CN101788276A - 一种测量光纤预制棒芯包同心度偏差方位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量光纤预制棒芯层与包层同心度偏差方位的方法，将光纤预制棒浸入折射率与光纤预制棒包层折射率相同或相近的匹配油中，用平行移动的激光束对预制棒进行平行慢速移动扫描，同步采集透过光的信号并加以记录；通过透射光强的变化确定包层的中心，通过入射步进-透射突变法确定芯层的中心在垂直激光入射方向的投影面上的坐标值；沿上述旋转方向再旋转一个角度并重复上述过程确定出对应于周向不同方位上的各个芯层中心坐标值；由此确定该横截面芯层的实际偏差方位和偏差值。本发明测量精确，测量方法快速简易，可借助测量仪和计算机，自动化程度高；通过检测可对一些光纤预制棒进行返修处理，减少报废率，降低生产成本。

Description

一种测量光纤预制棒芯包同心度偏差方位的方法

技术领域

本发明涉及一种测量光纤预制棒芯层与包层同心度偏差方位的方法，属于光纤制造技术领域。

背景技术

作为通信传输最重要的载体，光纤在通信技术领域中发挥着不可替代的作用。光纤预制棒是光纤制造的母材，光纤的质量在很大程度上取决于光纤预制棒的制备质量。芯层与包层同心度偏差是指芯层中心与包层中心之间的距离，简称芯包同心度偏差。在预制棒制备过程中，根据制备工艺的不同，包层与芯层之间将会产生一定的同心度偏差，预制棒包层与芯层的同心度偏差将直接造成光纤包层与芯层的同心度偏差。如果光纤存在较大的芯包同心度偏差，在熔接后两光芯层端面中心不能很好匹配，当波导通过其接头时会衰耗一部分能量，因为部分能量将耦合至高价模。因此，在实际生产过程中，需要严格控制芯包同心度偏差。较大的同心度偏差成为预制棒报废从而直接导致成品率下降的原因之一。

在现有技术中用于光纤预制棒几何尺寸测量的方法仅见于中国专利文献CN101120231A：中国专利文献CN1138690A公开了一种横向前射光光纤几何参数和折射率分布测量方法。前者用来测量芯层芯部非圆率；后者包含了光芯层包同心度的测量，在测量芯层的几何参数时，折射率匹配液盒中注入了匹配液；在测量光纤包层的几何参数时，折射率匹配液盒中不注入匹配液，而且均利用光强分布的特征点来确定包层与芯层的边界，其测量过程较为复杂，而且采用光强分布的特征点来测量芯层边界点时会对光收集器提出很高的精度要求。

为方便介绍本发明内容，定义部分术语：

光纤预制棒：含有芯层和包层的光纤预制件。

芯包圆心距：预制棒芯层圆心与包层圆心之间在垂直于中心轴线的横截面上的连线距离(几何概念)。

同心度偏差：同心度偏差即为芯包圆心距(物理概念)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种能快速简易并精确测量光纤预制棒芯包同心度偏差方位的方法。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

将光纤预制棒装夹于可垂直升降和水平旋转的夹具装置上，对中(水平校正)并上下校直，在光纤预制棒上标注一个起始位；

将光纤预制棒浸入折射率与光纤预制棒包层折射率相同或相近的匹配油中，匹配油由透明箱盒盛装，箱盒的前面安设一激光发光源，激光束与水平面平行并能在一水平面内平行移动，在箱盒的后面对应于激光发光源设置光采集器，同步采集透射光的信号并加以记录；

对光纤预制棒的一个横截面从起始位用激光束按步长进行平行慢速移动扫描，通过透射光强的变化确定包层的中心，通过入射步进-透射突变法确定芯层的中心在垂直激光入射方向的投影面上的坐标值；

对同一个横截面旋转一个角度再重复进行上述的平行慢速移动扫描，确定该旋转角度位所对应芯层中心坐标值，沿上述旋转方向再旋转一个角度并重复上述过程直至回复到起始位，确定出对应于周向不同方位上的各个芯层中心坐标值；

对上述横截面所采集的数据进行分析和计算，即可确定该横截面芯层的实际偏差方位和偏差值；

将光纤预制棒垂直上移或下移一段距离，对相间隔的另一个横截面重复上述过程，确定该横截面芯层的实际偏差方位和偏差值，完成间隔横截面的芯层偏差测定；间隔横截面的芯层偏差测定沿光纤预制棒的轴向作一次或一次以上；

