CN108363143A - 光纤熔接机识别光纤的方法、其***及专用调芯支架 - Google Patents

Abstract

本发明给出了一种光纤熔接机识别光纤的方法，包括以下步骤：光纤放在调芯支架上；通过调芯支架使光纤沿光纤熔接机物镜的光轴方向移动；物镜及CCD采集信号，判断光纤的类型。复用现有熔接设备上的器件，而无需增加调焦机构。本发明还给出了一种光纤熔接机识别光纤***，包括调芯模块、采集模块、比较模块、选择模块、传输模块。本发明又给出了一种实现上述光纤熔接机识别光纤的方法中专用调芯支架；壳体内开有两个调节孔；调节组件的弹性构件在壳体上开有通孔，弹性构件延伸有摆杆，传动杆贯穿通孔和调节孔，钢球放在传动杆与摆杆，光纤定位块固定在摆杆上，光纤定位块开有限位凹槽。本调芯支架带动光纤完成移动，符合识别光纤的方法的设计要求。

Description

光纤熔接机识别光纤的方法、其***及专用调芯支架

技术领域

本发明涉及一种光纤熔接机识别光纤的方法。

本发明还涉及一种光纤熔接机识别光纤的***。

本发明又涉及一种光纤熔接机识别光纤的方法的专用调芯支架。

背景技术

光纤熔接机用于熔接多种光纤，在熔接作业时，不同类型的光纤一般需要设置不同的熔接参数，基于图像的光纤识别方法一般都是通过调焦等光学装置使得光纤图像发生变化，并分析对比这些变化以确定光纤的类型。光纤和物镜之间要相对移动(即被观察物体的离焦、变焦过程)，例如对于G.652和G.653以及G.655光纤来说，其纤芯的差别微乎其微，仅凭一帧图像难以完全识别出来(图6是一般的物镜及光纤不发生相对移动的情况下，能够对光纤进行放大成像的成像效果，图7是对应的波形图，这种成像法是将光纤类似等同于一般的玻璃棒，无法分辨纤芯)，必须将光纤离焦，并在离焦的过程中记录其各个位置的图像，用于综合辅助分析，才能判断出其差异。现有的方案是通过物镜的移动实现调焦的目的，在光纤熔接机中实现物镜的移动需要另外增加调焦机构，调焦机构内包含两个或两个以上的电机，通过电机推动物镜来前后移动实现变焦，但是调焦机构操作复杂、占用大量空间、提升制造成本。

调芯支架是光纤熔接机的重要组成部分，现有调芯支架的作用只能在光纤焊接之前，限制两根光纤的位置，保证两根光纤端面相互对准，保证焊接的精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种操作方便、识别准确率高的光纤熔接机识别光纤的方法。

本发明所要解决的技术问题是还提供一种光纤熔接机识别光纤***。

本发明所要解决的技术问题是又提供一种实现光纤熔接机识别光纤的方法中专用调芯支架。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种光纤熔接机识别光纤的方法，包括以下步骤：

a)将待焊接的两根光纤分别放置在光纤熔接的机的两个调芯支架上，两根光纤端面相对；

b)通过调芯支架使对应的光纤沿光纤熔接机物镜的光轴方向移动；

c)物镜及CCD采集在光纤移动过程中的光纤图像信号，以判断光纤的类型；

其中步骤c)中判断光纤的类型包括：

将步骤c)中采集的光纤图像信号与若干阙值比较，根据比较结果，步骤c)中采集的光纤图像信号与任一阙值对应，则视为此光纤为与上述阙值对应的已知种类光纤为同一种类光纤。

作为本方法的优选，步骤c)中采集的光纤图像信号包括图像纵坐标参数及对应的像素灰度值。

作为本方法的优选，阙值由以下步骤确定：

预先分别选取已知的不同种类的光纤，分别使已知的不同种类的光纤经过步骤a)和步骤b),利用物镜及CCD采集在已知的不同种类光纤移动过程中的光纤图像信号，并将上述若干光纤图像信号对应设置为若干阙值。

