本發(fā)明涉及測距，具體涉及一種光纖塞尺、微間隙測量系統(tǒng)及測量方法。

背景技術(shù)：

1、常用金屬塞尺對帶深度的微小間隙進行測量，該方法屬于接觸式測量，只能測量間隙的最小值，且不能夠?qū)﹂g隙值進行實時檢測。這導(dǎo)致塞尺不能滿足需要保護間隙兩側(cè)物體不受破壞的無損測量，無法獲取塞尺在插入間隙過程中的間隙隨深度的變化情況，同時不能適用于裝配過程中對間隙值的實時檢測。因此，如何能夠設(shè)計一個非接觸式的測量間隙的塞尺，是亟需解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種光纖塞尺、光纖塞尺及測量方法，擬基于微型光纖傳感結(jié)構(gòu)，構(gòu)建非接觸式的“光纖塞尺”，利用光學(xué)頻域干涉測距原理和波分復(fù)用技術(shù)同時獲取待測間隙上下表面到傳感器的距離，再利用簡單幾何關(guān)系精確地測量出微小間隙值，該方法能夠?qū)崟r獲取間隙值的絕對距離，能夠?qū)崿F(xiàn)間隙變化過程中的間隙實時檢測，也能夠?qū)崟r獲取塞尺在插入間隙過程中間隙隨深度的變化情況，同時利用激光測距實現(xiàn)對間隙兩側(cè)物體的非接觸測量，確保待測面不受破壞的無損測量。

2、本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種光纖塞尺，包括：

4、傳感器安裝支架，在所述傳感器安裝支架的其中一個端部開設(shè)有貫穿所述傳感器安裝支架表面的開槽；

5、光纖探頭，設(shè)置在所述開槽內(nèi)，由兩根平行疊加的單模光纖組成，兩根所述單模光纖靠近開設(shè)開槽的所述傳感器安裝支架的端部的一側(cè)的光纖端面分別與各自對應(yīng)的單模光纖的表面呈45°，且兩根所述單模光纖靠近開設(shè)開槽的所述傳感器安裝支架的端部的一側(cè)的光纖端面之間的夾角呈90°，通過所述光纖端面折射所述單模光纖中的光束至所述單模光纖的表面，令該表面為參考光反射面，使得其中一部分光形成參考光反射回所述光纖端面并折射至信號接收端，另一部分光透過所述參考光反射面至間隙的內(nèi)壁后形成用于與所述參考光發(fā)生干涉的信號光，所述信號光透過所述參考光反射面至所述光纖端面并折射至信號接收端，以實現(xiàn)對間隙的兩個內(nèi)壁分別至所述光纖探頭對應(yīng)的上表面或下表面的距離的測量。

6、作為優(yōu)化，所述傳感器安裝支架為薄片，且所述開槽的長度方向與所述薄片的長度方向平行。

7、作為優(yōu)化，所述光纖探頭的上表面低于所述薄片的上表面，所述光纖探頭的下表面高于所述薄片的下表面，且所述光纖探頭靠近開設(shè)所述開槽的所述傳感器安裝支架的端部的一側(cè)的光纖端面位于所述開槽內(nèi)部。

8、作為優(yōu)化，其中一個所述單模光纖靠近開設(shè)開槽的所述傳感器安裝支架的端部的一側(cè)的光纖端面的延長面與所述傳感器安裝支架的上表面呈45°，另一個所述單模光纖靠近開設(shè)開槽的所述傳感器安裝支架的端部的一側(cè)的光纖端面的延長面與所述傳感器安裝支架的下表面呈45°。

