本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种检测金属深孔微弯的探测器及其方法。
背景技术：
近年来，随着科技的不断进步，人们对器件的精密程度也提出了更高的要求。金属深孔被广泛应用于军工、机械、航天航空、石油化工等领域，但金属深孔由于受孔径大小的限制以及工艺水准的限制，导致在金属深孔的加工中容易产生微形变。现阶段的大多数深孔微形变检测设备所能实现的精度大多在10μm量级，难以满足μm量级的检测需求。针对上述问题，本发明研制了一种利用光学检测技术来实现金属深孔微形变检测的新型高精度探测器。
近年来利用光学方法检测形变所采用的方法有光纤光栅检测法、望远镜法(即2kpc光学检测仪)、以及利用激光跟踪方式进行检测的方法。但是这些方式中光纤光栅不太适用于长距离的深孔检测，而且评估能力较差；望远镜法检测自动化程度较低，需要人工对准，人工读数，人工记录等，耗时耗力，而测量精度与操作人员的熟练程度，日积月累的经验等因素密切相关，所达到的精度也远远不够检测深孔的微形变；激光跟踪的方式虽然广泛应用于高精度检测仪器，具有高精度，操作简单等特点，但是激光跟踪仪成本过高，而且对深孔细微的形变量检测的过程中，精度并没有达10μm量级的检测水准。本发明则利用f-p干涉原理便捷地检测金属深孔微形变，可以实现μm量级的检测精度，该探测器具有成本低，结构简单，检测方便，精度高等优点，可广泛应用于机械、石化等行业的金属深孔微弯检测。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种利用f-p干涉原理检测的方式来解决结构复杂、检测繁琐、成本高以及精度低等问题的一种检测金属深孔微弯的探测器及其方法。
本发明采用的技术方案如下：
本发明所提出的一种检测金属深孔微弯的探测器，所述探测器包括传感器组件和连接在传感器组件输入端的光开关，以及连接在光开关输入端的环形器，所述环形器的输入端连接有宽带光源，所述环形器的另一个输出端与耦合器的输入端连接，且所述耦合器的输出端分别与光功率计和解调仪的输入端连接。
进一步的，所述传感器组件包括传感柱体和分别径向设置在传感柱体内壁且与传感柱体内壁垂直的四组传感探测头。
进一步的，所述传感探测头包括光纤插芯和穿插在光纤插芯内部的光纤，以及设置在光纤前端部的光纤准直器。
进一步的，所述传感柱体上下两端的外侧还设置有定心装置。
进一步的，所述四组传感探测头所在截面与传感柱体底面平行；所述四组传感探测头分别沿传感柱体径向放置并与传感柱体轴线垂直，且相邻两组传感探测头之间夹角呈90°；所述传感柱体的轴线与待检测金属深孔的轴线处于同一直线。
一种检测金属深孔微弯的方法，所述方法包括以下步骤：s1、对传感器组件进行校准；s2、将定心装置与经过校准后的传感器组件组装，并缓慢放进待测金属深孔中；s3、开启宽带光源、光开关和解调仪后，随着定心装置带动传感器匀速移动过程中，观测解调仪上干涉光强及自由谱宽(干涉周期)的变化；s4、利用峰值检波的方式将干涉信号解调出来，再利用f-p干涉原理计算出f-p腔长的变化，即可判断金属深孔微弯发生的位置及程度。
进一步的，所述校准传感器组件的具体步骤包括：(1)将四组传感探测头分别安装在传感柱体内壁对应位置，再将定心装置与传感器组件组装，将四组传感探测头的四根尾纤从传感器组件上表面穿出定心装置；(2)引出的四根光纤尾纤分别与光开关的输出端口相连接，将环形器的输出端口与光开关的输入端口相连接，同时将环形器输入端口与宽带光源输出端口相连接，将环形器的另一个输出端口与耦合器的输入端口相连接，将耦合器的输出端口分别与光功率计和解调仪的输入端口相连接；(3)宽带光源发出的光信号先到达环形器，然后开启光开关中待校准传感探测头所对应的端口，将光信号传递到相应待校准的传感探测头中，根据f-p干涉原理该传感探测头中返回的干涉信号经过光开关待测端口、光开关、环形器、耦合器、最后被光功率计所检测；(4)调整待测传感探测头位置，找到光功率计示数最大值处，固定传感探测头；(5)重复(3)和(4)，分别找到四组传感探测头在光功率计示数最大值的位置，再用紫外固化胶加以固定，完成校准。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明拥有独特的创新点，可以进行金属深孔微形变的高精度检测，可实现在μm量级的微形变检测；
