本發(fā)明屬于非接觸三維形貌測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光纖低相干干涉的三維形貌測(cè)量裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、高性能渦輪葉片呈現(xiàn)出氣膜冷卻結(jié)構(gòu)和熱障涂層熱防護(hù)一體化設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展趨勢(shì)。然而氣膜孔制備過程產(chǎn)生的顯微組織缺陷和涂層涂覆過程導(dǎo)致的尺寸偏差會(huì)影響氣膜結(jié)構(gòu)及其冷卻效率，先涂層后飛秒激光制孔也會(huì)引起涂層局部燒結(jié)甚至開裂。葉片服役過程中，受到溫度梯度和邊緣效應(yīng)的影響，孔邊涂層更易產(chǎn)生應(yīng)力集中進(jìn)而導(dǎo)致裂紋的萌生擴(kuò)展，成為失效的薄弱環(huán)節(jié)。為此需要對(duì)氣膜孔尺寸參數(shù)、形狀特征和涂層缺陷等進(jìn)行有效評(píng)估，但目前還沒有可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)葉片氣膜孔幾何特征參數(shù)和涂層缺陷檢測(cè)的設(shè)備，也沒有統(tǒng)一的檢測(cè)方法和相應(yīng)的校準(zhǔn)規(guī)范。因此一種針對(duì)帶有微小孔零件的快速、高精度、非接觸式的三維計(jì)量檢測(cè)技術(shù)亟待研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于光纖低相干干涉的三維形貌測(cè)量裝置及方法，能夠快速、高精度地實(shí)現(xiàn)帶有微小孔的待測(cè)樣品的孔內(nèi)幾何特征參數(shù)和孔外其他區(qū)域缺陷檢測(cè)。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一個(gè)方面提供一種基于光纖低相干干涉的三維形貌測(cè)量裝置，包括掃頻光源、耦合器、環(huán)形器、參考臂、測(cè)量臂、信號(hào)探測(cè)及處理模塊和指示光源；

3、掃頻光源通過光纖與第一耦合器連接，第一耦合器通過光纖分別與第一環(huán)形器和第二環(huán)形器的第一接口連接，第一環(huán)形器的第二接口通過光纖與參考臂連接，第二環(huán)形器的第二接口通過光纖并經(jīng)由第三耦合器與測(cè)量臂連接，第一環(huán)形器和第二環(huán)形器的第三接口通過光纖與第二耦合器連接，第二耦合器通過光纖與信號(hào)探測(cè)及處理模塊連接，指示光源通過光纖與第三耦合器連接；

4、掃頻光源發(fā)出的光經(jīng)第一耦合器變?yōu)閮陕罚謩e經(jīng)第一環(huán)形器和第二環(huán)形器進(jìn)入?yún)⒖急酆蜏y(cè)量臂，在參考臂和測(cè)量臂中被反射的光分別經(jīng)第一環(huán)形器和第二環(huán)形器出射，并在第二耦合器中發(fā)生干涉形成干涉信號(hào)，干涉信號(hào)被信號(hào)探測(cè)及處理模塊探測(cè)和解調(diào)，獲得待測(cè)樣品的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過拼接得到待測(cè)樣品的三維形貌；

5、待測(cè)樣品放置在測(cè)量臂中，指示光源發(fā)出的光經(jīng)第三耦合器進(jìn)入測(cè)量臂，在待測(cè)樣品上形成指示光斑。

6、優(yōu)選地，所述參考臂包括第一準(zhǔn)直透鏡、匯聚透鏡和平面反射鏡，掃頻光源發(fā)出的光經(jīng)第一耦合器變?yōu)閮陕?，一路?jīng)第一環(huán)形器進(jìn)入?yún)⒖急?，?jīng)過第一準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直和匯聚透鏡匯聚后聚焦在平面反射鏡表面，被平面反射鏡反射的光經(jīng)第一環(huán)形器后傳輸至第二耦合器。

7、優(yōu)選地，所述參考臂還包括第一運(yùn)動(dòng)裝置，所述第一運(yùn)動(dòng)裝置用于移動(dòng)平面反射鏡，以調(diào)節(jié)參考臂的光程，使待測(cè)樣品與參考臂的光程差滿足干涉條件。

8、優(yōu)選地，所述參考臂還包括光學(xué)延遲線，所述光學(xué)延遲線設(shè)置在第一環(huán)形器與第一準(zhǔn)直透鏡之間，用于調(diào)整參考臂的光程，使待測(cè)樣品與參考臂的光程差滿足干涉條件。

