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专利名称：基于光通量的微孔快速检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型利用现代先进的光电子技术测量微孔的几何特征，具体为一种基于光通量的微孔快速检测装置。
背景技术：
随着工业技术和现代科学技术的迅速发展，机械制造水平不断的提高并且呈现微型化的发展趋势，微孔器件在机械、仪表、航空、电子、生物医疗和纺织工业中的应用越来越广泛。在航空工业上，地球同步卫星姿态和轨道控制小推力火箭发动机喷注器小孔直径均在400 μ m以下，这些微孔器件中的微孔质量直接影响整机的性能，因此对这些具有微孔类零件提出精密或超精密加工的同时，也对其检测精度和速度提出了更高的要求。微孔测量是几何测量中的一项重要内容，其特点是:测量器具活动空间受到限制，操作调整不便并且测量效率低。微孔常见的质量问题有:a、微孔孔径超差；b、微孔轴线与基准面垂直度误差超差；c、孔表面存在毛刺、未清洗掉的异物等缺陷。按照测量时测头与被测孔壁是否接触分为接触式测量和非接触式测量，接触法测量主要有坐标测量机测量法、千分尺测量法等，它们的缺点是接触力的存在会引起测杆和测头的机械变形，容易造成较大的误差；非接触测量主要有光学成像法、电容法等，但是测量速度比较慢且操作复杂，不适宜大批量微孔检测。目前国内常用的测量方法是利用图像处理技术对微孔进行检测，但是检测效率比较低，不能满足日益增长的工业化需求。

实用新型内容本实用新型针对现有技术的不足，提供一种基于光通量的微孔快速检测装置，实现微孔几何参数高效、精确的测量，可有效解决工业领域微孔快速检测的实际需求。解决传统基于显微图像技术进行微孔测量时，由于光学系统景深限制，测量结果不能全面反映细长微孔作用长度范围内几何形貌特征的缺点。能够有效地判断微孔内壁是否存在污物、毛刺、微孔尺寸是否超差、微孔是否达到磨损等问题。为实现以上的技术目的，本实用新型将采取以下的技术方案:一种基于光通量的微孔快速检测装置，用于检测待检试件上所开设待测微孔，包括三维工作台、光源以及用于采集光源透过待检试件上所开设待测微孔光通量的光通量检测装置；光源、待检试件、光通量检测装置分别安装在三维工作台上，且光源、光通量检测装置分设于待检试件的两侧；光通量检测装置包括第一光纤接头、光纤、光电探测器以及第二光纤接头，每一个待检试件上所开设的每列待测微孔均对应地配置一根光纤、一个光电探测器，各光纤的一端通过第一光纤接头并接，另一端通过第二光纤接头并接后固定安装在三维工作台，各光电探测器对应于相应的光纤分别安装在第二光纤接头上；所述待测试件在三维工作台的驱动下，实现待测试件上所开设的待测微孔与光源正对；所述光通量检测装置在三维工作台的驱动下，实现光纤与待测试件上所开设的待测微孔正对、光纤与待测试件上所开设的待测微孔之间的间距调整。所述三维工作台包括底座、立柱、X轴精密导轨、X轴精密移动台、Y轴精密导轨、Y轴精密工作台、Z轴精密导轨以及Z轴精密工作台；X轴精密移动台，通过X轴精密导轨相对于底座做X向往复直线移动，X轴精密导轨沿底座的X轴方向铺设在底座上；γ轴精密工作台，通过Y轴精密导轨相对于底座做Y向往复直线移动，所述Y轴精密导轨通过支架架设在底座上方，且Y轴精密导轨的架设方向与底座的Y轴方向一致；ζ轴精密工作台，通过Z轴精密导轨与Y轴精密工作台可移动连接，Z轴精密导轨铺设于Y轴精密工作台，且Z轴精密导轨的铺设方向与底座的Z轴方向一致。所述待测试件通过夹具固定安装在X轴精密移动台；光通量检测装置固定安装在Z轴精密工作台；光源位于X轴精密移动台下方，且X轴精密移动台对应于光源的部位设置有透光区域。所述第一光纤接头为线阵式光纤接头，包括第一接头本体以及开设于第一接头本体上的线阵式光纤安装孔，线阵式光纤安装孔的各光纤安装孔之间的分布与待测试件上各待测微孔的分布一致，且第一接头本体的两端分别开设有第一接头安装孔，线阵式光纤接头通过第一接头安装孔与Z轴精密工作台连接，而线阵式光纤安装孔的各光纤安装孔分别与相应的光纤连接。