9、本發(fā)明還公開了一種微間隙測量系統(tǒng)，包括：

10、寬譜光源，用于產(chǎn)生寬譜光；

11、光波傳輸裝置，用于接收所述寬譜光并傳輸所述寬譜光至前述的光纖塞尺，并接收和傳輸從所述光纖塞尺的光纖返回的參考光和信號光；

12、前述光纖塞尺，用于通過光纖與所述光波傳輸裝置連接；

13、光譜儀，用于采集所述光纖中的參考光和信號光，以完成所述參考光與所述信號光的干涉和光電轉(zhuǎn)換，得到頻域干涉信號；

14、計算機，利用傅里葉分析處理頻域干涉信號獲取所述參考光和信號光的時間差，計算得到光纖端面與間隙對應(yīng)內(nèi)壁的距離。

15、作為優(yōu)化，所述光波傳輸裝置包括：

16、光纖環(huán)行器，用于接收所述寬譜光源產(chǎn)生的寬譜光并接收和傳輸反射回的參考光和信號光；

17、波分復(fù)用器，用于將所述寬譜光在頻率/波長上一分為二分成兩束光束，并將分割后得到的兩束光束分別傳輸至光纖探頭對應(yīng)的兩個單模光纖中。

18、作為優(yōu)化，所述間隙的距離具體為：

19、d＝d1+d2+h；

20、其中，d為間隙的距離，d1為光纖塞尺上表面到間隙內(nèi)壁的距離，d2為光纖塞尺下表面到間隙內(nèi)壁的距離，h為光纖探頭的高度。

21、本發(fā)明還公開了一種基于前述的光纖塞尺的測量方法，包括：

22、發(fā)送光束發(fā)射指令，以控制寬譜光源向光纖發(fā)射寬譜光，并通過波分復(fù)用器在同一時刻將寬譜光從頻率上分為兩部分的光束，將單位時間內(nèi)的單次測量提升為兩次測量，兩束所述光束分別通過光纖探頭對應(yīng)的兩個單模光纖以及間隙的內(nèi)壁均分別形成參考光和信號光；

23、發(fā)送頻域信號采集指令，用于控制頻域信號采集裝置采集所述參考光和信號光，并分別完成兩束光束對應(yīng)的參考光和信號光的干涉和光電轉(zhuǎn)換，得到兩個頻域干涉信號；

24、利用計算器進行傅里葉分析，分別處理兩個所述頻域干涉信號分別獲取兩束光束的參考光和信號光的時間差，分別得到兩個所述單模光纖的參考光反射面到間隙的內(nèi)壁的距離；

25、結(jié)合兩個單模光纖的疊加高度以及兩個所述單模光纖的參考光反射面到間隙的內(nèi)壁的距離即為間隙的距離。

26、作為優(yōu)化，兩束所述光束分別通過光纖探頭的兩個單模光纖以及間隙的內(nèi)壁均分別形成參考光和信號光具體過程為：

27、通過所述光纖端面折射所述單模光纖中的光束至所述單模光纖的表面，令該表面為參考光反射面，使得其中一部分光形成參考光反射回所述光纖端面并折射至信號接收端，另一部分光透過所述參考光反射面至間隙的內(nèi)壁后形成用于與所述參考光發(fā)生干涉的信號光。

28、作為優(yōu)化，所述參考光反射面到間隙的內(nèi)壁的距離的具體公式為：

29、d＝τ×c；

30、2n

31、式中：τ為參考光和信號光的傳輸時間差，c為真空中的光速，n為傳輸介質(zhì)的折射率。

32、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果：

33、本發(fā)明所述的光纖塞尺、光纖塞尺及測量方法，可實現(xiàn)超精密制造過程中微小間隙的非接觸無損動態(tài)測量，使微小間隙的動態(tài)調(diào)控提成為可能，對部分高精度工業(yè)產(chǎn)品和尖端武器裝備的生產(chǎn)制造提供技術(shù)支持。

34、本發(fā)明的光纖塞尺在測量時不接觸間隙上下表面，能夠?qū)崿F(xiàn)對間隙的非接觸式測量，比一邊接觸或者兩邊接觸的技術(shù)更加準確；

35、本發(fā)明的測距，利用波分復(fù)用器將寬譜光的光譜均分為兩份，解決了現(xiàn)有技術(shù)中將寬譜光所有的光譜成分用于測試一個距離信息，沒有對寬譜光光譜進行有效利用的弊端，能夠大幅降低多點測距系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性；