9、優(yōu)選地，所述測(cè)量臂包括第二準(zhǔn)直透鏡、二維掃描振鏡、成像透鏡和第二運(yùn)動(dòng)裝置，另一路經(jīng)第二環(huán)形器進(jìn)入測(cè)量臂，經(jīng)第二準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直和成像透鏡匯聚后聚焦在待測(cè)樣品表面，通過二維掃描振鏡的旋轉(zhuǎn)能夠改變光的照射方向以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)樣品的橫向和縱向掃描，待測(cè)樣品放置于第二運(yùn)動(dòng)裝置上，第二運(yùn)動(dòng)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)待測(cè)樣品的平移和旋轉(zhuǎn)，被待測(cè)樣品反射的光經(jīng)第二環(huán)形器后傳輸至第二耦合器。

10、優(yōu)選地，信號(hào)探測(cè)及處理模塊包括光電探測(cè)裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和計(jì)算機(jī)，干涉信號(hào)由光電探測(cè)裝置探測(cè)及數(shù)據(jù)采集裝置采集，傳輸至計(jì)算器中解調(diào)，獲得待測(cè)樣品的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

11、優(yōu)選地，所述掃頻光源為近紅外波段，掃頻光源的中心波長(zhǎng)為1310nm，波長(zhǎng)掃描范圍不低于100nm。

12、優(yōu)選地，所述待測(cè)樣品表面帶有微小孔，所述待測(cè)樣品為渦輪葉片，所述微小孔為氣膜孔。

13、本發(fā)明的另一個(gè)方面提供一種基于光纖低相干干涉的三維形貌測(cè)量方法，利用上述的裝置進(jìn)行三維形貌測(cè)量，包括：

14、步驟一：放置待測(cè)樣品于第二運(yùn)動(dòng)裝置上，點(diǎn)亮指示光源并在所述待測(cè)樣品上產(chǎn)生可見光斑，確定待測(cè)區(qū)域；

15、步驟二：調(diào)節(jié)所述第二運(yùn)動(dòng)裝置使所述待測(cè)樣品調(diào)整至理想的測(cè)量姿態(tài)；

16、步驟三：控制所述二維掃描振鏡對(duì)所述待測(cè)樣品按照預(yù)設(shè)軌跡對(duì)第1區(qū)域進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，所述參考臂和所述測(cè)量臂的反射光信號(hào)在所述第二耦合器中相遇，產(chǎn)生干涉信號(hào)，所述干涉信號(hào)被信號(hào)探測(cè)及處理模塊探測(cè)、解調(diào)，得到第1區(qū)域三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

17、步驟四：重復(fù)步驟二、步驟三，直至所述待測(cè)樣品所有待測(cè)區(qū)域全部被掃描完，得到待測(cè)樣品的第2至n區(qū)域三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

18、步驟五：在同一坐標(biāo)系下將1至n區(qū)域三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照掃描順序拼接，得到待測(cè)樣品的三維形貌。

19、優(yōu)選地，所述干涉信號(hào)被信號(hào)探測(cè)及處理模塊探測(cè)，在計(jì)算機(jī)上顯示高度和光強(qiáng)度圖像，所述高度和光強(qiáng)度圖像中光強(qiáng)度均勻且居中時(shí)為理想的測(cè)量姿態(tài)。

20、根據(jù)本發(fā)明上述方面的基于光纖低相干干涉的三維形貌測(cè)量裝置及方法，能夠快速、高精度地實(shí)現(xiàn)帶有微小孔的待測(cè)樣品的孔內(nèi)幾何特征參數(shù)和孔外其他區(qū)域缺陷檢測(cè)。

