本發(fā)明涉及光纖傳感器，尤其涉及一種光纖研磨方法及研磨加工裝置。

背景技術：

1、光纖壓力傳感器具有抗電磁干擾、耐高溫耐腐蝕、復用能力強、體積小等優(yōu)點，因此在諸多領域得到了應用。但在一些使用領域中，如地震監(jiān)測、結構健康檢測、醫(yī)療設備和水下目標探測等，對其壓力靈敏度會有更高的要求。對于壓力測量常用的光纖傳感器是基于f-p腔的膜片式光纖壓力傳感器，通過其結構中對壓力敏感的膜片實現(xiàn)對壓力的測量。膜片式光纖壓力傳感器的壓力靈敏度與膜片厚度的三次方成反比，故當f-p傳感器的膜片越薄時，f-p傳感器的壓力靈敏度將會顯著提高。

2、目前有許多不同的制造方法對f-p傳感器的膜片進行減薄，以提高傳感器的壓力靈敏度。目前的主要加工方法包括飛秒激光加工，化學腐蝕法和研磨法。其中飛秒激光加工會對光纖本身造成一定損傷，傳感器易在沖擊波測量過程中造成損壞，且飛秒激光加工設備較為昂貴，使得傳感器的制作成本較高。在化學腐蝕法中，由于纖芯的腐蝕速率要快于包層，因此在化學腐蝕過程中，膜片的中心會留下一個孔洞，中心的孔洞會導致膜片在過薄時發(fā)生穿孔的現(xiàn)象，導致膜片的厚度很難被腐蝕到一個比較小的范圍，孔洞的存在也會使得f-p傳感器的膜片表面質量下降，影響傳感器使用性能，這對傳感器的靈敏度提升十分不利。

3、使用研磨機對f-p傳感器膜片進行研磨的方法能夠克服飛秒激光加工法對光纖造成損傷、制作成本高的缺點，也能夠克服化學腐蝕法腐蝕不均勻導致膜片表面質量下降這一缺點。

4、現(xiàn)有授權公告號為cn113334198b的發(fā)明專利，公開了一種基于傘狀結構裝夾的光纖端面研磨系統(tǒng)，包括研磨裝置和夾持裝置；研磨裝置包括驅動電機和研磨轉盤，研磨轉盤與驅動電機傳動連接，且遠離驅動電機的端面上設置有研磨砂紙；夾持裝置包括直線往復機構和多個連桿，連桿上設置有夾持座。在實際應用過程中，直線往復機構的運動末端設置有多個連桿，以通過多個連桿上對應設置的多個夾持座同時夾持多根光纖，由直線往復機構帶動，使被夾持的光纖端面貼合研磨砂紙，并在研磨砂紙的中心至邊緣之間做往復直線運動，從而提高光纖的研磨效率，且通過驅動電機帶動研磨轉盤轉動，即帶動研磨砂紙相對于光纖轉動，從而提高研磨砂紙的利用率；

5、如上述技術方案中，光纖在研磨過程中，會在連桿的帶動下沿砂紙的徑向進行移動，但光纖采用研磨加工方式，本身精度就偏低，輔以上述研磨動作后，會由于位移產(chǎn)生的晃動、連桿擺動的不可控性，進一步造成光纖研磨精度控制難度增大的問題，影響光纖的加工精度；

6、此外，其技術方案中是多根光纖同時研磨，然而在對光纖腔長厚度進行加工時，受于光纖裝夾、形變等因素的影響，很難保證所有光纖同時達到研磨要求，這進一步的提高了研磨難度。

技術實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提出了一種可有效保證光纖研磨精度、加工便利的光纖研磨方法及研磨加工裝置，以解決現(xiàn)有光纖研磨裝置存在研磨精度低、難以保證所有光纖同時達到研磨精度的問題。

2、本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的：

3、一方面，本發(fā)明提供了一種光纖研磨方法，包括以下步驟：

4、s11、設置三軸位移機構和研磨盤用于光纖的研磨工作，以上位機對三軸位移機構和研磨盤進行電性控制，

5、s12、在三軸位移機構上設置夾持組件，在夾持組件上安裝光纖傳感器，三軸位移機構帶動光纖傳感器移動，以靠近或遠離研磨盤，

6、s13、在光纖傳感器靠近研磨盤時，確定初始研磨點位，通過研磨盤對光纖傳感器的端部進行研磨；

7、其中，在研磨過程中，以寬帶光源、光學環(huán)形器和光譜儀組成解調系統(tǒng)，以檢測光纖光譜信息并轉化為電信號，電信號傳輸給上位機，上位機通過解調算法對研磨厚度實時監(jiān)測，并與三軸位移機構和研磨盤通過硬件模塊建立通訊，之后根據(jù)研磨厚度檢測信息控制三軸位移機構和研磨盤的動作。