将上述各个横截面芯层的偏差方位和偏差值进行比较分析，可确定整根光纤预制棒芯包同心度的纵横向偏差情况，即完成芯包同心度偏差测量过程。

按上述方案，所述的激光光束的波长为632nm。

按上述方案，所述的横截面上旋转测量的间隔角度20～72°，即一个横截面上的完成一圆周测量的旋转角度可设定为5～18个。

按上述方案，所述的横截面上旋转测量的间隔角度为72或40，每个横截面取5个或9个测量点。

按上述方案，所述的激光束进行平行慢速移动扫描的步长l为20～50um。

本发明通过透射光强的变化确定包层的中心的测试机理和过程如图3所示，具体如下：首先根据预制棒尺寸调整步进电机的扫描行程，步进电机按照预先设定的步长l带动激光光源从预制棒的前侧开始扫描，同时在预制棒后侧采用光采集器同步采集透过光的信号，包括信号强度P与透射光在探头上的投影位置M并加以记录；光纤未接触预制棒包层之前，激光在匹配油中传播，入射光强P₀在经过匹配油之后衰减成P₁，相应的透射光信号通过强度及位置共同表征(P₁，A)，因此每一束透射光都携带着其相应的信号(P₁，A)，(P₂，B)…(P_n，M_n)。一旦入射光线接触预制棒后如图中光线I₃，由于石英玻璃对632nm激光的吸收系数远小于所采用的匹配油的吸收，此时透射光强将出现突变，即P₁＝P₂＜P₃…，由此，可判断B即为光纤预制棒的边界点之一。同样，在预制棒的另一侧，也可以通过突变点寻找到边界点D，借由BD即可找到包层圆心O。

本发明通过射步进-透射突变法确定芯层的中心坐标值的机理和过程如图3所示，具体如下：根据波导结构，在预制棒包层与芯层界面存在明显折射率差，因此光线在界面处将发生折射。光线未接触预制棒芯层之前，探头所采集的两束相邻透射光(激光光斑在探测器上经过处理，可理解成光点)之间的距离ab，此时光线未发生任何偏转，因此存在以下关系：ab＝l，从光线进入包层开始直至光线接触预制棒芯层之前，相邻两束透射光之间的距离始终等于l。一旦扫描光开始接触到预制棒芯层，由于芯包之间明显的折射率差，光线经过两者界面时势必会发生偏转，如图3中所示，入射光线Ib开始接触芯层边界，Ic入射芯层，在包层与芯层界面发生两次偏转。假设匹配油与包层的折射率n₁，预制棒芯层折射率为n₂，根据斯涅尔定律可知：

                n₁ sin i＝n₂ sin r

探头所采集到的两束相邻的入射光线Ib与Ic的透射光之间的距离为bc可通过下式获得，

            bc＝l+2r_core cos r·sin(i-r)+cf

式中，r_core为芯层半径，cf与预制棒和探测器之间的距离有关。对比ab和bc可以看出，光线在接触预制棒芯层前后，会出现两束相邻透射光之间距离的突变点，由此点即可以判断出光纤预制棒芯层的边界点b，同样，在预制棒的另一侧，也可以通过突变点寻找到边界点d，借由bd即可找到芯层轴心(芯层圆心Q)的坐标点。至此，OQ就是实际的圆心距在垂直于入射光方向(光采集器)上投影的坐标值(芯层部分放大图见图4)。

本发明利用光强突变点和透射位置突变点可分别获得包层和芯层圆心，突变点寻找可以通过计算机程序加以实现。

完成一个方向的测试后，按照设定的要求旋转预制棒一定角度，可获得该角度下的圆心距垂直投影坐标值，直到预制棒旋转一周时，便可获得预制棒在多个角度时芯包圆心距垂直投影坐标值。

本发明包括根据旋转角度与圆心距的投影值的对应关系作图，在得到预制棒同心度偏差方向的同时也得出了精确同心度偏差值。本发明所包括的方法可以用来测试同一根预制棒上不同纵向(轴向)点位的同心度偏差值，将各个点的数据进行对比，可用来判断预制棒沿轴向分布的各点的同心度偏差是否一致。