技術(shù)特征：

1.一種基于光纖低相干干涉的三維形貌測(cè)量裝置，其特征在于，包括掃頻光源、耦合器、環(huán)形器、參考臂、測(cè)量臂、信號(hào)探測(cè)及處理模塊和指示光源；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖低相干干涉的三維形貌測(cè)量裝置，其特征在于，所述參考臂包括第一準(zhǔn)直透鏡、匯聚透鏡和平面反射鏡，掃頻光源發(fā)出的光經(jīng)第一耦合器變?yōu)閮陕罚宦方?jīng)第一環(huán)形器進(jìn)入?yún)⒖急?，?jīng)過第一準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直和匯聚透鏡匯聚后聚焦在平面反射鏡表面，被平面反射鏡反射的光經(jīng)第一環(huán)形器后傳輸至第二耦合器。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光纖低相干干涉的三維形貌測(cè)量裝置，其特征在于，所述參考臂還包括第一運(yùn)動(dòng)裝置，所述第一運(yùn)動(dòng)裝置用于移動(dòng)平面反射鏡，以調(diào)節(jié)參考臂的光程，使待測(cè)樣品與參考臂的光程差滿足干涉條件。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光纖低相干干涉的三維形貌測(cè)量裝置，其特征在于，所述參考臂還包括光學(xué)延遲線，所述光學(xué)延遲線設(shè)置在第一環(huán)形器與第一準(zhǔn)直透鏡之間，用于調(diào)整參考臂的光程，使待測(cè)樣品與參考臂的光程差滿足干涉條件。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光纖低相干干涉的三維形貌測(cè)量裝置，其特征在于，所述測(cè)量臂包括第二準(zhǔn)直透鏡、二維掃描振鏡、成像透鏡和第二運(yùn)動(dòng)裝置，另一路經(jīng)第二環(huán)形器進(jìn)入測(cè)量臂，經(jīng)第二準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直和成像透鏡匯聚后聚焦在待測(cè)樣品表面，通過二維掃描振鏡的旋轉(zhuǎn)能夠改變光的照射方向以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)樣品的橫向和縱向掃描，待測(cè)樣品放置于第二運(yùn)動(dòng)裝置上，第二運(yùn)動(dòng)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)待測(cè)樣品的平移和旋轉(zhuǎn)，被待測(cè)樣品反射的光經(jīng)第二環(huán)形器后傳輸至第二耦合器。

6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的基于光纖低相干干涉的三維形貌測(cè)量裝置，其特征在于，信號(hào)探測(cè)及處理模塊包括光電探測(cè)裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和計(jì)算機(jī)，干涉信號(hào)由光電探測(cè)裝置探測(cè)及數(shù)據(jù)采集裝置采集，傳輸至計(jì)算器中解調(diào)，獲得待測(cè)樣品的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的基于光纖低相干干涉的三維形貌測(cè)量裝置，其特征在于，所述掃頻光源為近紅外波段，掃頻光源的中心波長(zhǎng)為1310nm，波長(zhǎng)掃描范圍不低于100nm。

8.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的基于光纖低相干干涉的三維形貌測(cè)量裝置，其特征在于，所述待測(cè)樣品表面帶有微小孔，所述待測(cè)樣品為渦輪葉片，所述微小孔為氣膜孔。

9.一種基于光纖低相干干涉的三維形貌測(cè)量方法，利用權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的裝置進(jìn)行三維形貌測(cè)量，其特征在于，包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于光纖低相干干涉的三維形貌測(cè)量方法，其特征在于，所述干涉信號(hào)被信號(hào)探測(cè)及處理模塊探測(cè)，在計(jì)算機(jī)上顯示高度和光強(qiáng)度圖像，所述高度和光強(qiáng)度圖像中光強(qiáng)度均勻且居中時(shí)為理想的測(cè)量姿態(tài)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于光纖低相干干涉的三維形貌測(cè)量裝置及方法，所述裝置包括掃頻光源、耦合器、環(huán)形器、參考臂、測(cè)量臂、信號(hào)探測(cè)及處理模塊和指示光源；掃頻光源通過光纖與第一耦合器連接，第一耦合器通過光纖分別與第一環(huán)形器和第二環(huán)形器的第一接口連接，第一環(huán)形器和第二環(huán)形器的第二接口分別通過光纖與參考臂和測(cè)量臂連接，第一環(huán)形器和第二環(huán)形器的第三接口通過光纖與第二耦合器連接，第二耦合器通過光纖與信號(hào)探測(cè)及處理模塊連接，待測(cè)樣品放置在測(cè)量臂中，指示光源發(fā)出的光經(jīng)第三耦合器進(jìn)入測(cè)量臂，在待測(cè)樣品上形成指示光斑。本發(fā)明能夠快速、高精度地實(shí)現(xiàn)帶有微小孔的待測(cè)樣品的孔內(nèi)幾何特征參數(shù)和孔外其他區(qū)域缺陷檢測(cè)。

技術(shù)研發(fā)人員：王瑞平,何小妹,董佳佳,蔡項(xiàng)宇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/28