摘要

本文針對(duì)深孔內(nèi)輪廓高精度測(cè)量需求，探究基于激光頻率梳原理的測(cè)量方法。闡述該方法測(cè)量原理、系統(tǒng)構(gòu)成與測(cè)量步驟，通過(guò)實(shí)例分析其在深孔內(nèi)輪廓測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)，為深孔內(nèi)輪廓精密測(cè)量提供新的技術(shù)路徑。

關(guān)鍵詞

激光頻率梳；深孔；內(nèi)輪廓測(cè)量；干涉原理；精密測(cè)量

一、引言

在航空航天、高端機(jī)械制造等領(lǐng)域，深孔零件內(nèi)輪廓精度直接影響產(chǎn)品性能。如航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室深孔、精密液壓件缸體深孔等，其輪廓精度要求達(dá)微米級(jí)。傳統(tǒng)測(cè)量方法如接觸式測(cè)頭掃描、工業(yè) CT 等，存在測(cè)量效率低、易損傷孔壁或輻射成本高等問(wèn)題。激光頻率梳作為高精度頻率與時(shí)間測(cè)量工具，其獨(dú)特的相干性與頻譜特性為深孔內(nèi)輪廓測(cè)量提供了新思路。

二、激光頻率梳測(cè)量深孔內(nèi)輪廓的原理

激光頻率梳本質(zhì)是一系列等間隔光頻組成的脈沖序列，其頻率間隔可表示為 f_{text{rep}} = frac{c}{2L}（c為光速，L為腔長(zhǎng)），載波包絡(luò)偏移頻率 f_{text{ceo}} 可通過(guò)鎖定實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。測(cè)量深孔內(nèi)輪廓時(shí)，超短脈沖激光經(jīng)分光系統(tǒng)分為測(cè)量光與參考光：測(cè)量光通過(guò)光學(xué)掃描系統(tǒng)投射至深孔內(nèi)壁，反射光與參考光在探測(cè)器處產(chǎn)生干涉。由于深孔內(nèi)不同位置的反射光光程不同，干涉信號(hào)的頻譜分布會(huì)攜帶深度信息。通過(guò)傅里葉變換解析干涉信號(hào)的相位延遲，結(jié)合光頻梳的頻率標(biāo)尺，可反演出深孔內(nèi)壁各點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而重構(gòu)內(nèi)輪廓形貌。

三、測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)成

3.1 光學(xué)系統(tǒng)

采用光纖耦合的飛秒激光頻率梳作為光源，重復(fù)頻率穩(wěn)定在 100MHz 量級(jí)，脈沖寬度小于 100fs。分光系統(tǒng)包含偏振分光棱鏡與準(zhǔn)直透鏡，將測(cè)量光分為多束掃描光束，通過(guò)振鏡掃描系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)深孔內(nèi)壁的二維掃描。參考光路設(shè)置可調(diào)節(jié)的光學(xué)延遲線，用于補(bǔ)償測(cè)量光的光程差。

3.2 機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)

設(shè)計(jì)自定心式三維掃描裝置，包含彈性支撐爪與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)。彈性支撐爪采用記憶合金材料，可自動(dòng)適應(yīng) φ5mm - φ50mm 的深孔直徑，確保掃描機(jī)構(gòu)沿深孔軸線精確移動(dòng)。掃描頭集成微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）振鏡，實(shí)現(xiàn)徑向 200° 范圍內(nèi)的激光掃描。

3.3 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

使用高速光譜儀（采樣率≥1MHz）采集干涉信號(hào)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）實(shí)時(shí)進(jìn)行頻譜分析。數(shù)據(jù)處理軟件基于 LabVIEW 開(kāi)發(fā)，集成光頻梳相位解算算法與三維輪廓重構(gòu)算法，可自動(dòng)生成 STL 格式的內(nèi)輪廓模型。

四、測(cè)量方法與步驟

4.1 系統(tǒng)標(biāo)定

在測(cè)量前，利用標(biāo)準(zhǔn)圓柱深孔（直徑 φ10mm，深度 100mm，粗糙度 Ra0.1μm）進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定。通過(guò)調(diào)節(jié)參考光路延遲線，使干涉信號(hào)的中心波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)光譜儀的最佳響應(yīng)區(qū)間，同時(shí)校準(zhǔn)掃描機(jī)構(gòu)的軸向與徑向坐標(biāo)零點(diǎn)，確保測(cè)量坐標(biāo)系的準(zhǔn)確性。