所述第二光纤接头，包括第二接头本体以及开设于第二接头本体上的线阵式光纤插孔、线阵式光电探测器安装孔，线阵式光纤插孔、线阵式光电探测器安装孔一一对应地连通设置，线阵式光纤插孔的各光纤插孔分别与相应的光纤连接，而线阵式光电探测器安装孔的各光电探测器安装孔内均嵌入有检测相应光纤光通量的光电探测器，且各光电探测器安装孔的内壁呈黑色设置；另外，第二接头本体的两端分别开设有第二接头安装孔，第二光纤接头通过第二接头安装孔与Z轴精密工作台连接。各光电探测器的信号输出端分别与多路微弱信号处理器的相应信号输入端连接，该微弱信号处理器包括顺序连接的前置放大电路、滤波电路和主放大电路。根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果:1、本实用新型将透过待测微孔光通量所对应的电流测量值与透过标准微孔的光通量所对应的电流标准值进行比较，以评判待测微孔质量，由此可知:该方法有效地克服了现有技术中基于显微图像技术进行微孔测量时，由于光学系统景深限制，测量结果不能全面反映细长微孔作用长度范围内几何形貌特征的缺点；另外，本实用新型所述方法能够有效进行微孔质量评判的基础在于:分析工业领域中对微孔质量检测的需求，微孔常见的质量问题有:a)微孔孔径超差；b)微孔轴线与基准面垂直度误差超差；c)孔表面存在毛刺、未清洗掉的异物等缺陷。而上述几种情况，均会导致通过微孔的出射光强与标定后的标准数值相比存在一定差异，故而通过阀值设定或粗大误差发现准则等数据处理技术，可以快速判断存在质量缺陷的微孔。2、本实用新型采用光电探测器进行透过待测微孔光通量测定，理由是:光电探测器的输出往往与入射到其光敏面上的光通量成正比，所以光电探测器的光电流的大小可以反映出待检测量的大小，即光电流是待检测信息量Q值的函数I=f (Q)，这是一种模拟量的信息变换；另外， 本测量系统采用光伏探测器硅光电池作为传感器，硅光电池是一个大面积的光电二极管，它可以把入射到它表面的光能转化为电能，是基于光伏特效应制作的光伏探测器。由于光电探测器的响应频率很高，上述测量过程中线阵式传感器可同时扫描工件上多个微孔的出射光强信号，实现多微孔几何参数的并行测量，此外放大、滤波及去噪步骤由测量电路完成，其检测时间与基于机器视觉的单孔检测相比大大缩短，对于具有数千微孔的零件板检测时间将从数十分钟降低到数十秒，从而大大提高了微孔的检测效率。3、本实用新型采用三维工作台在XYZ三个方向的协同运动，实现光源发射的光线、微孔(标准微孔/测试微孔)的轴线、光纤的轴线均处于同一直线，由此可知:这种调节方式简便、可靠。4、本实用新型采用多路微弱信号处理器对各光电探测器输入的电流信号进行放大、滤波、去噪处理，以将该电流信号中的大部分噪声滤除，提高信噪比，提高测量精确度。

图1是本实用新型所述基于光通量的微孔快速检测装置的结构示意图；图1中各标号名称:1 一底座；2—X轴精密导轨；3—X轴精密移动台；4一支架；5—第二光纤接头；6—Y轴精密导轨；7—Y轴精密工作台；8—多路微弱信号处理电路；9一Z轴精密工作台；10—光电探测器；11一光纤；12—第一光纤接头；13—光源；14一待测微孔；图2为第一光纤接头的结构示意图，其中:(a)为主视图，(b)为俯视图；图3为第二光纤接头的结构示意图，其中:(a)为主视图，(b)为俯视图。图4为单路微弱信号处理电路原理图，其中包括前置放大电路、二阶压控低通滤波电路以及主放大电路。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本实用新型所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本实用新型的技术方案。本实用新型所述基于光通量的微孔快速检测方法，用于检测待检试件上所开设的待测微孔质量，通过测定透过待测微孔的光通量评价该待测微孔质量，具体包括以下步骤:
(I)在标准试件的一侧设置光源，而在标准试件的另一侧设置光通量检测装置，该光通量检测装置包括光纤以及安装在光纤一端的光电探测器，光纤另一端面向标准试件设置，其中:光源为LED阵列式光源，事实上，本实用新型所述光源只要为具有可以覆盖检测域的均匀、稳定平行的面光源即可；动态检测时，每列的多个微孔通过驱动X轴精密工作台依次通过各自上方的光电检测通道，实现微孔的快速测量；(2)通过光电探测器，采集光源透过标准微孔的光通量经光纤传输后所对应的光电流标准值；如果各列的标准孔相同，忽略光纤损耗的影响，则各列输出的光电流的差异是主要由标准孔所在的光源光照度以及光电探测器灵敏度造成的，因此，通过各列标准孔输出的光电流之间的差异即可进行相应的误差补偿；采集时，光源发射的光线、处于采集状态标准微孔的轴线、光纤的轴线均处于同一直线；
(3)将步骤(I)的标准试件更换为待测试件，通过光电探测器，读取光源透过待测微孔的光通量经光纤传输后所对应的光电流测量值，采集时，光源发射的光线、处于采集状态待测微孔的轴线、光纤的轴线均处于同一直线；(4)将待测微孔对应的光电流测量值与标准微孔的光电流标准值进行比对，即可进行该待测微孔的质量评价。[0028]图1具体地公开了一种实现上述基于光通量的微孔快速检测方法的装置，包括三维工作台、光源以及用于采集光源透过待检试件上所开设待测微孔光通量的光通量检测装置；光源、待检试件、光通量检测装置分别安装在三维工作台上，且光源、光通量检测装置分设于待检试件的两侧；光通量检测装置包括第一光纤接头、光纤、光电探测器以及第二光纤接头，每一个待检试件上所开设的每列待测微孔均对应地配置一根光纤、一个光电探测器，各光纤的一端通过第一光纤接头并接，另一端通过第二光纤接头并接后固定安装在三维工作台，各光电探测器对应于相应的光纤分别安装在第二光纤接头上；所述待测试件在三维工作台的驱动下，实现待测试件上所开设的待测微孔与光源正对；所述光通量检测装置在三维工作台的驱动下，实现光纤与待测试件上所开设的待测微孔正对、光纤与待测试件上所开设的待测微孔之间的间距调整。本实用新型所述光纤，为塑料传光光纤，是光通量传输器件，用来将待测微孔的出射光通量传递到光电探测器，实现光电转换，其芯径在Imm至2_之间，可以完全包含微孔的出射光通量，重量轻、柔软、韧性好具有优良的机械性能。所述三维工作台，通过驱动待测微孔、光电探测器运动，实现本实用新型所述基于光通量的微孔快速检测装置在三维空间运动，使得待测微孔、光电探测器之间的相对位置满足测量要求，包括底座、立柱、X轴精密导轨、X轴精密移动台、Y轴精密导轨、Y轴精密工作台、Z轴精密导轨以及Z轴精密工作台；X轴精密移动台，通过X轴精密导轨相对于底座做X向往复直线移动，X轴精密导轨沿底座的X轴方向铺设在底座上；Y轴精密工作台，通过Y轴精密导轨相对于底座做Y向往复直线移动，所述Y轴精密导轨通过支架架设在底座上方，且Y轴精密导轨的架设方向与底座的Y轴方向一致；ζ轴精密工作台，通过Z轴精密导轨与Y轴精密工作台可移动连接，Z轴精密导轨铺设于Y轴精密工作台，且Z轴精密导轨的铺设方向与底座的Z轴方向一致；所述待测试件通过夹具固定安装在X轴精密移动台；光通量检测装置固定安装在Z轴精密工作台；光源位于X轴精密移动台下方设置的暗室内，且X轴精密移动台对应于光源的部位设置有透光区域。本实用新型所述光电探测器10，是本实用新型的重要传感元件，待测微孔的出射光通量是光学量，需要利用光电转换器件转换为电学量，然后利用先进的电子技术进行后续处理；光电探测器灵敏度高、响应快，并且其短路电流与微孔面积成线性关系，因此易于测量微孔的几何特性。本实用新型所述第一光纤接头，用来固定光纤11与待测微孔14的相对位置，接头上光纤孔的分布根据工作条件以及待测试件上各待测微孔的分布设计，如图2 (a)、(b)所示，为线阵式光纤接头，包括第一接头本体以及开设于第一接头本体上的线阵式光纤安装孔，线阵式光纤安装孔的各光纤安装孔之间的分布与待测试件上各待测微孔的分布一致，且第一接头本体的两端分别开设有第一接头安装孔，线阵式光纤接头通过第一接头安装孔与Z轴精密工作台连接，以限制该第一光纤接头的自由度，而线阵式光纤安装孔的各光纤安装孔分别与相应的光纤连接。