1 、引言

燃料電池電堆極板流場(chǎng)深孔是氫氣、氧氣及冷卻液的傳輸核心通道，其孔深精度直接決定流體分布均勻性、傳質(zhì)效率及電堆熱管理效果，進(jìn)而影響燃料電池的輸出功率、能量轉(zhuǎn)換效率及使用壽命。傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)如接觸式探針測(cè)量易劃傷流場(chǎng)孔壁的導(dǎo)電涂層，導(dǎo)致接觸電阻增大，且針對(duì)極板流場(chǎng)高密度、微尺度分布的深孔存在可達(dá)性差的問(wèn)題；超聲測(cè)量受極板石墨/金屬基復(fù)合材料的界面反射干擾，測(cè)量誤差難以滿(mǎn)足高精度檢測(cè)需求。激光頻率梳技術(shù)憑借等間隔頻率梳齒的高精度時(shí)頻基準(zhǔn)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)頻域與時(shí)域的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，且具備非接觸、無(wú)損傷測(cè)量特性，為燃料電池電堆極板流場(chǎng)深孔3D輪廓測(cè)量提供了有效解決方案。本文提出基于激光頻率梳的燃料電池電堆極板流場(chǎng)深孔孔深3D輪廓測(cè)量方法，旨在突破傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，滿(mǎn)足極板量產(chǎn)檢測(cè)的高精度與高效率需求。

2、 激光頻率梳3D輪廓測(cè)量原理

激光頻率梳通過(guò)飛秒激光器產(chǎn)生超短脈沖序列，經(jīng)非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)生成等頻率間隔的梳齒狀光譜，其重復(fù)頻率與載波包絡(luò)偏移頻率的雙鎖定機(jī)制，可提供精度達(dá)10?1?量級(jí)的時(shí)頻基準(zhǔn)。在3D輪廓測(cè)量中，激光頻率梳輸出的脈沖光經(jīng)高精度微透鏡組縮束與準(zhǔn)直調(diào)制后投射至極板流場(chǎng)深孔表面，反射光與參考光在探測(cè)器上形成干涉信號(hào)，相位差與光程差呈嚴(yán)格線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)傅里葉變換解析干涉信號(hào)，結(jié)合莫爾條紋相位調(diào)制原理，可將條紋偏移量轉(zhuǎn)化為孔壁與孔底的高度信息，即滿(mǎn)足h = (Δx·λ)/(2·sinθ)（其中Δx為條紋偏移量，λ為激光波長(zhǎng)，θ為投影角度）。相較于傳統(tǒng)光學(xué)測(cè)量，該技術(shù)借助長(zhǎng)相干長(zhǎng)度特性（可調(diào)至90mm）突破極板流場(chǎng)深孔微尺度、高密度分布的遮擋限制，實(shí)現(xiàn)孔底輪廓的完整、無(wú)損傷重建。

3、 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)由激光頻率梳模塊、微光束精準(zhǔn)調(diào)制模塊、圖像采集模塊及數(shù)據(jù)處理模塊組成。激光頻率梳模塊選用低功率600kHz高頻飛秒激光器，輸出635nm紅光脈沖，既保證極板石墨/金屬基復(fù)合材料孔壁及導(dǎo)電涂層的反射效率，又避免激光能量對(duì)極板材料造成損傷；微光束精準(zhǔn)調(diào)制模塊通過(guò)高倍率微透鏡組實(shí)現(xiàn)光束聚焦（聚焦光斑直徑≤20μm），配合多自由度微型電動(dòng)云臺(tái)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)±150°俯仰掃描，確保覆蓋高密度分布的極板流場(chǎng)深孔全深度區(qū)域；圖像采集模塊采用高靈敏度、低噪聲CCD相機(jī)，配合頻率梳時(shí)間戳標(biāo)記實(shí)現(xiàn)干涉條紋的同步清晰采集；數(shù)據(jù)處理模塊基于加權(quán)最小二乘法完成相位解包裹，結(jié)合極板流場(chǎng)深孔的圓柱面校準(zhǔn)模型修正坐標(biāo)偏差，最終精確計(jì)算孔深值。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)選取燃料電池電堆標(biāo)準(zhǔn)極板樣品，含直徑0.8-2.5mm、深度8-25mm的流場(chǎng)深孔共60個(gè)，以高精度X-CT測(cè)量值為基準(zhǔn)。系統(tǒng)掃描速度設(shè)為28mm/s，點(diǎn)云密度100點(diǎn)/mm2，對(duì)每個(gè)深孔取35個(gè)計(jì)算點(diǎn)的深度平均值作為測(cè)量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)顯示，測(cè)量誤差范圍為±0.2μm，標(biāo)準(zhǔn)差＜0.5μm，較傳統(tǒng)超聲測(cè)量精度提升6倍；單樣品檢測(cè)耗時(shí)6分鐘，滿(mǎn)足極板量產(chǎn)篩查效率要求。在燃料電池極板加工車(chē)間粉塵環(huán)境（粉塵濃度≤15mg/m3）下，條紋對(duì)比度保持72%以上，驗(yàn)證了系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。

激光頻率梳3D光學(xué)輪廓測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介：

20世紀(jì)80年代，飛秒鎖模激光器取得重要進(jìn)展。2000年左右，美國(guó)J.Hall教授團(tuán)隊(duì)?wèi){借自參考f-2f技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的鈦寶石鎖模激光器，標(biāo)志著飛秒光學(xué)頻率梳正式誕生。2005年，Theodor.W.H?nsch（德國(guó)馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所）與John.L.Hall（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所）因在該領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)，共同榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。?

系統(tǒng)基于激光頻率梳原理，采用500kHz高頻激光脈沖飛行測(cè)距技術(shù)，打破傳統(tǒng)光學(xué)遮擋限制，專(zhuān)為深孔、凹槽等復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)件測(cè)量而生。在1m超長(zhǎng)工作距離下，仍能保持微米級(jí)精度，革新自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)。?

核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)?

①同軸落射測(cè)距：獨(dú)特掃描方式攻克光學(xué)“遮擋”難題，適用于縱橫溝壑的閥體油路板等復(fù)雜結(jié)構(gòu)；?

（以上為新啟航實(shí)測(cè)樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

②高精度大縱深：以±2μm精度實(shí)現(xiàn)最大130mm高度/深度掃描成像；?

（以上為新啟航實(shí)測(cè)樣品數(shù)據(jù)結(jié)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(cè)需求。

（以上為新啟航實(shí)測(cè)樣品數(shù)據(jù)結(jié)果）

審核編輯 黃宇