增材制造（AM）技術

通過逐層堆積材料實現(xiàn)復雜結構成型，但3D打印表面質量存在層厚均勻性和組裝方式導致的臺階效應問題，表面粗糙度直接影響機械性能與功能可靠性，尤其在航空航天、生物醫(yī)療等領域至關重要。

因此精確測量表面輪廓成為提升打印質量的關鍵環(huán)節(jié)。本文提出基于多模-無芯-多模（MCM）光纖的低成本曲率傳感器，通過探針位移-曲率-光強調制機制實現(xiàn)表面輪廓實時測量。通過對比與Flexfilm探針式臺階儀測量得到的輪廓數(shù)據(jù)，二者吻合度很高。

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傳感器結構設計

flexfilm

29 mm無芯光纖（CF）兩端熔接50/125多模光纖（MMF），總直徑125 μm。

(a) MCM光纖結構的透射光譜；(b) 不同溫度下陷波最小值的波長變化；(c) 不同溫度下陷波最小值的強度變化。

• 光譜分析：白光光源（WLS）+光譜分析儀（OSA），觀測1550 nm處衰減陷波；
• 強度監(jiān)測：可調激光器（TL@1550 nm）+功率計（PM），簡化實時測量。
• 溫度穩(wěn)定性：90°C內波長漂移<0.2 nm，強度波動<0.1 dBm，確保曲率測量可靠性。

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傳感系統(tǒng)集成

flexfilm

接觸式觸針輪廓儀的實現(xiàn)方案示意圖

機械結構：MCM光纖貼合于3 mm厚金屬梁，中心固定3D打印觸針（針尖直徑0.3 mm）。

工作流程

觸針掃描物體表面→ 金屬梁彎曲 → MCM曲率變化 → 衰減峰強度升高（無波長偏移）。

強度信號經(jīng)可調激光器（1550 nm）和功率計實時捕獲，通過多項式擬合轉換為輪廓數(shù)據(jù)。

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曲率靈敏度與分辨率驗證

flexfilm

表征MCM光纖結構曲率響應的實驗裝置示意圖

實驗設置

金屬梁兩端由可旋轉方形槽固定，中心通過線性平移臺（LTS）施加彎曲位移（步進精度1 μm）。曲率計算公式：

1：(a) MCM曲率增大時的衰減陷波光譜；(b) 衰減陷波最小強度隨曲率的變化關系

2:(a) 不同曲率下衰減陷波光譜的細節(jié)；(b) 小曲率范圍內陷波最小強度的線性擬合

3：(a) MCM光纖結構的彎曲位移與透射光功率關系；(b) 基于六階多項式擬合的實驗數(shù)據(jù)

靈敏度特性

曲率范圍0–4.06 m?1內，衰減峰強度單調上升，非線性響應。

高靈敏區(qū)間：0.6–1.0 m?1（斜率3.725 dBm/m?1，R2=0.993）。

位移靈敏度：89.43 μW/mm（最小可測位移2 μm，對應曲率0.00326 m?1）。

LTS位移序列對應的透射光功率（左軸）及通過多項式擬合計算的階躍高度（右軸）

重復性驗證

50 μm和10 μm步進位移測試中，實測誤差<6%，證實系統(tǒng)穩(wěn)定性。

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3D打印表面輪廓實測

flexfilm

鋸齒輪廓模型、商用輪廓儀測量結果、MCM透射光功率及轉換后的輪廓

矩形輪廓模型、商用輪廓儀測量結果、MCM透射光功率及轉換后的輪廓

測試對象與參數(shù)

樣本：鋸齒形（理論高0.4 mm/間距3 mm）、矩形輪廓（理論高0.2 mm/間距2 mm）。

掃描條件：平臺速度0.1 mm/s，數(shù)據(jù)點間隔0.2 mm。

對比臺階儀結果

本文提出的基于MCM光纖結構的接觸式觸針輪廓儀，為低成本3D打印物體表面輪廓測量提供了一種簡單、有效的解決方案。通過探針式臺階儀測量驗證該輪廓儀具有較高的測量精度和良好的重復性，為3D打印在線質檢提供新途徑。

Flexfilm探針式臺階儀

flexfilm

在半導體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領域，表面臺階高度、膜厚的準確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數(shù)，對各種薄膜臺階參數(shù)的精確、快速測定和控制，是保證材料質量、提高生產效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復性1nm
• 360°旋轉θ平臺結合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準測量

Flexfilm探針式臺階儀可以對3D打印表面粗糙度進行測量，精確量化3D打印層疊結構產生的臺階高度，并對膜厚均勻性進行優(yōu)化。

原文參考：《Optical Fiber Curvature Sensor Used to Measure the Surface Profile of 3-D Printing Objects》

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