采用这样的方法后，通过调芯来改变光纤与镜头间的距离，分析对比这些变化以确定光纤的类型，以达在操作人员无需知道光纤类型的情况下，光纤熔接机自动选择合适的熔接参数，以简化操作；而且最大程度上复用现有熔接设备上的器件，而无需增加调焦机构。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种光纤熔接机识别光纤***，包括以下模块：

调芯模块，用于带动光纤移动；

采集模块，用于采集在光纤移动过程中的光纤图像信号；

比较模块，用于将采集到的光纤图像信号与若干阙值比较；

选择模块，根据比较结果，采集的光纤图像信号与任一阙值对应，则视为此光纤为与上述阙值对应的已知种类光纤为同一种类光纤；

传输模块，将选择模块得到的结果传输至外部设备。

采用这样的***后，使该***具有识别光纤的能力，可以更好的实现光纤熔接机识别光纤的方法。

为解决上述技术问题，本发明又提供了一种实现上述光纤熔接机识别光纤的方法中专用调芯支架；

包括壳体、两组调节组件和两个光纤定位块，所述光纤定位块与所述调节组件为一一对应关系，所述壳体内开有两个贯穿其上下端面的调节孔；

所述调节组件包括弹性构件、传动杆和钢球，弹性构件在壳体对应的调节孔位置开有通孔，弹性构件表面向通孔上侧延伸有独立的摆杆，摆杆的端部与通孔上端开口之间具有容纳钢球的间隙，传动杆贯穿弹性构件的通孔和壳体对应的调节孔，传动杆的下端伸出调节孔下侧，钢球放置在传动杆上端与摆杆端部之间，钢球的直径小于弹性构件通孔的孔径，所述光纤定位块固定在对应的摆杆上端，所述光纤定位块上端面开有放置光纤的限位凹槽；

两个光纤定位块的限位凹槽的中心线在同一直线上，所述摆杆带动对应的光纤定位块移动，两个光纤定位块移动轨迹分别处于限位凹槽中心线所在的竖直面对称。

采用这样的***后，本专用调芯支架可以带动光纤完成规定的移动，符合光纤熔接机识别光纤的方法的设计要求。

本专用调芯支架的传动杆上端设有契合钢球的第一凹槽，所述摆杆端部下端面也开有契合钢球的第二凹槽；采用这样的结构后，可以方便钢球与传动杆及摆杆之间的配合，并且避免钢球从传动杆和摆杆之间滑落。

本专用调芯支架的传动杆包括处于上端的第一杆体和处于下端的第二杆体，第二杆体的上端面开有定位凹槽，第一杆体下端伸入第二杆体的定位凹槽内，第一杆体与第二杆体之间固定，第一杆体上端设有契合钢球的第一凹槽；采用这样的结构后，传动杆的结构更为具体，方便工业化加工生产。

本专用调芯支架的壳体外壁延伸有法兰；采用这样的结构后，方便本调芯支架与光纤熔接机之间的装配。

本专用调芯支架的传动杆的第二杆体上部直径大于第二杆体下部的直径；

所述的壳体包括壳本体和安装挡板，壳本体内开有至少一个贯穿其上下端面的第一调节阶段孔，第一调节阶段孔下部的孔径大于第二杆体上部的直径，安装挡板上对应壳本体的第一调节阶段孔位置开有至少一个第二调节阶段孔，第二调节阶段孔的孔径大于第二杆体下部的直径且小于第二杆体上部的直径，安装挡板固定在壳本体下部，壳本体的第一调节阶段孔与安装挡板对应的第二调节阶段孔共同组成壳体的调节孔。

采用这样的结构后，细化了壳体及传动杆的结构，方便二者装配，降低了本调芯支架的加工难度。

附图说明

图1是本专用调芯支架实施例的使用状态图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1沿A-A向剖视放大图。