8、在以上技術方案的基礎上，優(yōu)選的，研磨厚度通過峰值數(shù)目進行計算，其步驟為：

9、設置光纖傳感器，將傳感器膜片視為固體腔，三個反射面形成了兩個f-p腔，入射光在3個反射面間發(fā)生不同程度的反射與透射，最終反射光相互疊加干涉，形成光譜，三個反射面依次記作m1、m2和m3，其干涉后形成的反射光的強度表示為：

10、

11、式中：為輸出光強度；、、分別為反射面m1、m2和m3處的反射率；為輸出波長；，為f-p固體腔和f-p空芯腔的介質的折射率；、分別為f-p固體腔和f-p空芯腔的腔長；為圓周率；為余弦函數(shù)；

12、其中f-p固體腔的干涉信號為：

13、

14、式中，、分別為反射面m1和m2處的反射率；為f-p固體腔的介質的折射率；為f-p固體腔的腔長；為圓周率；為余弦函數(shù)；為輸出波長；

15、在考慮半波損失的情況下，初相位為，當相位差時，干涉相消可得研磨過程中f-p固體腔的腔長減少表達式為：

16、

17、式中，為干涉級次，即f-p傳感器在研磨過程中產(chǎn)生的實際包絡數(shù)目；為f-p固體腔的介質的折射率，；為輸出波長；為f-p固體腔的腔長減少量；為圓周率；

18、通過腔長減少量對研磨厚度實時監(jiān)測。

19、在以上技術方案的基礎上，優(yōu)選的，初始研磨點位，通過f-p空芯腔受壓后的腔長變化進行確定，其步驟為：

20、根據(jù)楊氏模量的定義：

21、

22、式中，e是楊氏模量；f是施加的壓力；s是有效受力橫截面的面積；l是f-p空芯腔的長度；δl是f-p空芯腔腔長的改變量；這個方程可以變換為：

23、

24、式中，e是楊氏模量；f是施加的壓力；s是有效受力橫截面的面積；l是f-p空芯腔的長度；δl是f-p空芯腔腔長的改變量；

25、當研磨盤所受壓力發(fā)生變化時，光纖傳感器f-p空芯腔的腔長也會發(fā)生變化，當光纖傳感器的結構參數(shù)確定之后，公式中的e、s、l為確定的值，f-p空芯腔腔長的變化量與光纖所受的壓力成正比；

26、根據(jù)上述的光纖f-p傳感器干涉理論公式，當傳感器膜片接觸研磨盤，在光纖傳感器的端部受壓后，f-p空芯腔腔長發(fā)生變化，光譜波形向右漂移，通過光譜波形某一波峰的漂移量得到此時光纖傳感器端部所受到的壓力值，當光纖f-p傳感器達到預設壓力值時，作為光纖傳感器的研磨初始點。

27、在以上技術方案的基礎上，優(yōu)選的，在研磨厚度實時監(jiān)測步驟中，通過解調算法處理信號，其步驟為：

28、s21、對雙f-p干涉信號進行快速傅里葉變換得到兩個主峰，濾波器分離后得到f-p空芯腔幅頻特性和f-p固體腔幅頻特性，對f-p固體腔幅頻特性進行傅里葉逆變換得到f-p固體腔干涉光譜信號，對f-p空芯腔幅頻特性進行傅里葉逆變換得到f-p空芯腔干涉光譜信號；

29、s22、通過尋峰算法找到某一波峰所對應的波長值，通過上述的f-p空芯腔受壓后的腔長變化的理論公式，則可利用光譜波形該波峰的漂移量得到此時光纖傳感器端部所受到的壓力值；

30、s23、采用濾波器對所得到的f-p固體腔干涉光譜信號進行濾波，得到特定波長下的干涉信號；

31、s24、研磨過程中由于f-p固體腔的腔長的減小導致光譜信號發(fā)生變化，對此過程中產(chǎn)生的光譜信號進行標準化、歸一化的前處理，以得到幅值處處相等的光譜信號，對前處理后的光譜信號進行去噪處理，得到平滑的光譜信號；

