芯耀
379
摘要
本文針對深孔孔深測量需求，探討激光頻率梳 3D 輪廓測量技術的應用。先分析深孔測量現(xiàn)狀及傳統(tǒng)方法局限，再闡述該技術原理，最后結合航空航天、石油工程等領域實例，展現(xiàn)其在深孔孔深測量中的具體應用，為相關工程實踐提供參考。
關鍵詞
激光頻率梳；3D 輪廓測量；深孔孔深測量；應用
一、引言
在現(xiàn)代工業(yè)制造中，深孔結構廣泛存在于航空航天、能源、機械等領域，如航空發(fā)動機渦輪葉片冷卻孔、石油鉆井孔、汽車發(fā)動機噴油孔等。深孔孔深的精確測量對產品質量和性能至關重要。然而，傳統(tǒng)測量方法如深度計、測繩、聲波測井等，在面對大長徑比、高精度要求的深孔時，存在精度低、效率差、適應性弱等問題。激光頻率梳 3D 輪廓測量技術憑借其獨特優(yōu)勢，為深孔孔深測量提供了高效精準的解決方案。
二、激光頻率梳 3D 輪廓測量技術原理
激光頻率梳是一種具有精確頻率間隔的光頻源，其頻譜呈現(xiàn)梳狀結構，可作為頻率和時間測量的 “標尺”。該技術基于光的干涉原理，發(fā)射的超短激光脈沖經分光后分為測量光和參考光。測量光射向深孔底部，反射后與參考光干涉，產生的干涉信號由光柵光譜儀接收。通過對干涉數(shù)據(jù)處理，利用光譜解算待測距離（即孔深），同時結合各梳齒干涉信息的傅里葉變換，獲取深孔不同位置深度，實現(xiàn) 3D 輪廓測量。
三、激光頻率梳 3D 輪廓測量在深孔孔深測量中的具體應用
3.1 航空航天領域的應用
在航空發(fā)動機制造中，渦輪葉片冷卻孔的深度精度直接影響發(fā)動機散熱效率和使用壽命。某航空企業(yè)在加工冷卻孔時，傳統(tǒng)測量方法導致廢品率達 15%。采用激光頻率梳 3D 輪廓測量技術后，孔深測量精度達 ±10μm，廢品率降至 3%。該技術可實時監(jiān)測加工過程中孔深變化，幫助調整切削參數(shù)，確保冷卻孔深度符合設計要求，提升發(fā)動機性能和可靠性。
3.2 石油工程領域的應用
石油鉆井過程中，準確測量井孔深度對鉆井安全和油氣資源開采至關重要。在復雜地質條件下，傳統(tǒng)測量方法受環(huán)境影響大，精度難以保證。激光頻率梳 3D 輪廓測量技術可在高溫、高濕、粉塵等惡劣環(huán)境中穩(wěn)定工作，快速準確獲取井孔深度數(shù)據(jù)。某油田應用該技術后，鉆井孔深測量誤差控制在 ±50μm 內，為鉆井軌跡規(guī)劃和油氣層定位提供了精準數(shù)據(jù)支持，減少了鉆井事故發(fā)生率。
3.3 汽車制造領域的應用
汽車發(fā)動機噴油孔的深度精度影響燃油噴射效果和發(fā)動機燃油經濟性。傳統(tǒng)測量方法在批量檢測噴油孔時效率低、誤差大。激光頻率梳 3D 輪廓測量技術可實現(xiàn)對噴油孔孔深的快速非接觸測量，每分鐘可檢測數(shù)十個零件，且測量精度達 ±20μm。某汽車發(fā)動機廠采用該技術后，噴油孔加工質量顯著提升，發(fā)動機油耗降低 5%。
3.4 精密機械加工領域的應用
在精密機械零件加工中，如液壓缸深孔、動車空心主軸等，對孔深精度要求極高。激光頻率梳 3D 輪廓測量技術可對這些深孔進行高精度 3D 輪廓測量，不僅能獲取孔深數(shù)據(jù)，還能檢測孔壁直線度、圓度等參數(shù)。某精密機械加工廠利用該技術，將深孔孔深測量精度提升至 ±5μm，滿足了高端零件的加工要求。
四、應用優(yōu)勢分析
4.1 高精度測量能力
該技術利用激光頻率梳的高相干性，測量精度可達微米級甚至納米級，遠超傳統(tǒng)測量方法，能滿足航空航天等高精度領域需求。
4.2 非接觸式測量特性
無需與深孔內壁接觸，避免了測量過程對孔壁的損傷，特別適合光學儀器、精密零件等對表面質量要求高的深孔測量。
4.3 快速測量與實時監(jiān)測
可快速發(fā)射激光脈沖并采集數(shù)據(jù)，實現(xiàn)深孔孔深的實時測量和加工過程監(jiān)測，提高生產效率，及時發(fā)現(xiàn)加工誤差。
4.4 強環(huán)境適應性
受光線、溫度、濕度等環(huán)境因素影響小，能在惡劣工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定工作，適用于石油、礦山等復雜工況下的深孔測量。
激光頻率梳3D光學輪廓測量系統(tǒng)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(xiàn)載波包絡相位穩(wěn)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(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，打破傳統(tǒng)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(yōu)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(shù)據(jù)結果）
②高精度大縱深：以±2μm精度實現(xiàn)最大130mm高度/深度掃描成像；?
（以上為新啟航實測樣品數(shù)據(jù)結果）
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。
（以上為新啟航實測樣品數(shù)據(jù)結果）