图4是图1的B部放大图。

图5是本专用调芯支架实施例壳体及弹性构件的剖视图。

图6是现有技术中固定物镜的成像效果图。

图7是图6对应的波形图。

图8是单模光纤光纤折射图。

图9是光纤熔接机的光路结构原理图。

图10是本光纤熔接机识别光纤的方法采集的2D曲面照度图。

图11是本光纤熔接机识别光纤的方法采集的几何图像分析图。

图12是本光纤熔接机识别光纤的方法采集的模拟其成像效果图。

图13是本光纤熔接机识别光纤的方法物镜的成像效果图。

图14是图13对应的波形图。

具体实施方式

如图1至5所示(图5的剖视方向与图3的剖视方向一致)

以下先介绍专用调芯支架的结构，调芯支架包括壳体1、两组调节组件和两组光纤定位块3。

壳体1包括壳本体11和安装挡板12，壳本体11内开有两个贯穿其上下端面的第一调节阶段孔11a，安装挡板12上对应壳本体11的第一调节阶段孔11a位置开有两个第二调节阶段孔12a，安装挡板12通过紧固螺钉(图中未示出)在壳本体11下部，壳本体11的第一调节阶段孔11a与安装挡板12对应的第二调节阶段孔12a共同组成壳体1的调节孔，壳本体11外壁延伸有法兰11b。

调节组件包括弹性构件21、传动杆和钢球23，弹性构件21的截面大体为正六边形状，弹性构件21在壳体1对应的调节孔位置开有贯穿其上、下端面的通孔21a，弹性构件21侧壁表面向通孔21a上侧延伸有独立的摆杆21b，摆杆21b端部延伸至弹性构件21通孔21a的上端，摆杆21b的端部与通孔21a上端开口之间具有容纳钢球23的间隙，摆杆21b端部下端面也开有契合钢球23的第二凹槽21c。

传动杆贯穿弹性构件21的通孔21a和壳体1对应的调节孔，传动杆包括处于上端的第一杆体22a和处于下端的第二杆体22c，第二杆体22c上部直径大于第二杆体22c下部的直径，第二杆体22c的上端面开有定位凹槽22d，第一杆体22a下端伸入第二杆体22c的定位凹槽22d内，第一杆体22a下端与第二杆体22c的定位凹槽22d之间过盈配合，第一杆体22a与第二杆体22c之间固定，第一杆体22a上端设有契合钢球23的第一凹槽22b，第二杆体22c的下端伸出调节孔下侧一定距离；

第二杆体22c上部的直径小于第一调节阶段孔11a下部的孔径，第二杆体22c下部的直径小于第二调节阶段孔12a的孔径，第二杆体22c上部的直径大于第二调节阶段孔12a的孔径。

钢球23放置在第一杆体22a的第一凹槽22b与摆杆21b的第二凹槽21c之间，钢球23的直径小于弹性构件21通孔21a的孔径。

壳体1的两个调节孔、两个光纤定位块3与两组调节组件为一一对应关系，两个光纤定位块3固定粘合在对应的摆杆21b上端，每个光纤定位块3上端面开有放置光纤5的限位凹槽31，两个光纤定位块3之间具有间隙，并且两个光纤定位块3的限位凹槽31的中心线在同一直线上，两组调节组件的摆杆21b分别处于限位凹槽31中心线所在的竖直面两侧。

利用壳本体11外壁的法兰11b将调芯支架固定在光纤熔接机内，光纤熔接机的两个物镜4处于调芯支架两侧，通过两侧物镜4观察放置在两个光纤定位块3内的两根光纤5端面的相对位置，外部机构作用传动杆的第二杆体22c下端，使传动杆带动上部的钢球23发生位移，进而使弹性构件21的摆杆21b相对弹性构件21的本体发生摆动，由于两个摆杆21b分别处于限位凹槽31中心线所在的竖直面两侧，每个光纤定位块3沿摆杆与弹性构件21连接处摆动，由于摆动的弧长很短，在物镜4观察到的运动可以视作直线移动，此直线与光纤熔接机物镜的光轴近似在一条直线上，并且光纤定位块3向远离物镜5一侧移动，两个光纤定位块3移动轨迹分别处于限位凹槽中心线所在的竖直面对称。

