在線深孔孔深測量方法都有哪些 —— 激光頻率梳 3D 輪廓測量

引言

在工業(yè)生產(chǎn)與科學(xué)研究中，深孔加工極為常見，像航空發(fā)動機(jī)的渦輪葉片冷卻孔、石油開采的鉆井等。精準(zhǔn)測量在線深孔的孔深，對保障產(chǎn)品質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率、降低成本至關(guān)重要。傳統(tǒng)的孔深測量方法，如深度計(jì)測量、測繩測量等，在面對深孔尤其是高精度要求的深孔測量時(shí)，暴露出諸多局限性。隨著科技發(fā)展，激光頻率梳 3D 輪廓測量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為在線深孔孔深測量提供了新的高效方案。

傳統(tǒng)在線深孔孔深測量方法及其局限性

傳統(tǒng)的在線深孔孔深測量方法多樣。深度計(jì)測量利用機(jī)械或電子深度計(jì)，直接獲取鉆孔深度，操作簡單但精度受深度計(jì)本身精度制約，對深孔測量精度難以保障 。測繩測量通過在鉆桿系測繩，依據(jù)繩上標(biāo)記確定深度，成本低，然而人工讀數(shù)誤差大，且不適用于深孔及復(fù)雜環(huán)境 。聲波測井借助聲波在介質(zhì)傳播速度計(jì)算孔深，適用于一定深度測量，可受介質(zhì)特性影響大，測量精度波動 。地質(zhì)雷達(dá)通過發(fā)射電磁波，依據(jù)反射波推斷孔深，能對孔內(nèi)情況初步判斷，但對復(fù)雜地質(zhì)條件下的深孔測量，精度和分辨率不足。這些傳統(tǒng)方法，在面對高精度、深孔以及復(fù)雜工況時(shí)，難以滿足需求，亟需新的測量技術(shù)突破。

激光頻率梳 3D 輪廓測量技術(shù)原理

激光頻率梳是測量頻率和時(shí)間的 “尺子”，頻譜上呈現(xiàn)為一系列分立且嚴(yán)格等間隔的梳狀頻譜線 。激光頻率梳 3D 輪廓測量技術(shù)，基于光的干涉原理。其發(fā)射的超短激光脈沖，經(jīng)分光棱鏡分為測量光路與參考光路。測量光路的激光脈沖射向深孔底部，反射光與參考光路光在分束器合束，產(chǎn)生干涉信號。此干涉信號被光柵光譜儀接收，利用法布里－珀羅標(biāo)準(zhǔn)具模式濾波原理對光頻梳稀疏化 。通過對干涉測距數(shù)據(jù)處理，由光譜解算出待測距離，即孔深。并且，根據(jù)光頻梳各梳齒干涉強(qiáng)度信息進(jìn)行傅里葉變換，可推算梳齒相位延遲，進(jìn)而獲取深孔不同位置深度信息，實(shí)現(xiàn) 3D 輪廓測量。

激光頻率梳 3D 輪廓測量技術(shù)在在線深孔孔深測量中的優(yōu)勢

高精度測量

激光頻率梳提供高度相干光源，測量精度極高。在深孔測量中，能精確到微米甚至納米級，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)測量方法，滿足高精度深孔加工需求，如航空航天領(lǐng)域發(fā)動機(jī)零部件深孔加工的高精度孔深控制。

非接觸式測量

該技術(shù)無需與深孔內(nèi)壁接觸，避免對孔壁損傷，降低測量對深孔質(zhì)量影響。對于一些表面質(zhì)量要求高的深孔，如光學(xué)儀器的深孔加工，非接觸測量優(yōu)勢顯著。

快速測量與實(shí)時(shí)監(jiān)測

可快速發(fā)射激光脈沖并采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)快速測量。在工業(yè)生產(chǎn)中，能實(shí)時(shí)監(jiān)測深孔加工過程孔深變化，及時(shí)調(diào)整加工參數(shù)，提高生產(chǎn)效率，保障加工質(zhì)量。

復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)

對復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性佳，受光線、溫度、濕度等環(huán)境因素影響小，可在惡劣工業(yè)環(huán)境穩(wěn)定工作，如石油開采現(xiàn)場高溫、高濕且有粉塵的環(huán)境下，準(zhǔn)確測量鉆井孔深。

激光頻率梳 3D 輪廓測量技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用案例

在某航空發(fā)動機(jī)制造企業(yè)，渦輪葉片冷卻孔加工中，采用激光頻率梳 3D 輪廓測量技術(shù)測量孔深。以往傳統(tǒng)測量方法難以滿足高精度要求，廢品率高。引入該技術(shù)后，孔深測量精度達(dá) ±10μm，廢品率從 15% 降至 3%，極大提升產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率 。在石油鉆井行業(yè)，利用該技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆井孔深。在復(fù)雜地質(zhì)條件下，能快速準(zhǔn)確測量孔深，為鉆井作業(yè)安全與高效進(jìn)行提供數(shù)據(jù)支持，減少鉆井事故發(fā)生率。

結(jié)論

激光頻率梳 3D 輪廓測量技術(shù)以其高精度、非接觸、快速測量及強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性等優(yōu)勢，在在線深孔孔深測量展現(xiàn)出巨大潛力。隨著技術(shù)不斷發(fā)展與完善，有望在更多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，推動深孔加工技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。

激光頻率梳3D光學(xué)輪廓測量系統(tǒng)簡介：

20世紀(jì)80年代，飛秒鎖模激光器取得重要進(jìn)展。2000年左右，美國J.Hall教授團(tuán)隊(duì)?wèi){借自參考f-2f技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的鈦寶石鎖模激光器，標(biāo)志著飛秒光學(xué)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(xué)研究所）與John.L.Hall（美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所）因在該領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)，共同榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。?

系統(tǒng)基于激光頻率梳原理，采用500kHz高頻激光脈沖飛行測距技術(shù)，打破傳統(tǒng)光學(xué)遮擋限制，專為深孔、凹槽等復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)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(shù)。?

核心技術(shù)優(yōu)勢?

①同軸落射測距：獨(dú)特掃描方式攻克光學(xué)“遮擋”難題，適用于縱橫溝壑的閥體油路板等復(fù)雜結(jié)構(gòu)；?

（以上為新啟航實(shí)測樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

②高精度大縱深：以±2μm精度實(shí)現(xiàn)最大130mm高度/深度掃描成像；?

（以上為新啟航實(shí)測樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

③多鏡頭大視野：支持組合配置，輕松覆蓋數(shù)十米范圍的檢測需求。

（以上為新啟航實(shí)測樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）