2、本发明解调方式简单，干涉信号通过环形器接入解调电路，采用峰值检波方法，根据干涉条纹的周期变化即可算出金属深孔的微弯程度及位置，且解调电路简单；
3、本发明利用光学f-p腔检测的方式检测深孔形变，成本低廉，结构简单，操作便捷，检测精度高，可以精确检测出形变发生位置以及形变程度。
附图说明
图1是本发明所提出的一种检测金属深孔微弯的探测器一个实施例的整体结构示意图；
图2是图1中传感器组件的立体结构示意图；
图3是图2的横截面结构示意图；
图4是传感探测头与金属深孔内壁所构成的f-p腔原理图；
图5是传感探测头的校准过程结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
参见图1至图3，给出了本发明所提出的一种检测金属深孔微弯的探测器的一个实施例的具体结构。本探测器包括传感器组件1、光开关2、环形器3、宽带光源4、耦合器5、光功率计6和解调仪7。所述光开关2的输出端与传感器组件1的输入端相连接，所述光开关2的输入端与环形器3的一个输出端相连接，所述宽带光源4的输出端连接至环形器3的输入端，所述耦合器5的输入端连接至环形器3的另一个输出端，所述光功率计6和解调仪7的输入端分别连接至耦合器5的两个输出端。
所述传感器组件1包括中空圆柱结构的传感柱体11和分别径向设置在传感柱体11中部区域内壁上且头部与传感柱体11内壁垂直的四组传感探测头12，且所述传感柱体11上下两端的外侧设置均设置有定心装置13，该定心装置13可限制传感器组件1只能竖向自由移动而无法自由转动，保证传感柱体11的轴线与待检测金属深孔8的轴线始终重合；所述四组传感探测头12所在截面与传感柱体11的底面平行，且所述四组传感探测头12分别沿传感柱体11径向均匀排列并与传感柱体11的轴线垂直，且相邻两组传感探测头12之间夹角呈90°。
所述传感探测头12包括与传感柱体11内壁连接的光纤插芯121和穿插在光纤插芯121内部的光纤122，以及安装在光纤插芯121前端部位于光纤122前端处的光纤准直器123；本实施例中，所述光开关2的输出端设置有四个端口，所述光纤122的尾纤穿过定心装置13和传感柱体11上端部分别对应连接至光开关2输出端上设置的四个输出端口。
参见图4，本发明中f-p腔形成原理在于：在传感探测头光纤122中的光e1经过光纤端面后部分光以反射光e4的形式反射回光纤内，另一部分光经光纤端面出射后再经光纤准直器123校准以一束平行光e2射出，平行光e2垂直射向金属深孔8的内壁，在金属深孔8内壁处发生反射，反射光e3经过光纤准直器123，重新回到传感探测头光纤122中，反射光e3与反射光e4在纤芯内发生干涉，光纤端面与金属深孔8内壁之间构成光纤f-p腔结构81。
利用上述探测器检测金属深孔微弯的方法，所述方法包括以下步骤：
s1、对传感器组件进行校准，为保证从传感探测头12中出射的光束垂直射向金属深孔8的内壁，需对传感探测头12进行校准，参见图5，校准的具体过程如下：
(1)将四组传感探测头12分别安装在传感柱体11内壁对应位置，再将定心装置13组装在传感柱体11上下两端的外侧，然后将四组传感探测头12的四根尾纤从传感器组件1上表面穿出定心装置13；(2)引出的四根光纤122的尾纤分别与光开关2输出端的四个输出端口相连接，然后将环形器3的一个输出端口与光开关2的输入端口相连接，同时将环形器3的输入端口与宽带光源4的输出端口相连接，将环形器3的另一个输出端口与耦合器5的输入端口相连接，然后将耦合器5的两个输出端口分别与光功率计6和解调仪7的输入端口相连接；(3)宽带光源4发出的光信号先到达环形器3，然后开启光开关2中待校准传感探测头12所对应的端口，将光信号传递到相应待校准的传感探测头12中，根据f-p干涉原理该传感探测头12中返回的干涉信号经过光开关2、环形器3、耦合器5、最后被光功率计6所检测；(4)调整待测传感探测头12位置，找到光功率计6示数最大值处，固定传感探测头12；(5)重复步骤(3)和(4)，分别找到四组传感探测头12在光功率计6示数最大值的位置，再用紫外固化胶对传感探测头12加以固定，完成校准。
