要求低、检测效率高及实用性强的特点。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种非接触测量深孔内表面粗糙度的测量装置，包括运动控制模块、激光器、耦合装置、光纤传感器阵列、光电检测模块、数据采集卡和计算机；

所述光纤传感器阵列包括测头和多个光纤传感器，所述测头为圆柱状，所述测头与能控制其直线移动的运动控制模块连接，所述测头内沿轴向设有多个传感器定位孔，所述传感器定位孔为通孔，多个所述传感器定位孔沿周向均匀分布，且分别与每个光纤传感器一一对应；

所述光纤传感器为收发一体结构，包括光纤传感头、接收光纤、从发射光纤、直角微棱镜和固定器，所述接收光纤和从发射光纤的一端通过固定器汇聚为一路光纤与光纤传感头的一端连接，所述直角微棱镜安装于光纤传感头的另一端，多个从发射光纤的另一端通过固定器汇聚为主发射光纤

所述耦合装置的一端与激光器连接，另一端与主发射光纤连接，激光器发出的激光束经过耦合装置传至主发射光纤，再分为多路分别经过从发射光纤进入对应光纤传感头；

所述接收光纤的另一端与光电检测模块连接，所述光电检测模块、数据采集卡和计算机依次电连接；

优选地，所述从发射光纤采用芯径10um，数值孔径为0.14的石英材质的单模光纤，所述接收光纤采用芯径200um，数值孔径为0.22的石英材质的多模光纤。

优选地，所述光纤传感器的个数为四个。

优选地，所述激光器发出波长为980nm，功率为20mW的激光光束。

优选地，所述耦合装置FC法兰，所述FC法兰包括公座与母座，所述FC法兰的母座安装在激光器的出射端口上，所述FC法兰的公座安装于主发射光纤一端。

优选地，所述光纤传感头与传感器定位孔过盈配合，所述直角微棱镜的探测面与测头过对应定位孔中心的半径方向垂直。

一种非接触测量深孔内表面粗糙度的方法，包括：

运动控制模块牵引光纤传感器阵列在待测孔内移动，所述光纤传感器阵列包括多个沿待测孔轴向布置的光纤传感器；

同时激光器发射稳定的激光光束，经耦合装置传入主发射光纤，再经过多个从发射光纤传至对应光纤传感器，每个光纤传感器的光纤传感头末端都安装有直角微棱镜，直角棱镜使激光垂直照射到待测孔的内表面上；

经待测孔的表面散射后的激光由接收光纤接收；

接收光纤接收的光信号经光电检测模块处理转换成电压信号，然后经数据采集卡实现电压信号的A/D转换，最后由计算机实现粗糙度的计算和显示。

优选地，所述运动控制模块牵引光纤传感器阵列在待测孔内移动的速度低于5mm/s。

优选地，所述计算机计算粗糙度的公式为：

其中，R_a被测内表面粗糙度值；U为所述测量装置的输出电压；a，b为标定系数；c为补偿因子。

本发明的有益效果：

1)本发明采用光纤传感器阵列，能够快速高效实现深孔内表面粗糙度参数的全深度多母线上的在线测量。

2)本发明的光纤传感器阵列包括四个平行设置的光纤传感器，能够同时测待测孔内表面四条不同母线上的表面粗糙度数据，可以有效剔除偏心测量时的数据点，以提高系统测量精度。

