原创 在线深凹槽深测量方法都有哪些 —— 激光频率梳 3D 轮廓测量

引言

在航空航天、模具制造等领域，深凹槽作为关键结构特征，其深度测量精度直接影响零件装配精度与服役性能。随着智能制造对在线检测的需求提升，传统接触式测量已难以满足动态加工中的高精度检测要求，探索高效可靠的在线深凹槽深度测量方法成为行业焦点。

传统在线深凹槽深度测量方法

接触式测量方法

电感测微仪测量

基于电磁感应原理，通过测头与凹槽底面接触产生的电感量变化来测量深度。测头采用红宝石材质以减少磨损，测量范围通常为 0 - 50mm，分辨率可达 1μm。但该方法需测头直接接触凹槽底面，可能划伤工件表面，且测量速度慢（单点测量需 2 - 3 秒），无法适应流水线快速检测需求。

容栅式测量

利用容栅传感器的电容变化实现深度测量，测杆采用不锈钢材质，具有抗弯曲性能。测量时测杆插入凹槽，通过显示屏直接读取深度值，量程可达 0 - 300mm，精度 ±0.05mm。然而，深凹槽内若存在油污或切屑，会导致测杆卡滞，影响测量可靠性。

非接触式测量方法

超声波测量

通过发射超声波脉冲并接收底面反射回波，根据传播时间计算深度。探头频率多为 5 - 10MHz，可测深度达 1000mm，精度 ±0.5%。但超声波在不同介质界面会产生折射与衰减，当凹槽内壁存在倾斜或涂层时，易导致回波信号畸变，测量误差增大。

工业 CCD 视觉测量

采用高分辨率相机配合结构光投射器，通过三角测量原理获取凹槽三维形貌。测量视野范围 5 - 200mm，深度分辨率约 5μm。但深凹槽的深径比若大于 5:1，会因光线遮挡形成测量盲区，且环境光干扰易导致图像特征提取偏差。

激光频率梳 3D 轮廓测量方法

测量系统构成

激光频率梳 3D 轮廓测量系统由飞秒激光光源（重复频率 100MHz - 1GHz）、光纤耦合模块、二维扫描振镜及高速光谱仪组成。光源输出中心波长 1550nm 的超短脉冲激光，经准直后通过振镜扫描凹槽内壁，反射光与参考臂激光在光谱仪中形成干涉条纹，采样频率可达 1MHz。

深度测量原理

基于光频梳的绝对测距技术，通过测量激光脉冲从发射到接收的时间差计算凹槽深度。对于深凹槽的复杂结构，系统通过螺旋扫描方式获取内壁点云数据，利用最小二乘法拟合凹槽底面平面，计算该平面到基准面的垂直距离即为深度值。测量不确定度可达 ±0.3μm，满足微米级精度要求。

在线检测工艺实现

在生产线中，测量头通过机械臂安装于加工设备旁，当工件加工完成后，机械臂驱动测量头对准凹槽，激光频率梳发射脉冲激光（脉宽 50fs）进行扫描。数据采集与处理同步进行，10 秒内即可生成凹槽三维轮廓图，深度值自动标注在检测报告中，超差部位以黄色警示标识。

技术优势与抗干扰措施

相比传统方法，该技术具有三大突破：非接触测量避免工件损伤，适用于软质材料凹槽检测；三维点云可完整呈现凹槽底部形貌，识别局部凹陷等缺陷；测量效率提升 5 倍以上（深度 100mm 凹槽检测仅需 8 秒）。针对在线检测中的切削液飞溅干扰，系统采用波长调谐技术（1545 - 1555nm）避开水分吸收峰；振动误差则通过惯性测量单元实时补偿，确保动态测量稳定性。

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。​

核心技术优势​

①同轴落射测距：独特扫描方式攻克光学“遮挡”难题，适用于纵横沟壑的阀体油路板等复杂结构；​

（以上为新启航实测样品数据结果）

②高精度大纵深：以±2μm精度实现最大130mm高度/深度扫描成像；​

（以上为新启航实测样品数据结果）

③多镜头大视野：支持组合配置，轻松覆盖数十米范围的检测需求。

（以上为新启航实测样品数据结果）