摘要

本文針對深孔內輪廓高精度測量需求，探究基于激光頻率梳原理的測量方法。闡述該方法測量原理、系統構成與測量步驟，通過實例分析其在深孔內輪廓測量中的優勢，為深孔內輪廓精密測量提供新的技術路徑。

關鍵詞

激光頻率梳；深孔；內輪廓測量；干涉原理；精密測量

一、引言

在航空航天、高端機械制造等領域，深孔零件內輪廓精度直接影響產品性能。如航空發動機燃燒室深孔、精密液壓件缸體深孔等，其輪廓精度要求達微米級。傳統測量方法如接觸式測頭掃描、工業 CT 等，存在測量效率低、易損傷孔壁或輻射成本高等問題。激光頻率梳作為高精度頻率與時間測量工具，其獨特的相干性與頻譜特性為深孔內輪廓測量提供了新思路。

二、激光頻率梳測量深孔內輪廓的原理

激光頻率梳本質是一系列等間隔光頻組成的脈沖序列，其頻率間隔可表示為 f_{text{rep}} = frac{c}{2L}（c為光速，L為腔長），載波包絡偏移頻率 f_{text{ceo}} 可通過鎖定實現精確測量。測量深孔內輪廓時，超短脈沖激光經分光系統分為測量光與參考光：測量光通過光學掃描系統投射至深孔內壁，反射光與參考光在探測器處產生干涉。由于深孔內不同位置的反射光光程不同，干涉信號的頻譜分布會攜帶深度信息。通過傅里葉變換解析干涉信號的相位延遲，結合光頻梳的頻率標尺，可反演出深孔內壁各點的三維坐標，從而重構內輪廓形貌。

三、測量系統設計與構成

3.1 光學系統

采用光纖耦合的飛秒激光頻率梳作為光源，重復頻率穩定在 100MHz 量級，脈沖寬度小于 100fs。分光系統包含偏振分光棱鏡與準直透鏡，將測量光分為多束掃描光束，通過振鏡掃描系統實現深孔內壁的二維掃描。參考光路設置可調節的光學延遲線，用于補償測量光的光程差。

3.2 機械掃描機構

設計自定心式三維掃描裝置，包含彈性支撐爪與步進電機驅動的軸向進給機構。彈性支撐爪采用記憶合金材料，可自動適應 φ5mm - φ50mm 的深孔直徑，確保掃描機構沿深孔軸線精確移動。掃描頭集成微機電系統（MEMS）振鏡，實現徑向 200° 范圍內的激光掃描。

3.3 數據采集與處理系統

使用高速光譜儀（采樣率≥1MHz）采集干涉信號，通過現場可編程門陣列（FPGA）實時進行頻譜分析。數據處理軟件基于 LabVIEW 開發，集成光頻梳相位解算算法與三維輪廓重構算法，可自動生成 STL 格式的內輪廓模型。

四、測量方法與步驟

4.1 系統標定

在測量前，利用標準圓柱深孔（直徑 φ10mm，深度 100mm，粗糙度 Ra0.1μm）進行系統標定。通過調節參考光路延遲線，使干涉信號的中心波長對準光譜儀的最佳響應區間，同時校準掃描機構的軸向與徑向坐標零點，確保測量坐標系的準確性。

4.2 深孔掃描

將掃描裝置插入深孔，彈性支撐爪自動定心后，啟動軸向進給機構（速度 1mm/s）與振鏡掃描（頻率 50Hz）。激光頻率梳以 100kHz 的重復頻率發射脈沖，每掃描 1mm 采集一組干涉光譜數據，每組數據包含 1024 個光譜點。對于深度 100mm 的深孔，全程掃描時間約 2 分鐘。

4.3 數據處理與輪廓重構

對采集的干涉光譜進行預處理，通過小波變換去除環境噪聲。利用光頻梳的雙頻率鎖定特性（f_{text{rep}}與f_{text{ceo}}），將光譜數據轉換為相位延遲信息，根據公式 d = frac{c cdot Delta phi}{4pi f_{text{rep}}}（Delta phi為相位差）計算各點深度值。最后通過三角網格剖分算法，將離散的深度數據重構為連續的三維內輪廓模型。

五、實驗驗證與優勢分析

5.1 實驗案例

對某型號航空發動機燃油噴嘴深孔（直徑 φ8mm，深度 80mm，錐度≤0.05mm）進行測量，傳統接觸式測量需 30 分鐘 / 件，且因測頭磨損導致重復精度僅 ±50μm。采用激光頻率梳測量方法，單次掃描時間 2.5 分鐘，重復測量 10 次的標準偏差為 ±8μm，成功檢測出孔壁中部 0.03mm 的局部凸起，而傳統方法未能識別該缺陷。

5.2 技術優勢

5.2.1 非接觸高精度測量

基于光頻梳的相干測量原理，避免接觸式測量的機械磨損，深度測量精度達 ±10μm，輪廓分辨率達 50nm，適用于精密深孔的內表面缺陷檢測。

5.2.2 快速三維重構

結合振鏡掃描與高速數據采集，實現深孔內輪廓的快速三維建模，測量效率較傳統方法提升 10 倍以上，滿足批量生產中的在線檢測需求。

5.2.3 環境適應性強

采用光纖傳輸激光，可在高溫（≤120℃）、粉塵等惡劣環境中穩定工作，通過密封設計可實現水下 50m 深度的深孔測量。

5.2.4 多功能集成

除內輪廓測量外，該系統可同步獲取深孔的圓度、圓柱度、表面粗糙度等參數，通過算法升級可實現內表面裂紋的自動化識別。

激光頻率梳3D光學輪廓測量系統簡介：

20世紀80年代，飛秒鎖模激光器取得重要進展。2000年左右，美國J.Hall教授團隊憑借自參考f-2f技術，成功實現載波包絡相位穩定的鈦寶石鎖模激光器，標志著飛秒光學頻率梳正式誕生。2005年，Theodor.W.H?nsch（德國馬克斯普朗克量子光學研究所）與John.L.Hall（美國國家標準和技術研究所）因在該領域的卓越貢獻，共同榮獲諾貝爾物理學獎。?

系統基于激光頻率梳原理，采用500kHz高頻激光脈沖飛行測距技術，打破傳統光學遮擋限制，專為深孔、凹槽等復雜大型結構件測量而生。在1m超長工作距離下，仍能保持微米級精度，革新自動化檢測技術。?

核心技術優勢?

①同軸落射測距：獨特掃描方式攻克光學“遮擋”難題，適用于縱橫溝壑的閥體油路板等復雜結構；?

（以上為新啟航實測樣品數據結果）

②高精度大縱深：以±2μm精度實現最大130mm高度/深度掃描成像；?

（以上為新啟航實測樣品數據結果）

③多鏡頭大視野：支持組合配置，輕松覆蓋數十米范圍的檢測需求。

（以上為新啟航實測樣品數據結果）

審核編輯 黃宇