如图8至9所示(图8的箭头方向指的是光线传播方向)。

在实现本光纤熔接机识别光纤的方法之前需要考虑光纤识别的原理和与现有的调焦机构存在的问题。

以单模光纤5为例，假设光源7的大量平行入射光线通过光纤5透射之后，在整个光纤5的范围内其光场发生了一定的变化(图8中只大概模拟了其中三条光线)。

其中，光纤5首先是一个物体，通过反光之后经过光学***成像于CCD6，这种图像应该就类似于图6和图7的成像效果。

光纤5同时又是一个透明的并且其中存在着微小的折射率变化的物体，可以等同为一个柱面透镜，则光线在其中传播时候，光纤5本身也参与到光学***的光线变化中来。

由于单模纤芯与包层折射率差异比较小，并且尺寸非常小，其对整个光场的光线再分步影响微乎其微。

为了将光纤5形态突出出来，将可以对光纤熔接机做出以下改进：

(1)尽量的提高整个光学***的分辨率，使其弥散斑尽量小，即提高其光学成像的精度。

(2)采用特殊的面型设计透镜(采用的是偶次非球面)，将光纤5对光线的这种再分配通过非球面进行再次放大。(类似于LED配光设计的方法)。

如图10至14所示(图10为zemax软件的2D曲面照度图：通过在光学***中***光纤直接模拟光线通过光纤以及整个光学***之后在CCD面上的分配图，tracePro的辐照度/光照度分析，图12是在zemax软件中模拟其成像效果图,图13至14通过光学成像设计的方法对光纤成像，辅以二元光学设计法，将光纤等同于一个结构复杂的光学透镜参与成像和光学分配。模拟得到的结果是能够满足所要的成像要求的)。

以下结合上述专用调芯支架和具体阐述光纤熔接机识别光纤的方法，光纤熔接机识别光纤的方法，包括以下步骤：

a)将待焊接的两根光纤5分别放置在光纤5熔接的机的两个专用调芯支架上，两根光纤5端面相对；

b)通过调芯支架使对应的光纤5沿光纤熔接机物镜4的光轴方向向远离物镜4一侧移动；

c)物镜4及CCD6采集在光纤5移动过程中的光纤图像信号，光纤图像信号包括图像纵坐标参数及对应的像素灰度值等等，以判断光纤5的类型；

其中步骤c)中判断光纤5的类型包括：

将步骤c)中采集的光纤图像信号与多个阙值比较，根据比较结果，步骤c)中采集的光纤图像信号与任一阙值对应，则视为此光纤5为与上述阙值对应的已知种类光纤5为同一种类光纤5。

所述阙值由以下步骤确定：

预先分别选取已知的不同种类的光纤5，分别使已知的不同种类的光纤5经过步骤a)和步骤b),利用物镜4及CCD6采集在已知的不同种类光纤5移动过程中的光纤图像信号，光纤图像信号也是包括图像纵坐标参数及对应的像素灰度值等等，并将上述多个光纤图像信号对应设置为多个阙值。

所述采集完光纤图像信号提取与阙值比对是通过软件完成的，提取、比较软件的原理如下：

调芯支架可以使得光纤发生变化，其中，光纤在CMOS X法线方向上移动时，在CMOSY上可以看到光纤位置变化；光纤在CMOS Y法线方向上移动时，在CMOS X上可以看到光纤位置变化。

