基于光纤传感的表面特征多尺度集成检测技术与方法研究

The surface quality inspection and measurement are the core foundation of advanced manufacturing technology and key issues. With the development of super finishing and nano-manufacturing the requirement of remote and multi-scale integration measurement for surface quality become more higher, and it would raise some new challenges to the existing technology and methods. The project would carry out the research of optical fiber modulation sensing technology, nano scale piezoelectric driving technology, micro-probe scanning for the surface characteristics and so on. At the same time some study would be done in this project, including exploring the surface forming mechanism, study on the key issues in the detection of multi-scale surface featuresm, the optimization of nonlinear model for PZT driving and positioning, analysis on the key measurement methods for the morphology and feature size with the integration of optical fiber sensing and micro probe scanning, study on visual data processing technology, separation methods of surface profile, micro-roughness and form errors, digital three-dimensional re-construction, at last building an experimental system for surface quality measurement based on multi-scale integrated optical fiber sensing, with working range: 100mm x 100mm, positioning resolution 2nm. The project would provide some technical assurances and theoretical foundation for high-quality ultra-fine surface finish.

表面质量检测与评价是制造技术的核心基础与关键。先进制造及纳米制造发展对加工及表面质量的远程、多尺度一体化检测要求越来越高，对现有检测技术与方法提出了新挑战。本项目将开展光纤调制传感技术、压电纳米驱动、微探针扫描探测、多参量神经网络分析等关键技术与方法研究；探究表面轮廓特征成型机理，设计光纤与微探针集成化探测头，研究多尺度特征一体化测量关键技术与方法；采用非序列光线追迹法进行光强与表面波纹度、粗糙度等特征参数耦合关系追迹仿真；探索基于光纤位移传感与微探针扫描探测的表面特征尺寸检测新方法；分析微探针敲击模式二次及高阶谐波规律，探索工作预置点快速定位方法；基于BP网络分类提取表面轮廓多尺度多特征参数及数据可视化；构建基于光纤位移传感、微探针探测、压电扫描与神经网络处理的表面轮廓参数集成一体化检测系统，检测范围：50mm×50mm，实现高检测效率与在线测量便携化，为表面质量分析提供测量评价手段。

表面质量检测与评价是制造技术的核心基础与关键。先进制造及纳米制造发展对加工及表面质量的远程、多尺度一体化检测要求越来越高，对现有检测技术与方法提出了新挑战。随着光纤技术发展，光纤逐渐被研究人员应用在测量领域。由于光纤本身所具备各种优点，以及能被应用到绝大多数传统测量器上，在替代现有测量器的方向上，光纤凸显了其普适性极大优势。光纤位移测量正成为研究人员的焦点，预期有着较大的发展前景。随着各类位移传感器不断研究和发展，测量技术正朝着精度高、集成化、多尺度等方向迈进。而光纤位移传感器又是发展较快、关注较多的传感器之一，其具有结构简单、成本低廉、精度较高、抗干扰性强等诸多优势，因而被广泛使用。.项目探究表面轮廓特征成型机理，设计光纤与微探针集成化探测头，研究多尺度特征一体化测量关键技术与方法，并完成了整个测量系统总体设计，包括光纤模块、微探针模块、采集及显微模块等，构建了光纤位移测量理论模型，提出基于有限反射面的光纤位移传感模型，对此模型进行了数学计算和仿真分析，并设计实验完成验证工作。探究了不同参数对接收光强的影响情况，同时将微探针应用于光纤传感模型中，提出了光纤与微探针协同工作理论模型。此外，对探针的振动模型进行了理论分析与仿真，验证了微探针的悬臂梁在压电陶瓷的激励位移下产生受迫振动，并对探针的各阶共振频率进行了分析比较。分析微探针敲击模式二次及高阶谐波规律，探索工作预置点快速定位方法；同时利用AFM测试实验测量探针的共振频率，验证了探针的振动模型。最后设计基于光纤传感的探针微振动检测系统测试实验，构建基于光纤位移传感、微探针探测、压电扫描与神经网络处理的表面轮廓参数集成一体化检测实验系统。