CN111812775A - 一种特种光纤参数检测熔接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特种光纤参数检测熔接装置及方法，属于光纤技术领域，本发明将待测光纤放入光纤夹具中，照明灯发光照射待测光纤，在图像采集模块产生数字化光纤图像数据，经过控制模块预处理后将数据发送至上位机，上位机根据光纤图像数据自动检测出包层直径、端面角和光纤种类3种参数，还可以与控制模块通信，控制运动机构和高压放电模块，实现光纤高精度对准和低损耗熔接。本发明可应用于大芯径光纤、保偏光纤、细径光纤、单模光纤等类型光纤的参数检测与熔接处理，具有适用光纤种类多、检测速度快、操作简单等优点。

Description

一种特种光纤参数检测熔接装置及方法

技术领域

本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种特种光纤参数检测熔接装置及方法。

背景技术

特种光纤是区别于常规通信光纤，具有特殊性能和用途的特殊光纤，其结构、材料、工艺、传输波长、光学性能都具有特殊性，服务于不同的行业领域。常见的特种光纤包括大芯径光纤、保偏光纤、双包层光纤、掺铒光纤、细径光纤和光子晶体光纤等，在激光、传感、电力、医疗和军事等诸多领域得到了广泛的应用。

在特种光纤和光纤器件的生产过程中，通常需要检测光纤包层直径、端面角、光纤种类等参数，并对光纤进行高精度对准和低损耗熔接。目前，行业内光纤参数检测和熔接处理装置多为分离式产品，存在功能单一、使用复杂和工作效率低等问题，并且普遍针对包层直径范围80μm～150μm内的普通通信光纤，无法满足大芯径光纤、保偏光纤等特种光纤参数检测和熔接处理需求。因此，针对现有技术中的不足，有必要提供一种功能齐全、操作简单的特种光纤参数检测与熔接处理装置。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种特种光纤参数检测熔接装置及方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种特种光纤参数检测熔接装置，包括照明灯X向、照明灯Y向、左侧运动机构、左侧光纤、左侧夹具、前电极棒、后电极棒、右侧夹具、右侧光纤、右侧运动机构、高压放电模块、图像采集模块X向、图像采集模块Y向、控制模块和上位机；

照明灯X向和照明灯Y向，被配置为用于进行光纤成像照明；

图像采集模块X向和图像采集模块Y向，被配置为用于进行光纤成像放大，并产生数字化光纤图像数据；

左侧夹具和右侧夹具，被配置为用于夹持固定光纤；左侧夹具固定在左侧运动机构上，右侧夹具固定在右侧运动机构上；左侧运动机构和右侧运动机构，被配置为用于带动夹具实现轴向推进、X向径向调整、Y向径向调整和旋转运动；

前电极棒和后电极棒，被配置为用于产生电弧熔接光纤；前电极棒和后电极棒均与高压放电模块连接；

高压放电模块，被配置为用于产生高压放电信号；

控制模块，分别与照明灯X向、照明灯Y向、图像采集模块X向、图像采集模块Y向、左侧运动机构、右侧运动机构、高压放电模块和上位机连接，被配置为用于控制照明灯X向、照明灯Y向、左侧运动机构、右侧运动机构和高压放电模块，并对光纤图像数据预处理后发送至上位机；

上位机，被配置为用于实时显示光纤图像，并根据光纤图像数据确定光纤包层直径、端面角和光纤种类，也能够将控制信号发送到控制模块，实现左、右两侧光纤高精度对准和低损耗熔接。

优选地，照明灯X向和照明灯Y向的发光波长为620nm～650nm，能够通过控制模块调节亮度，避免光纤纤芯亮度超过图像采集模块中图像传感器的饱和度；

优选地，前电极棒和后电极棒之间的间距调整范围是1mm～3mm，前电极棒和后电极棒相对于光纤高度调整范围是-0.3mm～+0.3mm(光纤中心位置为0)，能够满足大芯径光纤、细径光纤、单模光纤等光纤的低损耗熔接需求。

优选地，控制模块与上位机之间通过USB电缆或网线通信。

此外，本发明还提到一种特种光纤参数检测熔接方法，该方法采用如上所述的一种特种光纤参数检测熔接装置，包括特种光纤参数检测方法和熔接方法；其中，特种光纤参数检测方法，具体包括如下步骤：