提取和比对分三个步骤：

1.训练，主要是用于提取不同光纤特征。

2.特征提取，在熔接前，通过操作调芯机构使得图像变化，并根据图像提取所熔光纤的特征。

3.识别，将所熔光纤特征与训练时所得各种光纤特征进行对比，以确定所熔光纤类型。

其中前两步特征提取方式相同。

特征，通过图像分析不同光纤的特征，其中的关键是光线通过光纤折射后反映到图像上的灰度差异。下图为光纤图像转换成的灰度图，其中纤芯部位呈“山”字型。

1.横坐标：图像纵坐标

2.纵坐标：像素灰度值

3.特征点1

4.特征点2

5.特征点3

在$y＝f(x)$中，$y$中包含多个特征量，反映到灰度图中，指三个特征点的灰度值$[y_1,y_2,y_3]$。

$x$表征光纤5与镜头的距离。根据$x$选取方式的不同，有两种特征提取方式：

1.单图像方法：$x$为纤芯亮度，即灰度图中某处灰度值。所记录及分析对比的数据是$x$为某固定值(如1.0)时$y$的值。

2.双图像方法：$x$为光纤5与镜头的距离(只需相对距离即可)，实际操作中，将光纤5在图像上的纵向坐标作为$x$，例如，光纤5在X轴上移动时，我们可以在CMOS Y上看到光纤5位置的变化，而在CMOS X上看到光纤5清晰度的变化，以在CMOS Y上所看到的光纤5纵向坐标作为$x$。此种方法要求调芯时，光纤5移动方向与CMOS平面法线平行，这样保证在CMOS上看到的光纤5位置变化及光纤5与另一镜筒的距离呈线性关系。

这两种方法中，前者更简单，后者更准确，但增加了对机械结构的要求。

将$f$看作系数矩阵，函数$y＝f(x)$可以写成如下形式：

$$\left[\begin{matrix}

y_1\\y_2\\y_3

\end{matrix}\right]

＝\left[\begin{matrix}

f_{00}&f_{01}&f_{02}\\

f_{10}&f_{11}&f_{12}\\

f_{20}&f_{21}&f_{22}\\

\end{matrix}\right]

\left[\begin{matrix}

x^2\\x\\1

\end{matrix}\right]$$

其中$x$，$y$均由图像处理得到，矩阵$f$则通过曲线拟合获取。为了增强适应性，可以对$y$和单图像方法中的$x$进行归一化处理，即使用光纤5所处位置的像素灰度与图像背景灰度的比值。

训练方法，每次训练过程中，通过调芯改变光纤5位置，并获得$n$组图像，根据前面对$x$和$y$的定义，分析图像得到$n$对$[x,y]$。

每种光纤5训练$m$次，即得到$m\times n$组数据，并由这些数据用最小二乘法进行拟合得到矩阵$f$，记为$f_p$。其中$f_p$可以每行独立拟合，即三个特征点独立处理。每种光纤5都可以得到这样一个系数矩阵$f_p$，分别记为$f_{p0}$、$f_{p1}$、$f_{p2}$、$f_{p3}$……。

特征提取，特征提取过程与训练过程相同，区别是仅进行一次，即只得到$n$组数据。即只针对这$n$组数据进行拟合，得到系数矩阵$f_r$。

识别，理论上而言，直接比较$f_r$和$f_p$即可得出结果，但由于$f$中数据较多，不适合直接比较，因此我们选取一个合适的$x$，比如1.0(适用于单图像方法)或者光纤5位于图像纵向正中间(适用于双图像方法)，记为$x_0$。将$x_0$分别代入$y＝f_r(x)$和$y＝f_{pi}(x)$(其中$i＝0,1,2,3,...$)，分别得到$y_r$和$y_{pi}$，识别就是比较$y_r$和$y_{pi}$，最终确定$i$，就确定了光纤5类型。$i$的选取原则是使得$y_r$和$y_{pi}$的差异最小。

上述光纤熔接机识别光纤的方法其实还可以理解为一种光纤熔接机识别光纤5***，包括以下模块：

调芯模块，用于带动光纤5移动；

采集模块，用于采集在光纤5移动过程中的光纤图像信号；

比较模块，用于将采集到的光纤图像信号与若干阙值比较；

选择模块，根据比较结果，采集的光纤图像信号与任一阙值对应，则视为此光纤5为与上述阙值对应的已知种类光纤5为同一种类光纤5；

传输模块，将选择模块得到的结果传输至外部设备。

以上所述的仅是本发明的一种实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种光纤熔接机识别光纤的方法，包括以下步骤：

a)将待焊接的两根光纤分别放置在光纤熔接的机的两个调芯支架上，两根光纤端面相对；

b)通过调芯支架使对应的光纤沿光纤熔接机物镜的光轴方向移动；

c)物镜及CCD采集在光纤移动过程中的光纤图像信号，以判断光纤的类型；

其中步骤c)中判断光纤的类型包括：

将步骤c)中采集的光纤图像信号与若干阙值比较，根据比较结果，步骤c)中采集的光纤图像信号与任一阙值对应，则视为此光纤为与上述阙值对应的已知种类光纤为同一种类光纤。