本实用新型所述第二光纤接头，目的是避免光电探测器受外界杂散光的干扰，影响微孔的检测精度，如图3 (a)、(b)所示，包括第二接头本体以及开设于第二接头本体上的线阵式光纤插孔、线阵式光电探测器安装孔，线阵式光纤插孔、线阵式光电探测器安装孔一一对应地连通设置，线阵式光纤插孔的各光纤插孔分别与相应的光纤连接，而线阵式光电探测器安装孔的各光电探测器安装孔内均嵌入有检测相应光纤光通量的光电探测器，且各光电探测器安装孔的内壁呈黑色设置；另外，第二接头本体的两端分别开设有第二接头安装孔，第二光纤接头通过第二接头安装孔与Z轴精密工作台连接。由于微孔孔径在数十至数百微米之间，因此光电探测器接收到的信号非常微弱，同时，由于各种噪声的存在如热噪声、散粒噪声等，光电探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行预处理，以将大部分噪声滤除，提高信噪比，提高测量精确度，因此，本实用新型所述的各光电探测器的信号输出端分别与多路微弱信号处理器的相应信号输入端连接，该多路微弱信号处理器包括顺序连接的前置放大电路、二阶压控低通滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并滤除掉大部分噪声的待检测信号，图4公开了单路微弱信号处理电路的示意图，则多路微弱信号处理电路为多个单路并行叠加。本实用新型所述基于光通量的微孔快速检测装置的工作过程如下:步骤1:打开暗室里均匀、稳定的平行面光源13，预热十分钟左右使其输出达到稳定状态，避免光强在检测过程中发生变化影响测量结果；步骤2:对各通道进行标定，通过X、Y轴的运动使得平行光轴线、微孔轴线、光纤轴线位于同一条直线上，通过光电探测器读取采集的数据，判断各通道数据的差异为后续数据的采集进行误差补偿；本实用新型所述的误差补偿原理如下:由于光电探测器的光电流输出与微孔的面积、光源的光照度以及探测器的灵敏度成正比，因此以第一列的测量值为标准，其他列的数值与其比值即为该列的补偿系数；当测试待测件时，其他列的测量值均除以相应的补偿系数，则消除了各列微孔所在的光源与探测器的误差影响；具有可以覆盖检测域的均匀、稳定平行的面光源，动态检测时，各列的微孔依次通过各自上方的光电检测通道，实现微孔的快速测量。步骤3:将待测工件置于X轴精密工作台上，并用夹紧装置进行定位，使孔的分布与其正上方光纤的分布一致；步骤4:通过Χ、Υ轴的运动驱动工件上的微孔位于塑料传光光纤的正下方，接收微孔的出射光通量，移动Z方向精密工作台使得光纤位于微孔正上方l-2mm左右，既避免微孔光通量的损失又避免了外界杂散光的入射；步骤5:光纤的另一端与光电探测器相连，进行光电转换，输出的电量通过多路微弱信号处理器8之后利用数据采集卡接入上位机，可以实现测量数据的实时显示；步骤6:通过驱动X轴精密工作台使得工件上的每列微孔依次通过各自上方的光通量检测通道进行测量，测量过程中工件可以匀速运动，当微孔经过传感器正下方时不需要暂停，因此大大的提高了微孔检测效率；步骤7:检测的数据利用上位机可以实现实时显示，通过阀值设定或粗大误差发现准则等数据处理技术，可以快速判断存在质量缺陷的微孔。综上所述，可知本实用新型为集光、机、电、计算机等各种技术为一体的复杂检测系统，实现检测智能化和可视化。面积是微孔(直径500 μ m以下的孔)总尺寸的一个方便度量，而且实现起来比较容易，对微孔进行测量的第一步是根据微孔输出光通量的大小测量出它的面积，然后与标准参考孔的面积进行比较，如果测量结果超出给定的阀值则可以认为该微孔不合格。利用光学系统对微孔进行非接触测量，根据微孔的光通量确定其面积，机械系统实现检测的自动化，先进的集成电路对测量信号进行快速采集和处理，最后利用计算机实现测量结果的实时显示。该套测量系统可以实现微孔的快速、准确测量，大大提高检测效率。
