原创在线深孔孔深测量方法都有哪些 —— 激光频率梳 3D 轮廓测量

 2025-5-26 14:16  39 0 分类: 测试测量

引言

在工业生产与科学研究中，深孔加工极为常见，像航空发动机的涡轮叶片冷却孔、石油开采的钻井等。精准测量在线深孔的孔深，对保障产品质量、提升生产效率、降低成本至关重要。传统的孔深测量方法，如深度计测量、测绳测量等，在面对深孔尤其是高精度要求的深孔测量时，暴露出诸多局限性。随着科技发展，激光频率梳 3D 轮廓测量技术应运而生，为在线深孔孔深测量提供了新的高效方案。

传统在线深孔孔深测量方法及其局限性

传统的在线深孔孔深测量方法多样。深度计测量利用机械或电子深度计，直接获取钻孔深度，操作简单但精度受深度计本身精度制约，对深孔测量精度难以保障。测绳测量通过在钻杆系测绳，依据绳上标记确定深度，成本低，然而人工读数误差大，且不适用于深孔及复杂环境。声波测井借助声波在介质传播速度计算孔深，适用于一定深度测量，可受介质特性影响大，测量精度波动。地质雷达通过发射电磁波，依据反射波推断孔深，能对孔内情况初步判断，但对复杂地质条件下的深孔测量，精度和分辨率不足。这些传统方法，在面对高精度、深孔以及复杂工况时，难以满足需求，亟需新的测量技术突破。

激光频率梳 3D 轮廓测量技术原理

激光频率梳是测量频率和时间的 “尺子”，频谱上呈现为一系列分立且严格等间隔的梳状频谱线。激光频率梳 3D 轮廓测量技术，基于光的干涉原理。其发射的超短激光脉冲，经分光棱镜分为测量光路与参考光路。测量光路的激光脉冲射向深孔底部，反射光与参考光路光在分束器合束，产生干涉信号。此干涉信号被光栅光谱仪接收，利用法布里－珀罗标准具模式滤波原理对光频梳稀疏化。通过对干涉测距数据处理，由光谱解算出待测距离，即孔深。并且，根据光频梳各梳齿干涉强度信息进行傅里叶变换，可推算梳齿相位延迟，进而获取深孔不同位置深度信息，实现 3D 轮廓测量。

激光频率梳 3D 轮廓测量技术在在线深孔孔深测量中的优势

高精度测量

激光频率梳提供高度相干光源，测量精度极高。在深孔测量中，能精确到微米甚至纳米级，远超传统测量方法，满足高精度深孔加工需求，如航空航天领域发动机零部件深孔加工的高精度孔深控制。

非接触式测量

该技术无需与深孔内壁接触，避免对孔壁损伤，降低测量对深孔质量影响。对于一些表面质量要求高的深孔，如光学仪器的深孔加工，非接触测量优势显著。

快速测量与实时监测

可快速发射激光脉冲并采集数据，实现快速测量。在工业生产中，能实时监测深孔加工过程孔深变化，及时调整加工参数，提高生产效率，保障加工质量。

复杂环境适应性强

对复杂环境适应性佳，受光线、温度、湿度等环境因素影响小，可在恶劣工业环境稳定工作，如石油开采现场高温、高湿且有粉尘的环境下，准确测量钻井孔深。

激光频率梳 3D 轮廓测量技术的实际应用案例

在某航空发动机制造企业，涡轮叶片冷却孔加工中，采用激光频率梳 3D 轮廓测量技术测量孔深。以往传统测量方法难以满足高精度要求，废品率高。引入该技术后，孔深测量精度达 ±10μm，废品率从 15% 降至 3%，极大提升产品质量与生产效率。在石油钻井行业，利用该技术实时监测钻井孔深。在复杂地质条件下，能快速准确测量孔深，为钻井作业安全与高效进行提供数据支持，减少钻井事故发生率。

结论

激光频率梳 3D 轮廓测量技术以其高精度、非接触、快速测量及强环境适应性等优势，在在线深孔孔深测量展现出巨大潜力。随着技术不断发展与完善，有望在更多领域广泛应用，推动深孔加工技术进一步发展。

激光频率梳3D光学轮廓测量系统简介：

20世纪80年代，飞秒锁模激光器取得重要进展。2000年左右，美国J.Hall教授团队凭借自参考f-2f技术，成功实现载波包络相位稳定的钛宝石锁模激光器，标志着飞秒光学频率梳正式诞生。2005年，Theodor.W.Hänsch（德国马克斯普朗克量子光学研究所）与John.L.Hall（美国国家标准和技术研究所）因在该领域的卓越贡献，共同荣获诺贝尔物理学奖。

系统基于激光频率梳原理，采用500kHz高频激光脉冲飞行测距技术，打破传统光学遮挡限制，专为深孔、凹槽等复杂大型结构件测量而生。在1m超长工作距离下，仍能保持微米级精度，革新自动化检测技术。