本发明的有益效果在于：1、能够精确测量光纤预制棒芯包同心度偏差方位和偏差值；2、测量方法快速简易，可借助测量仪和计算机，自动化程度高；3、通过对同心度偏差方位和偏差值确定，可对一些光纤预制棒进行返修处理，从而减少光纤预制棒制备的报废率，降低生产成本。

附图说明

图1为本发明一个实施例中测量装置的结构示意图。

图2为本发明光纤预制棒中芯包同心度差示意图。

图3为本发明光纤预制棒中芯包同心度差测试方法原理图。

图4为图3中芯层部分放大图。

图5为本发明光纤预制棒中芯包同心度差方向判断原理图。

图6为本发明光纤预制棒轴向上某点的芯包同心度差与旋转角度关系图。

图7为本发明光纤预制棒轴向上另外一点的芯包同心度差与旋转角度关系图。

具体实施方式

以下通过实施例并结合附图对本发明进行进一步说明。

图1为测量光纤预制棒几何参数(包括内径、外径、折射率剖面等)的测量装置结构示意图，包括可垂直升降和水平旋转的夹具装置2，光纤预制棒1装夹后可以上下垂直升降移动，绕轴线在水平面内旋转，夹具装置下方放置盛装匹配油的透明箱盒3，透明箱盒的前面安设一激光发光源4，激光束与水平面平行并能在一水平面内平行移动，激光光束的波长为632nm，在透明箱盒的后面对应于激光发光源设置光采集器5，同步采集透过光的信号并加以记录。上述测量装置可采用在Photon Kinetics公司生产的PK2600测量仪。

将光纤预制棒装夹于可垂直升降和水平旋转的夹具装置上，对中(水平校正)并上下校直，在光纤预制棒上标注一个起始位，以此作为测量零点；然后将光纤预制棒浸入折射率与光纤预制棒包层折射率相同或相近的匹配油中；

开始测量，激光发光源受步进电机驱动在水平轨道上移动，从光纤预制棒的一侧边界沿水平面进行慢速扫描，激光发光源进行平行慢速移动扫描的步长l为20～50um。扫描至另一侧边界结束，返回原点。光采集器在进行扫描时完成透射光的采集以及数据处理过程。在数据处理过程中，首先根据收集的包层数据选取预制棒外径的两侧边线，由此得出预制棒外径的中心轴既包层中心，以包层中心6为原点建立平面直角坐标系，接着根据收集到的芯层数据选取预制棒芯层外径的两侧边线，由此得出芯层的中心轴既芯层中心7的坐标值，由此得出的两个中心在垂直于入射光方向上投影的坐标值。

完成第一角度的测试后，旋转夹头将按照事先设定值旋转40°的角度，接着重复上述过程开始进行第二角度的扫描，获得此角度下芯层圆心距的中心坐标值。

沿上述旋转方向再旋转一个角度并重复上述过程直至回复到起始位，确定出对应于周向不同方位上的各个中心坐标值。

对所采集的所有数据开始进行处理，以旋转角度作为为横坐标、各角度测试所得的圆心距投影值作为纵坐标作图，将各点用曲线光顺连接，从图中便可获得该预制棒的芯包同心度差的准确信息：最大偏心值以及以铭刻线为参照的偏心度方向。

至此，已初步完成了该预制棒的芯包同心度偏差值的测量。考虑到在熔缩或拉伸过程中可能出现芯包轻微扭弯的现象，那么单点的测量数量就无法真实呈现该预制棒的在轴向上同心度差值。为了确认整根预制棒在轴向上的同心度偏差方向一致与否，将光纤预制棒垂直上移或下移一段距离，对相间隔的另一个横截面重复上述过程，确定该横截面芯层的实际偏差方位和偏差值，完成间隔横截面的芯层偏差测定；即按照一定的步距完成整根预制棒轴向上的同心度差值的测量。

本发明所包含的测试方法原理图见图5，下面就上述测试方法采用该原理图加以详细解释说明。

图5中预制棒端面黑线为铭刻标记，定义为测试起始点(基准线)。首先让入射激光束光垂直于基准线照射预制棒，在光采集器上可以通过既定的数据采集程序对两条边界光I1和I2收集从而获取边界投影点A和B，两点之间的距离即为预制棒包层的直径2R，通过这两点就可以确定预制棒某一横截面中心轴线的位置；同样，预制棒芯层某一横截面中心轴线的位置也可以确定下来。最后，根据两条轴线的位置计算得出圆心距在垂直于入射光方向(光采集器)上的投影。