36、本發(fā)明的測試系統(tǒng)能在同一時刻進行兩次距離測量，實現(xiàn)同時獲取待測間隙上下表面到傳感器的距離，能夠避免間隙動態(tài)變化過程中上下表面到傳感器的距離信息不是同一時刻帶來的測量誤差，這是本發(fā)明提出方法可以實現(xiàn)間隙非接觸動態(tài)測試的前提條件；

37、現(xiàn)有專利傳感探頭需要額外的反射面，制作困難，成本高，且無法用于非接觸間隙動態(tài)測量；而本發(fā)明的光纖塞尺的結(jié)構(gòu)制作簡單，成本低，同時，本發(fā)明的光纖塞尺，可以隨意移動，以實現(xiàn)非接觸間隙動態(tài)測量，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對間隙上下表面的輪廓測量。

技術(shù)特征：

1.一種光纖塞尺，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖塞尺，其特征在于，所述傳感器安裝支架為薄片，且所述開槽的長度方向與所述薄片的長度方向平行。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光纖塞尺，其特征在于，所述光纖探頭的上表面低于所述薄片的上表面，所述光纖探頭的下表面高于所述薄片的下表面，且所述光纖探頭靠近開設(shè)所述開槽的所述傳感器安裝支架的端部的一側(cè)的光纖端面位于所述開槽內(nèi)部。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光纖塞尺，其特征在于，其中一個所述單模光纖靠近開設(shè)開槽的所述傳感器安裝支架的端部的一側(cè)的光纖端面的延長面與所述傳感器安裝支架的上表面呈45°，另一個所述單模光纖靠近開設(shè)開槽的所述傳感器安裝支架的端部的一側(cè)的光纖端面的延長面與所述傳感器安裝支架的下表面呈45°。

5.一種微間隙測量系統(tǒng)，其特征在于，包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種光纖塞尺，其特征在于，所述光波傳輸裝置包括：

7.一種基于權(quán)利要求1-4任一所述的光纖塞尺的測量方法，其特征在于，包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種光纖塞尺的測量方法，其特征在于，所述間隙的距離具體為：

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種光纖塞尺的測量方法，其特征在于，兩束所述光束分別通過光纖探頭的兩個單模光纖以及間隙的內(nèi)壁均分別形成參考光和信號光具體過程為：

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種光纖塞尺，其特征在于，所述參考光反射面到間隙的內(nèi)壁的距離的具體公式為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及測距技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種光纖塞尺、微間隙測量系統(tǒng)及測量方法，包括：傳感器安裝支架，在所述傳感器安裝支架的其中一個端部開設(shè)有貫穿所述傳感器安裝支架表面的開槽；光纖探頭，設(shè)置在所述開槽內(nèi)，由兩根平行疊加的單模光纖組成，兩根所述單模光纖靠近開設(shè)開槽的所述傳感器安裝支架的端部的一側(cè)的光纖端面分別與各自對應(yīng)的單模光纖的表面呈45°，且兩根所述單模光纖靠近開設(shè)開槽的所述傳感器安裝支架的端部的一側(cè)的光纖端面之間的夾角呈90°。通過本發(fā)明，可實現(xiàn)超精密制造過程中微小間隙的非接觸無損動態(tài)測量，使微小間隙的動態(tài)調(diào)控提成為可能，對部分高精度工業(yè)產(chǎn)品和尖端武器裝備的生產(chǎn)制造提供技術(shù)支持。

技術(shù)研發(fā)人員：陳永超,翁繼東,陶天炯,唐隆煌,劉盛剛,黃金,谷偉,馬鶴立,吳建,陳龍,賈興,李成軍,鮮海峰,王翔
受保護的技術(shù)使用者：中國工程物理研究院流體物理研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23