步骤S11：将待测光纤放入左侧夹具中，照明灯X向和照明灯Y向发光为光纤照明；

步骤S12：通过图像采集模块X向和图像采集模块Y向产生数字化光纤图像数据；

步骤S13：控制模块对数字化光纤图像数据进行包括图像灰度值变换、降噪、非均匀性校正在内的预处理后，发送到上位机；

步骤S14：用户点击在上位机界面中“参数测试”按钮，上位机根据采集到的光纤图像，首先获取光纤包层占据的列像素数量，根据单个像素对应的实际物理距离计算出光纤的包层直径；通过包层直径区分出不同芯径光纤；然后使用光纤轮廓获取算法计算出光纤端面角；获取光纤列图像数据灰度值，分析灰度曲线特征参量，并对灰度曲线特征参量进行提取；最后根据特征参量确定光纤类型；

其中，熔接方法，具体包括如下步骤：

步骤S21：将待处理的两条光纤分别放入左侧夹具和右侧夹具中；

步骤S22：点击在上位机界面中“对准”按钮，控制模块控制左侧运动机构和右侧运动机构完成光纤水平推进、X向径向调整、Y向径向调整、旋转对准；

步骤S23：点击在上位机界面中“熔接”按钮，控制模块控制高压放电模块产生高压放电信号，前电极棒和后电极棒之间产生电弧加热光纤，按照程序设定参数对光纤预加热一段时间后，控制模块控制左侧运动机构和右侧运动机构同时推进光纤，前电极棒和后电极棒之间的电弧按照设定参数对光纤加热，待放电结束后完成光纤的低损耗熔接。

优选地，不同芯径光纤包括大芯径光纤、细径光纤和普通直径光纤。

本发明所带来的有益技术效果：

待测光纤放入光纤夹具中，照明灯发光为待测光纤照明，在图像采集模块产生数字化光纤图像数据，图像数据经过控制模块预处理后发送到上位机。用户根据需要在上位机点击界面中“参数测试”、“对准”、“熔接”等菜单后，即可控制装置实现相应功能，并显示检测数据。本发明集光纤参数检测和光纤对准熔接功能于一体，适用包层直径范围60μm～500μm内大芯径光纤、保偏光纤等多种特种光纤，提出了一种基于光纤图像灰度曲线特征参量的检测算法。该检测算法可以快速准确地检测出待测光纤的包层直径、端面质量和光纤种类。本发明具有适用光纤种类多、检测精度高、速度快、熔接损耗低、生产成本低等优点。在使用过程中，通过简单的菜单操作即可自动完成参数检测和对准熔接，不需要复杂的人工调节，操作简单、方便。

附图说明

图1是本发明装置的原理框图。

图2是光纤成像相关模块位置的示意图。

图3是光纤包层直径和端面角的示意图。

图4是光纤图像与灰度值对应关系示意图。

图5是光纤参数检测流程图。

其中，1-照明灯X向；2-照明灯Y向；3-左侧运动机构；4-左侧光纤；5-左侧夹具；6-前电极棒；7-后电极棒；8-右侧夹具；9-右侧光纤；10-右侧运动机构；11-高压放电模块；12-图像采集模块X向；13-图像采集模块Y向；14-控制模块；15-上位机。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

本发明实施例提供了一种特种光纤参数检测与熔接装置，如图1所示，包括照明灯X向1、照明灯Y向2、左侧运动机构3、左侧光纤4、左侧夹具5、前电极棒6、后电极棒7、右侧夹具8、右侧光纤9、右侧运动机构10、高压放电模块11、图像采集模块X向12、图像采集模块Y向13、控制模块14和上位机15。

其中，所述照明灯X向1和照明灯Y向2用于光纤成像照明，发光波长为620nm～650nm，可通过控制模块14调节照明亮度；所述图像采集模块X向12和图像采集模块Y向13用于光纤成像放大，并产生数字化光纤图像数据。

所述照明灯X向1和照明灯Y向2安装位置相互垂直，所述图像采集模块X向12和图像采集模块Y向13安装位置相互垂直，光纤成像相关模块位置关系如图2所示。

所述左侧夹具5和右侧夹具8用于夹持固定光纤，所述左侧夹具5固定在所述左侧运动机构3上，所述右侧夹具8固定在所述右侧运动机构10上；所述左侧运动机构3和右侧运动机构10用于带动夹具实现轴向推进、X向径向调整、Y向径向调整、旋转运动。

所述前电极棒6和后电极棒7用于产生电弧熔接光纤；所述前电极棒6和后电极棒7与所述高压放电模块11连接，所述高压放电模块11用于产生高压放电信号。

所述控制模块14分别与所述照明灯X向1、照明灯Y向2、图像采集模块X向12、图像采集模块Y向13、左侧运动机构3、右侧运动机构10、高压放电模块11和上位机15连接，用于控制所述照明灯X向、照明灯Y向、左侧运动机构、右侧运动机构和高压放电模块，并对光纤图像数据分析与处理后发送到上位机15。具体的，所述控制模块14与上位机15之间通过USB电缆或网线通信。