附图说明

图1为本发明所述一种非接触测量深孔内表面粗糙度的测量装置的组成框图。

图2为本发明所述一种非接触测量深孔内表面粗糙度的测量装置的组成结构示意图。

图3为本发明所述光纤传感器阵列的结构示意图。

图4为本发明所述测头的一端面示意图。

图5为本发明所述光纤传感器结构示意图。

图6为本发明测量光纤传感器特性的测试装置的组成结构示意图。

图7为本发明光纤传感器输出随测量距离变化影响。

图8为本发明光纤传感器特性测试装置实测的粗糙度变化曲线。

图中：

1.运动控制模块；2.激光器；3.耦合装置；4.光纤传感器阵列；5.光电检测模块；6.数据采集卡；7.计算机；8.光纤传感器；801.直角微棱镜；8011.探测面；802.接收光纤；803.光纤传感头；804.从发射光纤；805.主发射光纤；806.固定器；9.测头；901.传感器定位孔；10.精密移动平台；；11.待测孔。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1和图2所示，本发明所述的一种非接触测量深孔内表面粗糙度的测量装置，包括运动控制模块1、激光器2、耦合装置3、光纤传感器阵列4、光电检测模块5、数据采集卡6和计算机7；

所述光纤传感器阵列4包括测头9和四个光纤传感器8，测头9的作用主要是固定住光纤传感器8在运动控制模块1的牵引下能进行平稳的低速运动。四个光纤传感器8的结构参数相同，如图5所示，所述光纤传感器8为收发一体结构，包括光纤传感头803、接收光纤802、从发射光纤804、直角微棱镜801和固定器806，所述接收光纤802与从发射光纤804的一端通过固定器806汇聚为一路光纤并与光纤传感头803的一端连接，多个从发射光纤804的另一端通过固定器806汇聚为主发射光纤805，所述直角微棱镜801安装于光纤传感头803的另一端，直角微棱镜801尺寸为2mm×2mm×2mm，其斜面镀膜，保证光线在棱镜反射面上的反射率大于98％，而且光纤传感头803端面与直角微棱镜801的联接采用的是UV光学胶，其高透光性也可以大大减少出射光因棱镜带来的能量损耗，可以不予考虑。

如图3和图4所示，所述测头9为圆柱状，所述测头9与能控制其直线移动的运动控制模块1连接，所述测头9内沿轴向设有四个传感器定位孔901，所述传感器定位孔901为通孔，四个所述传感器定位孔901沿周向均匀分布，且分别与每个光纤传感器8一一对应。光纤传感头803与传感器定位孔901过盈配合，以减少和避免阵列在移动时光纤传感头803松动或者脱落对测量的影响。所述直角微棱镜801的探测面8011与测头9过对应定位孔901中心的半径方向A垂直，以使光纤传感器8的发射光能垂直入射到孔内壁上。

耦合装置3为FC法兰，所述FC法兰包括公座与母座，所述FC法兰的母座安装在激光器2的出射端口上，所述FC法兰的公座安装于主发射光纤805一端，将光信号传至光纤传感头803。主发射光纤805集中在一根光缆内，由激光器2驱动即可，从光源上进一步保证除被测量以外其他条件的一致性。

所述接收光纤802与光电检测模块5连接，所述光电检测模块5、数据采集卡6和计算机7电连接；光电检测模块5由多个PIN二极管与光电检测电路组成，PIN二极管的响应波长在可见光范围以外，可以有效减少自然光带来的干扰；光电检测电路由IV转换模块、放大模块、偏置调零模块组成，其中，IV转换模块电路采用T型电路结构将所述PIN二极管输出的电流信号转换为电压信号，放大模块电路采用反向放大电路结构进行电压信号放大，放大增益可调，偏置调零模块采用可调电阻分压产生压差对所述的PIN二极管、IV转换模块及放大模块产生的漂移进行补偿。

激光器2发出一束功率稳定的红外激光信号，波长为980nm，功率为20mW，经耦合装置3耦合进入主发射光纤805后一分为四分别传至四路从发射光纤804中，四路出射的激光再经过直角微棱镜801偏转后垂直照射到被待测孔11的内表面上，可实现同时对孔内表面4条母线上粗糙度测量。