2.根据权利要求1所述的光纤熔接机识别光纤的方法，其特征是：

所述步骤c)中采集的光纤图像信号包括图像纵坐标参数及对应的像素灰度值。

3.根据权利要求1所述的光纤熔接机识别光纤的方法，其特征是：

所述阙值由以下步骤确定：

预先分别选取已知的不同种类的光纤，分别使已知的不同种类的光纤经过步骤a)和步骤b),利用物镜及CCD采集在已知的不同种类光纤移动过程中的光纤图像信号，并将上述若干光纤图像信号对应设置为若干阙值。

4.一种光纤熔接机识别光纤***，包括以下模块：

调芯模块，用于带动光纤移动；

采集模块，用于采集在光纤移动过程中的光纤图像信号；

比较模块，用于将采集到的光纤图像信号与若干阙值比较；

选择模块，根据比较结果，采集的光纤图像信号与任一阙值对应，则视为此光纤为与上述阙值对应的已知种类光纤为同一种类光纤；

传输模块，将选择模块得到的结果传输至外部设备。

5.一种实现权利要求1至3中任一项光纤熔接机识别光纤的方法中专用调芯支架，其特征为：

包括壳体、两组调节组件和两个光纤定位块，所述光纤定位块与所述调节组件为一一对应关系，所述壳体内开有两个贯穿其上下端面的调节孔；

所述调节组件包括弹性构件、传动杆和钢球，弹性构件在壳体对应的调节孔位置开有通孔，弹性构件表面向通孔上侧延伸有独立的摆杆，摆杆的端部与通孔上端开口之间具有容纳钢球的间隙，传动杆贯穿弹性构件的通孔和壳体对应的调节孔，传动杆的下端伸出调节孔下侧，钢球放置在传动杆上端与摆杆端部之间，钢球的直径小于弹性构件通孔的孔径，所述光纤定位块固定在对应的摆杆上端，所述光纤定位块上端面开有放置光纤的限位凹槽；

两个光纤定位块的限位凹槽的中心线在同一直线上，所述摆杆带动对应的光纤定位块移动，两个光纤定位块移动轨迹分别处于限位凹槽中心线所在的竖直面对称。

6.根据权利要求5所述的专用调芯支架，其特征是：

所述传动杆上端设有契合钢球的第一凹槽，所述摆杆端部下端面也开有契合钢球的第二凹槽。

7.根据权利要求5所述的专用调芯支架，其特征是：

所述的传动杆包括处于上端的第一杆体和处于下端的第二杆体，第二杆体的上端面开有定位凹槽，第一杆体下端伸入第二杆体的定位凹槽内，第一杆体与第二杆体之间固定，第一杆体上端设有契合钢球的第一凹槽。

8.根据权利要求5述的专用调芯支架，其特征是：

所述的壳体外壁延伸有法兰。

9.根据权利要求7所述的专用调芯支架，其特征是：

所述传动杆的第二杆体上部直径大于第二杆体下部的直径；

所述的壳体包括壳本体和安装挡板，壳本体内开有至少一个贯穿其上下端面的第一调节阶段孔，第一调节阶段孔下部的孔径大于第二杆体上部的直径，安装挡板上对应壳本体的第一调节阶段孔位置开有至少一个第二调节阶段孔，第二调节阶段孔的孔径大于第二杆体下部的直径且小于第二杆体上部的直径，安装挡板固定在壳本体下部，壳本体的第一调节阶段孔与安装挡板对应的第二调节阶段孔共同组成壳体的调节孔。