光纤传感器测量小孔圆度误差

    0引言

    在机械加工与测量生产实践当中，形位误差中的圆度误差是评价回转体零件的一项重要指标，它用于控制被测圆柱面任一正截面实际圆相对于理想圆的变动量。工件外表面圆度误差的测量比较简单易行，可用卡尺类仪器、圆度仪等直接测量，但小孔圆度误差的测量由于受到其内表面狭小空间的限制，对其测量则比较复杂，一般采用接触式和非接触式两种方法测量。传统的接触式测量方法误差较大，操作不便，有的不能测量盲孔，有的测量过于复杂，对某些位置特殊、精密的小孔，难以实现准确的测量。随着光学器具、光纤传感器以及计算机技术的发展，非接触式测量蓬勃发展起来。运用高性能计算机及软件技术、光学、光学成像、声学与机器动作多种混合技术实现的逻辑计量与检测，可以实现小孔形状误差较精确的测量，即使是特殊位置的孔，也能够灵活方便地进行检测。光纤传感器是光电子技术的新结晶，它具有灵敏度高、不受电磁干扰、体积小、重量轻、使用方便等特点，目前已广泛应用于尺寸、压力、流量、温度等各种物理量的测量和控制中。本文所研究的光纤传感器具有结构简单、使用方便、测量精度高、可以测量盲孔和深孔等特点，对Φ10 mm～Φ60 mm 孔圆度误差测量有着较为理想的结果。

    1光纤传感器测量原理及测量方法

    1.1 光纤传感器测距原理

    光纤是由光透射率高的电介质构成的光通路，是由折射率较大的纤芯和折射率较小的包层构成的双层同心圆柱结构，主要利用光线的全反射原理进行信号传输。本文采用强度调制光纤传感器，其基本原理是：待测的物理量引起光纤中传输光强的变化，通过检测光强的变化实现对待测物理量的测量。强度调制方式有透射式强度调制、反射式强度调制、光膜式强度调制以及折射率和吸收系数强度调制等。考虑到小孔结构和测量方式，本文采用反射式强度调制光纤传感器。此种光纤传感器是非功能型的，光纤只起到传光作用，分为输入光纤和输出光纤。其调制机理是利用输入光纤将光源的光射向被测物体表面，再从被测物体表面反射到输出光纤当中。输入输出光纤位置固定时，输出光纤接收到光强的大小随被测表面与光纤之间的距离而变化。

    本文所涉及的小孔圆度误差测量原理是以光强响应特性曲线为设计依据的，该特性调制函数可借助于光纤端出射光场的场强分布函数给出，即：

    其中：φ(k,x)为光纤端光场中位置 (k,x)处的光通量密图 2 计算最小二乘圆几何示意图度；I0为由光源耦合输入发送光纤中的光强；r 为输入、输出两光纤间距；σ 为表征光纤折射率分布的相关参数，对于阶跃折射率光纤，σ=1；a0为光纤芯半径；ξ为与光源种类、光纤数值及光源与光纤耦合情况相关的综合调制参数。