1 、引言

燃料電池電堆極板流場深孔是氫氣、氧氣及冷卻液的傳輸核心通道，其孔深精度直接決定流體分布均勻性、傳質效率及電堆熱管理效果，進而影響燃料電池的輸出功率、能量轉換效率及使用壽命。傳統測量技術如接觸式探針測量易劃傷流場孔壁的導電涂層，導致接觸電阻增大，且針對極板流場高密度、微尺度分布的深孔存在可達性差的問題；超聲測量受極板石墨/金屬基復合材料的界面反射干擾，測量誤差難以滿足高精度檢測需求。激光頻率梳技術憑借等間隔頻率梳齒的高精度時頻基準優勢，實現頻域與時域的精準轉換，且具備非接觸、無損傷測量特性，為燃料電池電堆極板流場深孔3D輪廓測量提供了有效解決方案。本文提出基于激光頻率梳的燃料電池電堆極板流場深孔孔深3D輪廓測量方法，旨在突破傳統技術瓶頸，滿足極板量產檢測的高精度與高效率需求。

2、 激光頻率梳3D輪廓測量原理

激光頻率梳通過飛秒激光器產生超短脈沖序列，經非線性光學效應生成等頻率間隔的梳齒狀光譜，其重復頻率與載波包絡偏移頻率的雙鎖定機制，可提供精度達10?1?量級的時頻基準。在3D輪廓測量中，激光頻率梳輸出的脈沖光經高精度微透鏡組縮束與準直調制后投射至極板流場深孔表面，反射光與參考光在探測器上形成干涉信號，相位差與光程差呈嚴格線性對應關系。通過傅里葉變換解析干涉信號，結合莫爾條紋相位調制原理，可將條紋偏移量轉化為孔壁與孔底的高度信息，即滿足h = (Δx·λ)/(2·sinθ)（其中Δx為條紋偏移量，λ為激光波長，θ為投影角度）。相較于傳統光學測量，該技術借助長相干長度特性（可調至90mm）突破極板流場深孔微尺度、高密度分布的遮擋限制，實現孔底輪廓的完整、無損傷重建。

3、 測量系統設計與實驗驗證

3.1 系統結構設計

測量系統由激光頻率梳模塊、微光束精準調制模塊、圖像采集模塊及數據處理模塊組成。激光頻率梳模塊選用低功率600kHz高頻飛秒激光器，輸出635nm紅光脈沖，既保證極板石墨/金屬基復合材料孔壁及導電涂層的反射效率，又避免激光能量對極板材料造成損傷；微光束精準調制模塊通過高倍率微透鏡組實現光束聚焦（聚焦光斑直徑≤20μm），配合多自由度微型電動云臺驅動實現±150°俯仰掃描，確保覆蓋高密度分布的極板流場深孔全深度區域；圖像采集模塊采用高靈敏度、低噪聲CCD相機，配合頻率梳時間戳標記實現干涉條紋的同步清晰采集；數據處理模塊基于加權最小二乘法完成相位解包裹，結合極板流場深孔的圓柱面校準模型修正坐標偏差，最終精確計算孔深值。

3.2 實驗驗證

實驗選取燃料電池電堆標準極板樣品，含直徑0.8-2.5mm、深度8-25mm的流場深孔共60個，以高精度X-CT測量值為基準。系統掃描速度設為28mm/s，點云密度100點/mm2，對每個深孔取35個計算點的深度平均值作為測量結果。實驗顯示，測量誤差范圍為±0.2μm，標準差＜0.5μm，較傳統超聲測量精度提升6倍；單樣品檢測耗時6分鐘，滿足極板量產篩查效率要求。在燃料電池極板加工車間粉塵環境（粉塵濃度≤15mg/m3）下，條紋對比度保持72%以上，驗證了系統的環境適應性。

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