具体而言，假定预制棒轴向上某一横截面芯包圆心距为L，芯包圆心连线与基准线的夹角β，芯包圆心距在垂直于入射光方向(光采集器)上的投影值a可通过下式获得：

                            a＝L cos β

显然，通过不断改变芯包圆心连线与基准线的夹角，可以得出不同的a值。

最后通过测量所得的a值对旋转角度作图，即可以得到圆心距在各个旋转角度下的投影值，并由此判断偏心方向与基准线的夹角β以及实际偏心度差。

表一是采用本发明中所提出的测试方法测得的同一根预制棒上两个不同横截面上的芯包同心度差值数据(两个横截面轴向间距200mm)。对这两组数据依照之前的原理说明进行作图(见图6、图7)，便可判断偏心方向与基准线的夹角以及真实偏心度差，同时，通过两组数据及曲线对比，可以判断该预制棒在测试包含的200mm内的轴向的同心度偏差方向有较好的一致性，如需要确认整根棒一致性，可以通过增加测试点得以实现。

在本实施例中，偏心方向与基准线夹角为60°，即将预制棒旋转60度后(芯包圆心连线与入射光垂直)，可以获得最大同心度差值为0.35，进而对预制棒是否能投入后续工序给出判断，同时也对类似预制棒的返修处理提供了依据。

表一 同一根预制棒上两个不同点的芯包同心度差值数据

Claims (6)

1.一种测量光纤预制棒芯包同心度偏差方位的方法，其特征在于

将光纤预制棒装夹于可垂直升降和水平旋转的夹具装置上，对中并上下校直，在光纤预制棒上标注一个起始位；

将光纤预制棒浸入折射率与光纤预制棒包层折射率相同或相近的匹配油中，匹配油由透明箱盒盛装，箱盒的前面安设一激光发光源，激光束与水平面平行并能在一水平面内平行移动，在箱盒的后面对应于激光发光源设置光采集器，同步采集透射光的信号并加以记录；

对光纤预制棒的一个横截面从起始位用激光束按步长进行平行慢速移动扫描，通过透射光强的变化确定包层的中心，通过入射步进-透射突变法确定芯层的中心在垂直激光入射方向的投影面上的坐标值；

对同一个横截面旋转一个角度再重复进行上述的平行慢速移动扫描，确定该旋转角度位所对应芯层中心坐标值，沿上述旋转方向再旋转一个角度并重复上述过程直至回复到起始位，确定出对应于周向不同方位上的各个芯层中心坐标值；

对上述横截面所采集的数据进行分析和计算，即可确定该横截面芯层的实际偏差方位和偏差值；

将光纤预制棒垂直上移或下移一段距离，对相间隔的另一个横截面重复上述过程，确定该横截面芯层的实际偏差方位和偏差值，完成间隔横截面的芯层偏差测定；间隔横截面的芯层偏差测定沿光纤预制棒的轴向作一次或一次以上；

将上述各个横截面芯层的偏差方位和偏差值进行比较分析，可确定整根光纤预制棒芯包同心度的纵横向偏差情况，即完成芯包同心度偏差测量过程。

2.按权利要求1所述的测量光纤预制棒芯包同心度偏差方位的方法，其特征在于所述的激光光束的波长为632nm。

3.按权利要求1或2所述的测量光纤预制棒芯包同心度偏差方位的方法，其特征在于所述的横截面上旋转测量的间隔角度20～72°，即一个横截面上的完成一圆周测量的旋转角度可设定为5～18个。

4.按权利要求3所述的测量光纤预制棒芯包同心度偏差方位的方法，所述的横截面上旋转测量的间隔角度为72或40，每个横截面取5个或9个测量点。

5.按权利要求1或2所述的测量光纤预制棒芯包同心度偏差方位的方法，其特征在于所述的激光束进行平行慢速移动扫描的步长l为20～50um。

6.按权利要求3所述的测量光纤预制棒芯包同心度偏差方位的方法，其特征在于对所采集的所有数据开始进行处理，以旋转角度作为为横坐标、各角度测试所得的圆心距投影值作为纵坐标作图，将各点用曲线光顺连接。

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