32、s25、采用尋峰算法檢測一個包絡是否出現(xiàn)兩個峰值，去掉多余峰值數(shù)目，得到實際包絡數(shù)；

33、s26、式中，為通過顯微鏡測得f-p固體腔的初始厚度，為研磨過程中f-p固體腔的腔長減少表達式；為f-p固體腔的介質的折射率，為干涉級次，即f-p傳感器在研磨過程中產(chǎn)生的實際包絡數(shù)目。

34、另一方面，本發(fā)明提出了一種研磨加工裝置，應用于上述的光纖研磨方法，包括三軸位移機構、研磨盤、模塊機架、夾持組件和調節(jié)鎖止件，其中，

35、三軸位移機構設置在研磨盤的一側；

36、模塊機架為筒狀結構，模塊機架的周面分為平面和弧形面，平面與三軸位移機構相連接；

37、夾持組件環(huán)繞弧形面設置有多個，并與模塊機架插接，夾持組件用于夾持光纖傳感器；

38、調節(jié)鎖止件設置在模塊機架上，調節(jié)鎖止件用于將夾持組件保持在研磨高度或待機高度；

39、研磨盤對光纖進行研磨時，通過解調系統(tǒng)檢測光纖光譜信息并轉化為電信號，電信號傳輸給上位機，以通過上位機控制三軸位移機構的進給量；

40、在任一光纖傳感器的腔長達到目標厚度時，調節(jié)鎖止件彈起夾持光纖傳感器的夾持組件，對應的夾持組件位于待機高度。

41、在以上技術方案的基礎上，優(yōu)選的，模塊機架包括筒體、隔板、套筒和蓋板，其中，

42、平面和弧形面設置在筒體上；

43、隔板設置在筒體內(nèi)，將筒體的內(nèi)腔分隔為頂腔和底腔；

44、套筒穿過隔板，夾持組件與套筒插接；

45、蓋板設置在筒體上，以密封頂腔，且蓋板對應套筒開設有第一槽口；

46、調節(jié)鎖止件設置在頂腔內(nèi)，且調節(jié)鎖止件的調節(jié)端貫穿蓋板。

47、在以上技術方案的基礎上，優(yōu)選的，夾持組件包括固定座、內(nèi)管、螺栓、底夾、插芯和頂夾，其中，

48、固定座插接在套筒內(nèi)，且固定座的一側設置有第一開口；

49、內(nèi)管設置在固定座內(nèi)，且內(nèi)管對應第一開口設置有第二開口；

50、螺栓與固定座螺紋連接，且螺栓穿過固定座并抵持內(nèi)管；

51、底夾設置在內(nèi)管的下端，插芯設置在底夾內(nèi)，且插芯與內(nèi)管插接，并對應第二開口設置有第三開口；

52、底夾用于擠壓插芯，以對光纖傳感器的一個點位進行夾持；

53、頂夾設置在內(nèi)管的上端，頂夾用于對光纖傳感器的一個點位進行夾持，并控制光纖傳感器進給。

54、在以上技術方案的基礎上，優(yōu)選的，底夾包括錐夾和錐套，插芯包括連續(xù)的插接段、過渡段和夾持段，其中，

55、內(nèi)管的底端設置有第一錐面，并開設有第一定位槽；

56、插接段插接在第一定位槽內(nèi)，過渡段設置有與第一錐面相連續(xù)的第二錐面，過渡段和夾持段均位于內(nèi)管的外側；

57、錐夾套設在插芯上，錐夾的頂面抵持第一錐面，且錐夾的內(nèi)壁與過渡段及夾持段之間留有間隙；

58、錐夾的周面開設有多個第二槽口，以形成多個弧板，其中一個弧板封閉第三開口的側面；

59、錐套套設在內(nèi)管和錐夾上，且錐套與內(nèi)管通過螺紋相連接；

60、錐套旋緊時，錐夾與夾持段遠離內(nèi)管的端部相接觸。

61、在以上技術方案的基礎上，優(yōu)選的，頂夾包括夾座、夾板、第一彈簧、第一夾輥、第二夾輥和旋轉件，其中，

62、夾座開設有第二定位槽，且夾座對應第二開口開設有通槽，以將夾座分割為相連接的固定板和定位板；