所述上位机15用于实时显示光纤图像，并可以根据光纤图像数据确定光纤包层直径、端面角和光纤种类，也可以将控制信号发送到控制模块14，实现左、右两侧光纤高精度对准和低损耗熔接。

图3为光纤包层直径和端面角示意图。由于光纤成像是采用纤芯直视法，图中a-b和c-d部分表示的是光纤包层部分的灰度，b-c部分表示的是光纤纤芯部分的灰度。由图可知，一根完整的光纤有四个灰度剧变点a、b、c、d，在计算端面角时，从上往下以门限灰度值为基准查询，在有完整光纤的情况下可以找到四个边界点，即a、b、c、d，并且各点间隔是定值。一旦查找到光纤有端面角的地方，就会出现a-d间隔减小，或者找到的边沿点少于四个，如此寻找，直到边沿点数为零为止。我们把这些光纤边沿不正常的点的数量记为x，同时，由于光纤直径y是定值，因此光纤的端面角度θ可由公式(1)求出。

θ＝tan^-1(x/y) (1)；

图4为光纤图像与灰度值对应关系图。图中a处为曲线的波峰，b处为曲线的波谷，c处为曲线的拐点，x为波峰的高度，y为波谷的高度。图4中共有3个波峰，2个波谷和4个拐点。不同种类光纤图像中纤芯区域具有不同的特征，根据纤芯图像的灰度曲线可以提取出特征参量。灰度曲线中的特征参量包括曲线中的拐点数目、波峰数目、波谷数目、波峰之间的宽度比与高度比。根据不同的包层直径、纤芯直径以及灰度曲线中特征参量的不同可以区分不同种类的特种光纤。

光纤参数检测具体过程如下：将待测光纤放入左侧夹具5中，照明灯X向1和照明灯Y向2发光为光纤照明，在图像采集模块X向12和图像采集模块Y向13产生数字化光纤图像数据，数字化光纤图像数据经过控制模块14预处理(包括图像灰度值变换、降噪、非均匀性校正)后，发送到上位机15。用户点击在上位机15界面中“参数测试”按钮，上位机15根据采集到的光纤图像，首先获取光纤包层占据的列像素数量，根据单个像素对应的实际物理距离计算出光纤的包层直径，通过包层直径可区分检测光纤为大芯径光纤、细径光纤、普通直径光纤的具体类别；再使用光纤轮廓获取算法计算出光纤端面角；最后获取光纤列图像数据灰度值，并对灰度曲线进行特征参量提取，将特征参量与所述上位机15存储器中标准大芯径光纤、保偏光纤等特种光纤特征库进行相关运算分析，确定待测光纤种类。流程如图5所示。

光纤高精度对准、低损耗熔接具体过程如下：将待处理的两条光纤分别放入左侧夹具5和右侧夹具8中，点击在上位机15界面中“对准”按钮，控制模块14控制左侧运动机构3和右侧运动机构10完成光纤水平推进、X向径向调整、Y向径向调整、旋转对准。点击在上位机15界面中“熔接”按钮，控制模块14控制高压放电模块11产生高压放电信号，前电极棒6和后电极棒7之间产生电弧加热光纤，按照程序设定参数对光纤预加热一段时间后，控制模块14控制左侧运动机构3和右侧运动机构10同时推进光纤，前电极棒6和后电极棒7之间的电弧按照设定参数对光纤加热，待放电结束后完成光纤的低损耗熔接。

本发明集光纤参数检测和光纤对准熔接功能于一体，适用光纤包层直径范围为60μm～500μm，光纤类型包括大芯径光纤、保偏光纤、双包层光纤、细径光纤、掺铒光纤、光子晶体光纤和单模光纤等，5秒内完成光纤参数检测，光纤包层直径检测精度为0.5μm，端面角检测精度为0.1°，可识别大芯径光纤、保偏光纤、单模光纤等光纤的种类；20秒内完成光纤对准和低损耗熔接，光纤对准精度为0.1μm，保偏光纤和大芯径光纤熔接损耗不超过0.05dB。