权利要求1.一种基于光通量的微孔快速检测装置，用于检测待检试件上所开设待测微孔，其特征在于:包括三维工作台、光源以及用于采集光源透过待检试件上所开设待测微孔光通量的光通量检测装置；光源、待检试件、光通量检测装置分别安装在三维工作台上，且光源、光通量检测装置分设于待检试件的两侧；光通量检测装置包括第一光纤接头、光纤、光电探测器以及第二光纤接头，每一个待检试件上所开设的待测微孔均对应地配置一根光纤、一个光电探测器，各光纤的一端通过第一光纤接头并接，另一端通过第二光纤接头并接后固定安装在三维工作台，各光电探测器对应于相应的光纤分别安装在第二光纤接头上；所述待测试件在三维工作台的驱动下，实现待测试件上所开设的待测微孔与光源正对；所述光通量检测装置在三维工作台的驱动下，实现光纤与待测试件上所开设的待测微孔正对、光纤与待测试件上所开设的待测微孔之间的间距调整。
2.根据权利要求1所述基于光通量的微孔快速检测装置，其特征在于:所述三维工作台包括底座、立柱、X轴精密导轨、X轴精密移动台、Y轴精密导轨、Y轴精密工作台、Z轴精密导轨以及Z轴精密工作台；X轴精密移动台，通过X轴精密导轨相对于底座做X向往复直线移动，X轴精密导轨沿底座的X轴方向铺设在底座上；Y轴精密工作台，通过Y轴精密导轨相对于底座做Y向往复直线移动，所述Y轴精密导轨通过支架架设在底座上方，且Y轴精密导轨的架设方向与底座的Y轴方向一致；ζ轴精密工作台，通过Z轴精密导轨与Y轴精密工作台可移动连接，Z轴精密导轨铺设于Y轴精密工作台，且Z轴精密导轨的铺设方向与底座的Z轴方向一致。
3.根据权利要求2所述基于光通量的微孔快速检测装置，其特征在于:所述待测试件通过夹具固定安装在X轴精密移动台；光通量检测装置固定安装在Z轴精密工作台；光源位于X轴精密移动台下方，且X轴精密移动台对应于光源的部位设置有透光区域。
4.根据权利要求2所述基于光通量的微孔快速检测装置，其特征在于:所述第一光纤接头为线阵式光纤接头，包括第一接头本体以及开设于第一接头本体上的线阵式光纤安装孔，线阵式光纤安装孔的各光纤安装孔之间的分布与待测试件上各待测微孔的分布一致，且第一接头本体的两端分别开设有第一接头安装孔，线阵式光纤接头通过第一接头安装孔与Z轴精密工作台连接，而线阵式光纤安装孔的各光纤安装孔分别与相应的光纤连接。
5.根据权利要求2所述基于光通量的微孔快速检测装置，其特征在于:所述第二光纤接头，包括第二接头本体以及开设于第二接头本体上的线阵式光纤插孔、线阵式光电探测器安装孔，线阵式光纤插孔、线阵式光电探测器安装孔一一对应地连通设置，线阵式光纤插孔的各光纤插孔分别与相应的光纤连接，而线阵式光电探测器安装孔的各光电探测器安装孔内均嵌入有检测相应光纤光通量的光电探测器，且各光电探测器安装孔的内壁呈黑色设置；另外，第二接头本体的两端分别开设有第二接头安装孔，第二光纤接头通过第二接头安装孔与Z轴精密工作台连接。
6.根据权利要求2所述基于光通量的微孔快速检测装置，其特征在于:各光电探测器的信号输出端分别与多路微弱信号处理器的相应信号输入端连接；该微弱信号处理器包括顺序连接的前置放大电路、二阶压控低通滤波电路和主放大电路。
专利摘要本实用新型公开了一种基于光通量的微孔快速检测装置，该装置采用光通量检测装置分别采集透过待测微孔、标准微孔的光通量，通过比较透过待测微孔光通量所对应的电流测量值与透过标准微孔的光通量所对应的电流标准值，以评判待测微孔质量，能够实现微孔几何参数高效、精确的测量，可有效解决工业领域微孔快速检测的实际需求。解决传统基于显微图像技术进行微孔测量时，由于光学系统景深限制，测量结果不能全面反映细长微孔作用长度范围内几何形貌特征的缺点。能够有效地判断微孔内壁是否存在污物、毛刺、微孔尺寸是否超差、微孔是否达到磨损等问题。
文档编号G01N21/88GK203011847SQ20122040505
公开日2013年6月19日 申请日期2012年8月16日 优先权日2012年8月16日
发明者叶明 , 许东京, 倪志强 申请人:南京航空航天大学