63、內(nèi)管遠離底夾一端插接在第二定位槽內(nèi)；

64、定位板設置有凸臺和插槽，夾板的中段與凸臺轉動連接；

65、第一彈簧的一端插接在插槽內(nèi)，另一端抵持夾板的低端，第二定位槽對應插槽設置有平面部；

66、第一夾輥轉動設置在固定板上；

67、第二夾輥通過旋轉件與夾板轉動連接，且第二夾輥與旋轉件相對周向限位。

68、在以上技術方案的基礎上，優(yōu)選的，調節(jié)鎖止件包括第二彈簧、轉軸、壓蓋、撥桿、舵機、限位桿和限位塊，其中，

69、第二彈簧設置在套筒內(nèi)；

70、轉軸設置在隔板上；

71、壓蓋的中段與轉軸轉動連接；

72、撥桿設置在壓蓋的一端上，且撥桿貫穿蓋板，蓋板對應撥桿開設有弧形槽；

73、舵機設置在隔板上；

74、限位桿與舵機的主軸相連接；

75、限位塊設置在舵機上；

76、研磨加工裝置研磨時，限位塊對限位桿限位，壓蓋封閉套筒的頂端，使夾持組件保持研磨高度；

77、研磨加工裝置結束研磨時，限位桿處于調節(jié)位，壓蓋解除對套筒的封閉，第二彈簧彈起夾持組件，使夾持組件保持待機高度。

78、本發(fā)明的光纖研磨方法及研磨加工裝置相對于現(xiàn)有技術具有以下有益效果：

79、（1）本加工方法利用f-p傳感器膜片厚度解調算法，通過離散傅里葉變換將干涉光譜信號轉換到頻域，利用濾波器技術分離和識別出固體腔（膜片）的特定波長下的光譜信號，并通過傅里葉逆變換將信號轉換回時間域，進行標準化歸一化和去噪處理，以平滑光譜圖并精確尋峰，進而通過理論公式計算出固體腔（膜片）的實時厚度；如此實現(xiàn)了研磨過程中的腔長厚度的在線監(jiān)測，進而實現(xiàn)了對單一光纖的研磨控制，同時保證了光纖的研磨加工精度及效率；

80、（2）本研磨加工裝置，通過設置調節(jié)鎖止件，其可控制夾持組件的位置，如此在通過解調系統(tǒng)及上位機的協(xié)同作用下，判斷單一光纖達到目標研磨厚度時，調節(jié)鎖止件可將對應的夾持組件調節(jié)至待機高度，以避免光纖繼續(xù)研磨；而其他夾持組件上的光纖依舊繼續(xù)研磨，直至達到目標厚度；如此本裝置實現(xiàn)了在多根光纖同時研磨時的厚度精準控制，提高了加工精度，且保證了研磨效率；

81、（3）用于安裝夾持組件的模塊機架由筒體、隔板、套筒和蓋板組成，其整體為中空結構，如此在三軸位移機構帶動模塊機架進行動作時，可降低負載慣性，以保證三軸位移機構的位移精度，進而保證光纖研磨加工精度；

82、（4）在夾持組件中，其設置有頂夾和底夾兩部分，可對光纖傳感器進行雙點夾持，以減少光纖傳感器的晃動，進而充分保證夾持穩(wěn)定性；同時頂夾還用于控制光纖傳感器的進給，如此其同步實現(xiàn)了夾持定位和進給控制，可保證光纖傳感器具有精準的進給量，以保證加工精度；

83、（5）夾持組件的底夾包括錐夾和錐套兩部分，且在底夾內(nèi)設置有插芯，在進行裝配時，錐夾與內(nèi)管的第一錐面相配合，并與插芯之間留有間隙，僅在安裝錐套進行夾持固定時，錐夾的端部才會與插芯的端部進行接觸，如此可防止出現(xiàn)接觸面過大導致光纖傳感器夾持受力不均的問題，以避免影響加工精度；且插芯為可拆卸結構，如此方便進行檢修更換，也方便針對光纖適應性的進行結構或材料上的調整；

84、（6）在調節(jié)鎖止件中，其通過壓蓋對夾持組件進行壓持固定，并通過舵機上的限位桿及限位塊實現(xiàn)定位，而在光纖達到研磨要求后，舵機則可通過限位桿的轉動，使壓蓋解除對夾持組件的壓持，此時夾持組件便會被第二彈簧彈起，保持在待機高度，以避免繼續(xù)研磨，從而保證研磨精度。