[发明专利]光纤布拉格光栅FBG三维测头

说明书

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11出射，经过2×3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2×3耦合器12后，经过另一个2×2耦合器14进入匹配FBG 15，从匹配FBG反射回来的光经过2×2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E₁，当传感FBG发生应变，并且中心波长变化Δλ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E₁＞E₂。

测量原理：

FBG波长λ_B取决于光栅周期Λ和纤芯有效折射率n_eff。

λ_B＝2n_effΛ

应力引起FBG中心波长漂移可由下式描述：

Δλ_B＝2n_effΔΛ+2Δn_effΛ

式中ΔΛ为光纤本身在应力作用下的弹性形变

Δn_eff-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；