目前，行业内光纤参数检测装置和对准熔接装置多为分离式产品，通常只适用包层直径范围80μm～150μm的单模光纤和多模光纤，本发明适用的光纤种类多、检测精度高、速度快、熔接损耗低。此外，本发明使用时只需将待测光纤放入夹具中，通过简单的菜单操作即可自动完成参数检测和对准熔接，不需要复杂的人工调节，具有操作简易、一致性好的优点。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种特种光纤参数检测熔接装置，其特征在于：包括照明灯X向、照明灯Y向、左侧运动机构、左侧光纤、左侧夹具、前电极棒、后电极棒、右侧夹具、右侧光纤、右侧运动机构、高压放电模块、图像采集模块X向、图像采集模块Y向、控制模块和上位机；

照明灯X向和照明灯Y向，被配置为用于进行光纤成像照明；

图像采集模块X向和图像采集模块Y向，被配置为用于进行光纤成像放大，并产生数字化光纤图像数据；

左侧夹具和右侧夹具，被配置为用于夹持固定光纤；左侧夹具固定在左侧运动机构上，右侧夹具固定在右侧运动机构上；左侧运动机构和右侧运动机构，被配置为用于带动夹具实现轴向推进、X向径向调整、Y向径向调整和旋转运动；

前电极棒和后电极棒，被配置为用于产生电弧熔接光纤；前电极棒和后电极棒均与高压放电模块连接；

高压放电模块，被配置为用于产生高压放电信号；

控制模块，分别与照明灯X向、照明灯Y向、图像采集模块X向、图像采集模块Y向、左侧运动机构、右侧运动机构、高压放电模块和上位机连接，被配置为用于控制照明灯X向、照明灯Y向、左侧运动机构、右侧运动机构和高压放电模块，并对光纤图像数据预处理后发送至上位机；

上位机，被配置为用于实时显示光纤图像，并根据光纤图像数据确定光纤包层直径、端面角和光纤种类，也能够将控制信号发送到控制模块，实现左、右两侧光纤高精度对准和低损耗熔接。

2.根据权利要求1所述的特种光纤参数检测熔接装置，其特征在于：照明灯X向和照明灯Y向的发光波长为620nm～650nm，能够通过控制模块调节亮度，避免光纤纤芯亮度超过图像采集模块中图像传感器的饱和度。

3.根据权利要求1所述的特种光纤参数检测熔接装置，其特征在于：前电极棒和后电极棒之间的间距调整范围是1mm～3mm，光纤中心位置为0，前电极棒和后电极棒相对于光纤高度调整范围是-0.3mm～+0.3mm。

4.根据权利要求1所述的特种光纤参数检测熔接装置，其特征在于：控制模块与上位机之间通过USB电缆或网线通信。

5.一种特种光纤参数检测熔接方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的特种光纤参数检测熔接装置，包括特种光纤参数检测方法和熔接方法；其中，特种光纤参数检测方法，具体包括如下步骤：

步骤S11：将待测光纤放入左侧夹具中，照明灯X向和照明灯Y向发光为光纤照明；

步骤S12：通过图像采集模块X向和图像采集模块Y向产生数字化光纤图像数据；

步骤S13：控制模块对数字化光纤图像数据进行包括图像灰度值变换、降噪、非均匀性校正在内的预处理后，发送到上位机；

步骤S14：用户点击在上位机界面中“参数测试”按钮，上位机根据采集到的光纤图像，首先获取光纤包层占据的列像素数量，根据单个像素对应的实际物理距离计算出光纤的包层直径；通过包层直径区分出不同芯径光纤；然后使用光纤轮廓获取算法计算出光纤端面角；获取光纤列图像数据灰度值，分析灰度曲线特征参量，并对灰度曲线特征参量进行提取；最后根据特征参量确定光纤类型；

其中，熔接方法，具体包括如下步骤：

步骤S21：将待处理的两条光纤分别放入左侧夹具和右侧夹具中；

步骤S22：点击在上位机界面中“对准”按钮，控制模块控制左侧运动机构和右侧运动机构完成光纤水平推进、X向径向调整、Y向径向调整、旋转对准；

步骤S23：点击在上位机界面中“熔接”按钮，控制模块控制高压放电模块产生高压放电信号，前电极棒和后电极棒之间产生电弧加热光纤，按照程序设定参数对光纤预加热一段时间后，控制模块控制左侧运动机构和右侧运动机构同时推进光纤，前电极棒和后电极棒之间的电弧按照设定参数对光纤加热，待放电结束后完成光纤的低损耗熔接。

6.根据权利要求5所述的特种光纤参数检测熔接方法，其特征在于：不同芯径光纤包括大芯径光纤、细径光纤和普通直径光纤。

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