不同尺寸的测头9中的传感器定位孔901的位置d₁并不固定，由最佳测量距离d决定，二者关系为d₁＝d-1，其中d₁必须大于1.5mm，因此d也必须大于2.5mm。而最佳测量距离d与光纤传感器8的特性有关，因此需要通过光纤传感器8的特性测试试验确定最佳测量距离d，进而确定测头中的传感器定位孔901的位置d₁。如图6所示，光纤传感器特性测试装置使用精密移动平台10控制单个光纤传感器8的运动，激光器2发射的激光经耦合装置3和发送光纤传至光纤传感器8，经过直角微棱镜801后垂直于待测孔11的内表面，内表面散射的光经接收光纤802后传至光电检测模块5，然后由数据采集卡6转换后由计算机7计算并显示。

以测量12mm孔径的内表面粗糙度时为例，最佳测量距离d选定的流程具体实施方式如下：

步骤1：选择孔径12mm，粗糙度为0.1μm，0.2μm，0.4μm，0.8μm磨内孔样块组；

步骤2：三维精密移动平台10控制光纤传感器8移动，每次移动0.1mm作为一个数据采集点，单次测量5次，做平均处理，绘制表面R_a＝0.1μm，0.2μm，0.4μm，0.8μm时测试装置的输出随工作距离变化曲线图，如图7所示。图7中特性测试装置输出随测量距离变化影响曲线的作用在于分析光纤传感器的距离敏感特性图7中测量距离d从0～2.5mm上的数据为未安装棱镜的光纤传感器垂直照射相应磨内孔样块组测得，从2.5mm开始的数据为装上棱镜的光纤传感器测得。

步骤3：根据步骤2，绘制测量距离d＝2.6mm，2.8mm，3.0mm，3.2mm时特性测试装置输出随粗糙度变化曲线图，如图8所示，作用在于分析光纤传感器的粗糙度敏感特性即该曲线斜率。光纤传感器特性测试装置输出与曲表面粗糙度关系式为，

U≈a·exp[b·R_a ²]+c

其中，R_a被测内表面粗糙度值；U为装置输出电压；a，b为标定系数；c为补偿因子。

步骤4：综合分析和光纤传感器8在测量内表面粗糙度时需要较小的和较大的因此最佳测量距离确定为2.8mm。

根据步骤3还得到对应测量距离2.8mm时的U-R_a公式，如下，得到光纤传感器特性测试装置输出电压U与粗糙度值R_a之间的换算。

U≈0.4714·exp[-13.85·R_a ²]+0.2483

对上式进行换算，即可得到装置输出U对应的表面粗糙度值R_a，粗糙度R_a计算式

本发明所述一种非接触测量深孔内表面粗糙度的方法，包括：

运动控制模块1牵引光纤传感器阵列4在待测孔11内移动，所述光纤传感器阵列包括多个沿深孔轴向布置的光纤传感器；

同时激光器2发射稳定的激光光束，经耦合装置2传入主发射光纤805，再经过多个从发射光纤804传至光纤传感器8，光纤传感器8的光纤传感头803末端安装有直角微棱镜801，直角棱镜801使激光垂直照射到待测孔11的内表面上；

经待测孔11的内表面散射后的激光由接收光纤802接收；

接收光纤802接收的光信号经光电检测模块5处理转换成电压信号，然后经数据采集卡6实现电压信号的A/D转换，最后由计算机7实现粗糙度的计算和显示。

测试时，运动控制模块1牵引光纤传感器阵列4在待测孔11内移动的速度低于5mm/s，以满足全深度快速测量要求。

进一步地，所述计算机7计算粗糙度的公式为：

其中，R_a被测内表面粗糙度值；U为本发明所述一种非接触测量深孔内表面粗糙度的测量装置的输出电压；a，b为标定系数；c为补偿因子。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种非接触测量深孔内表面粗糙度的测量装置，其特征在于，包括运动控制模块(1)、激光器(2)、耦合装置(3)、光纤传感器阵列(4)、光电检测模块(5)、数据采集卡(6)和计算机(7)；