s2、将定心装置与经过校准后的传感器组件组装，并缓慢放进待测金属深孔中；
s3、开启宽带光源4、光开关2和解调仪7后，随着定心装置13带动传感器组件1匀速移动过程中，观测解调仪7上干涉光强及自由谱宽(干涉周期)的变化；
s4、利用峰值检波的方式将干涉信号解调出来，再利用f-p干涉原理计算出f-p腔长的变化，即可判断金属深孔8微弯发生的位置及程度；所述干涉信号的具体解调过程如下：(1)校准后的传感探测头12中光纤122的尾纤利用环形器3、光开关2和耦合器5，组成了一个闭合光路；(2)在探测器检测过程中，传感探测图中的干涉光信号通过环形器3、耦合器5传递到解调仪7上，设λ1、λ2(λ1<λ2)为出现干涉增强的相邻两个波长，相邻干涉峰相位差为2π，其中波长差λ2-λ1为自由谱宽或干涉周期；(3)利用f-p干涉检测基本原理，可计算出f-p腔结构81的长度与自由谱宽之间的关系，即可确定金属深孔8内壁与传感器组件1之间的距离，通过距离的变化，从而精确判断金属深孔8的微弯程度和微弯位置。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
1.一种检测金属深孔微弯的探测器，其特征在于：所述探测器包括传感器组件和连接在传感器组件输入端的光开关，以及连接在光开关输入端的环形器，所述环形器的输入端连接有宽带光源，所述环形器的另一个输出端与耦合器的输入端连接，且所述耦合器的输出端分别与光功率计和解调仪的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种检测金属深孔微弯的探测器，其特征在于：所述传感器组件包括传感柱体和分别径向设置在传感柱体内壁且与传感柱体内壁垂直的四组传感探测头。
3.根据权利要求2所述的一种检测金属深孔微弯的探测器，其特征在于：所述传感探测头包括光纤插芯和穿插在光纤插芯内部的光纤，以及设置在光纤前端部的光纤准直器。
4.根据权利要求2所述的一种检测金属深孔微弯的探测器，其特征在于：所述传感柱体上下两端的外侧还设置有定心装置。
5.根据权利要求2所述的一种检测金属深孔微弯的探测器，其特征在于：所述四组传感探测头所在截面与传感柱体底面平行；所述四组传感探测头分别沿传感柱体径向放置并与传感柱体轴线垂直，且相邻两组传感探测头之间夹角呈90°；所述传感柱体的轴线与待检测金属深孔的轴线处于同一直线。
6.一种检测金属深孔微弯的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
s1、对传感器组件进行校准；
s2、将定心装置与经过校准后的传感器组件组装，并缓慢放进待测金属深孔中；
s3、开启宽带光源、光开关和解调仪后，随着定心装置带动传感器匀速移动过程中，观测解调仪上干涉光强及自由谱宽(干涉周期)的变化；
s4、利用峰值检波的方式将干涉信号解调出来，再利用f-p干涉原理计算出f-p腔长的变化，即可判断金属深孔微弯发生的位置及程度。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述校准传感器组件的具体步骤包括：
(1)将四组传感探测头分别安装在传感柱体内壁对应位置，再将定心装置与传感器组件组装，将四组传感探测头的四根尾纤从传感器组件上表面穿出定心装置；
(2)引出的四根光纤尾纤分别与光开关的输出端口相连接，将环形器的输出端口与光开关的输入端口相连接，同时将环形器输入端口与宽带光源输出端口相连接，将环形器的另一个输出端口与耦合器的输入端口相连接，将耦合器的输出端口分别与光功率计和解调仪的输入端口相连接；
(3)宽带光源发出的光信号先到达环形器，然后开启光开关中待校准传感探测头所对应的端口，将光信号传递到相应待校准的传感探测头中，根据f-p干涉原理该传感探测头中返回的干涉信号经过光开关待测端口、光开关、环形器、耦合器、最后被光功率计所检测；
(4)调整待测传感探测头位置，找到光功率计示数最大值处，固定传感探测头；
(5)重复(3)和(4)，分别找到四组传感探测头在光功率计示数最大值的位置，再用紫外固化胶加以固定，完成校准。
技术总结