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[新启航]燃料喷射孔孔深光学 3D 轮廓测量 - 激光频率梳 3D 轮廓技术

news 2025/9/20 6:39:01

一、引言

燃料喷射孔（直径 0.3-2mm，长径比 5-18）是燃油喷射系统的核心结构，其孔深精度直接决定喷油雾化效果与燃油燃烧效率，孔深偏差＞3μm 易导致发动机油耗升高 5% 以上。传统检测依赖气动量仪与接触式测头，前者仅能间接推算孔深，误差＞4μm，后者易造成孔壁划伤且无法适配长径比＞12 的小孔。激光频率梳 3D 轮廓技术凭借微尺度探测与高精度光程测量能力，突破燃料喷射孔深检测的精度与适配性瓶颈，为燃油系统精密检测提供有效方案。

二、检测原理与系统适配设计

（一）核心检测原理

基于激光频率梳 “等间隔频率梳齿” 的光频标尺特性，将孔深测量转化为光程差的精准解析。锁模飞秒脉冲经光纤分束为探测光与参考光，探测光通过显微物镜（数值孔径 0.45）聚焦于喷射孔底，反射光随孔深变化产生光程差，与参考光在平衡探测器形成干涉信号。依据v_N = Nf_{\text{rep}} + f_{\text{ceo}}频率公式提取相位信息，结合轴向扫描数据重构孔深与内壁 3D 轮廓，孔深测量精度可达 0.08μm 量级。

（二）专用系统构建

系统选用中心波长 1550nm 飞秒激光频率梳（重复频率 150MHz），搭配直径 2.5mm 的微型光纤探头，可伸入直径≥0.6mm 的燃料喷射孔。通过压电陶瓷驱动实现 0.08mm 步距的轴向扫描，结合高速数据采集卡（采样率 4GS/s），单次孔深检测耗时≤12s。针对不锈钢、黄铜等喷射孔材质的反射差异，增设可调带宽滤光片（5-15nm）优化信号信噪比。

三、喷射孔检测的关键技术突破

（一）小孔聚焦与盲区消除

采用非球面聚光镜优化光路，将探测光斑直径压缩至 15μm，解决小孔内聚焦受限问题。结合梳齿波长动态调节（覆盖 1540-1560nm），适配不同材质喷射孔检测。在长径比 18 的 Φ0.8mm 不锈钢喷射孔检测中，孔底及孔壁 99.3% 区域数据完整，无明显检测盲区。

（二）环境误差实时补偿

研发双参数同步校准算法，实时修正f_{\text{rep}}与f_{\text{ceo}}漂移（补偿响应时间＜0.8ms），抵消车间 ±3℃温度波动与 ±80μm 振动干扰。实验显示，补偿后孔深测量重复性误差从 0.5μm 降至 0.12μm，满足燃油系统精密部件检测要求。

四、精度验证与工程应用

（一）精度校准结果

以标准校准孔规（孔深偏差 ±0.15μm）校准，系统孔深测量误差≤±0.25μm，孔壁轮廓分辨率达 0.25μm，可清晰识别电火花加工残留的微米级纹路。与三坐标测量机对比，孔深检测一致性达 99.4%，检测效率提升 4 倍。

（二）实际应用案例

在某型汽车喷油器喷射孔（Φ1.2mm，孔深 15mm）检测中，成功检出 0.3μm 的孔深锥度偏差与 0.7μm 的内壁圆度误差，检测结果通过燃油喷射试验验证。在批量检测中，该技术实现 100% 孔深筛查，误判率控制在 0.15% 以下，较传统气动量仪降低 85%。

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。