所述光纤传感器阵列(4)包括测头(9)和多个光纤传感器(8)，所述测头(9)为圆柱状，所述测头(9)与能控制其直线移动的运动控制模块(1)连接，所述测头(9)内沿轴向设有多个传感器定位孔(901)，所述传感器定位孔(901)为通孔，多个所述传感器定位孔(901)沿周向均匀分布，且分别与每个光纤传感器(8)一一对应；

所述光纤传感器(8)为收发一体结构，包括光纤传感头(803)、接收光纤(802)、从发射光纤(804)、直角微棱镜(801)和固定器(806)，所述接收光纤(802)与从发射光纤(804)的一端通过固定器(806)汇聚为一路光纤并与光纤传感头(803)的一端连接，所述直角微棱镜(801)安装于光纤传感头(803)的另一端，多个从发射光纤(804)的另一端通过固定器(806)汇聚为主发射光纤(805)；

所述耦合装置(3)的一端与激光器(2)连接，另一端与主发射光纤(805)连接，激光器(2)发出的激光束经过耦合装置(3)传至主发射光纤(805)，再分为多路分别经过从发射光纤(804)进入对应光纤传感头(803)；

所述接收光纤(802)的另一端与光电检测模块(5)连接，所述光电检测模块(5)、数据采集卡(6)和计算机(7)依次电连接。

2.根据权利要求1所述的非接触测量深孔内表面粗糙度的测量装置，其特征在于，所述从发射光纤(804)采用芯径10um，数值孔径为0.14的石英材质的单模光纤，所述接收光纤(802)采用芯径200um，数值孔径为0.22的石英材质的多模光纤。

3.根据权利要求2所述的非接触测量深孔内表面粗糙度的测量装置，其特征在于，所述光纤传感器(8)的个数为四个。

4.根据权利要求1所述的非接触测量深孔内表面粗糙度的测量装置，其特征在于，所述激光器(2)发出波长为980nm，功率为20mW的激光光束。

5.根据权利要求1所述的非接触测量深孔内表面粗糙度的测量装置，其特征在于，所述耦合装置(3)为FC法兰，所述FC法兰包括公座与母座，所述FC法兰的母座安装在激光器(2)的出射端口上，所述FC法兰的公座安装于主发射光纤(805)一端。

6.根据权利要求1所述的非接触测量深孔内表面粗糙度的测量装置，其特征在于，所述光纤传感头(803)与传感器定位孔(901)过盈配合，所述直角微棱镜(801)的探测面(8011)与测头(9)过对应定位孔(901)中心的半径方向A垂直。

7.一种非接触测量深孔内表面粗糙度的方法，其特征在于，包括：

运动控制模块(1)牵引光纤传感器阵列(4)在待测孔(11)内移动，所述光纤传感器阵列包括多个沿待测孔(11)轴向布置的光纤传感器；

同时激光器(2)发射稳定的激光光束，经耦合装置(2)传入主发射光纤(805)，再经过多个从发射光纤(804)传至对应光纤传感器(8)，每个光纤传感器(8)的光纤传感头(803)末端都安装有直角微棱镜(801)，直角棱镜(801)使激光垂直照射到待测孔(11)的内表面上；

经待测孔(11)的表面散射后的激光由接收光纤(802)接收；

接收光纤(802)接收的光信号经光电检测模块(5)处理转换成电压信号，然后经数据采集卡(6)实现电压信号的A/D转换，最后由计算机(7)实现粗糙度的计算和显示。

8.根据权利要求7所述的非接触测量深孔内表面粗糙度的方法，其特征在于，所述运动控制模块(1)牵引光纤传感器阵列(4)在待测孔(11)内移动的速度低于5mm/s。

9.根据权利要求6所述的非接触测量深孔内表面粗糙度的方法，其特征在于，所述计算机(7)计算粗糙度的公式为：

其中，R_a被测内表面粗糙度值；U为所述测量装置的输出电压；a，b为标定系数；c为补偿因子。