4.2 深孔掃描

將掃描裝置插入深孔，彈性支撐爪自動(dòng)定心后，啟動(dòng)軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)（速度 1mm/s）與振鏡掃描（頻率 50Hz）。激光頻率梳以 100kHz 的重復(fù)頻率發(fā)射脈沖，每掃描 1mm 采集一組干涉光譜數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含 1024 個(gè)光譜點(diǎn)。對(duì)于深度 100mm 的深孔，全程掃描時(shí)間約 2 分鐘。

4.3 數(shù)據(jù)處理與輪廓重構(gòu)

對(duì)采集的干涉光譜進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)小波變換去除環(huán)境噪聲。利用光頻梳的雙頻率鎖定特性（f_{text{rep}}與f_{text{ceo}}），將光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相位延遲信息，根據(jù)公式 d = frac{c cdot Delta phi}{4pi f_{text{rep}}}（Delta phi為相位差）計(jì)算各點(diǎn)深度值。最后通過(guò)三角網(wǎng)格剖分算法，將離散的深度數(shù)據(jù)重構(gòu)為連續(xù)的三維內(nèi)輪廓模型。

五、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與優(yōu)勢(shì)分析

5.1 實(shí)驗(yàn)案例

對(duì)某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴深孔（直徑 φ8mm，深度 80mm，錐度≤0.05mm）進(jìn)行測(cè)量，傳統(tǒng)接觸式測(cè)量需 30 分鐘 / 件，且因測(cè)頭磨損導(dǎo)致重復(fù)精度僅 ±50μm。采用激光頻率梳測(cè)量方法，單次掃描時(shí)間 2.5 分鐘，重復(fù)測(cè)量 10 次的標(biāo)準(zhǔn)偏差為 ±8μm，成功檢測(cè)出孔壁中部 0.03mm 的局部凸起，而傳統(tǒng)方法未能識(shí)別該缺陷。

5.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

5.2.1 非接觸高精度測(cè)量

基于光頻梳的相干測(cè)量原理，避免接觸式測(cè)量的機(jī)械磨損，深度測(cè)量精度達(dá) ±10μm，輪廓分辨率達(dá) 50nm，適用于精密深孔的內(nèi)表面缺陷檢測(cè)。

5.2.2 快速三維重構(gòu)

結(jié)合振鏡掃描與高速數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)深孔內(nèi)輪廓的快速三維建模，測(cè)量效率較傳統(tǒng)方法提升 10 倍以上，滿足批量生產(chǎn)中的在線檢測(cè)需求。

5.2.3 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)

采用光纖傳輸激光，可在高溫（≤120℃）、粉塵等惡劣環(huán)境中穩(wěn)定工作，通過(guò)密封設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)水下 50m 深度的深孔測(cè)量。

5.2.4 多功能集成

除內(nèi)輪廓測(cè)量外，該系統(tǒng)可同步獲取深孔的圓度、圓柱度、表面粗糙度等參數(shù)，通過(guò)算法升級(jí)可實(shí)現(xiàn)內(nèi)表面裂紋的自動(dòng)化識(shí)別。

激光頻率梳3D光學(xué)輪廓測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介：

20世紀(jì)80年代，飛秒鎖模激光器取得重要進(jìn)展。2000年左右，美國(guó)J.Hall教授團(tuán)隊(duì)?wèi){借自參考f-2f技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的鈦寶石鎖模激光器，標(biāo)志著飛秒光學(xué)頻率梳正式誕生。2005年，Theodor.W.H?nsch（德國(guó)馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所）與John.L.Hall（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所）因在該領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)，共同榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。?

系統(tǒng)基于激光頻率梳原理，采用500kHz高頻激光脈沖飛行測(cè)距技術(shù)，打破傳統(tǒng)光學(xué)遮擋限制，專為深孔、凹槽等復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)件測(cè)量而生。在1m超長(zhǎng)工作距離下，仍能保持微米級(jí)精度，革新自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)。?

核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)?

①同軸落射測(cè)距：獨(dú)特掃描方式攻克光學(xué)“遮擋”難題，適用于縱橫溝壑的閥體油路板等復(fù)雜結(jié)構(gòu)；?

（以上為新啟航實(shí)測(cè)樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

②高精度大縱深：以±2μm精度實(shí)現(xiàn)最大130mm高度/深度掃描成像；?

（以上為新啟航實(shí)測(cè)樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

③多鏡頭大視野：支持組合配置，輕松覆蓋數(shù)十米范圍的檢測(cè)需求。

（以上為新啟航實(shí)測(cè)樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

審核編輯 黃宇