CN102661850A - 塑料光纤传输损耗无损检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种塑料光纤传输损耗无损检测装置，主要解决了现有检测装置必须截断塑料光纤才能检测，以及无法对塑料光纤传输损耗进行在线检测的问题。该塑料光纤传输损耗无损检测装置，包括将光信号射入被测塑料光纤的光源，沿光源出射光的光传输方向依次设置有光注入模块、光提取模块和用于记录辐射出塑料光纤光功率的数据采集装置。该装置无需截断光纤，在光注入和光提取过程中不会对光纤产生任何损坏、损伤，从而可实现无损伤测量。

Description

塑料光纤传输损耗无损检测装置

技术领域

本发明涉及一种塑料光纤传输损耗无损检测装置，可实现塑料光纤传输损耗的无损检测，同时，也可以直接应用在料光纤生产线上，实现对塑料光纤传输损耗的在线无损检测。

背景技术

塑料光纤的传输损耗系数是衡量塑料光纤质量的重要参数，然而目前对其进行测量的手段不多。如文献“塑料光纤衰减测试方法的探讨”中所述，现在主要的测量方法有三种：截断法、插入损耗法和后向散射法。其中市场上有一种基于截断法的测量仪器(北京万丰通达公司的FibKey WF6803)，但是以上方法都不能应用到生产线上进行实时测量，而是将生产出的光纤产品进行截断采样，然后在样品光纤的截面上注入和提取光能量，通过处理注入与提取的光功率信息获得光纤的传输损耗系数。其缺点是：一、通过提取产品光纤中的一段样品进行采样测量，不能实现在线测量，无法及时获得生产线上的光纤质量信息，实时性很差；二、因为是采样测量，所以需要投入部分人力，还要切除大量样品光纤，造成了人力、物力的浪费；三、通过测量样品的损耗系数，来标定全部产品的损耗信息，准确性和可靠性差。

另一方面，传统的石英光纤传输损耗在线测量系统也无法复制到塑料光纤生产线上，如发明专利“Method for using on line optic fiber loss monitor(专利号：US4,081,258)”提出如下方案：在固定于拉丝塔上的光纤预制棒一端注入光信号，在光纤产品接收端提取光信号，通过处理注入与提取的光信号来获得光纤传输损耗系数。但是这种方案无法应用到塑料光纤生产线上，因为石英光纤传输损耗极低，光在纤芯内传输甚至数十千米后，在产品接收端依旧可以提取到足够强度的光信号；然而，塑料光纤传输损耗极大，在挤出机处注入光信号，随着光纤产品挤出到一定长度后(比如200m)，在产品接收端将无法探测到足够强度的光信号。综上，目前市场上没有一种可以应用在生产线上的塑料光纤传输损耗实时检测装置。

发明内容

本发明提供了一种塑料光纤传输损耗无损检测装置，主要解决了现有检测装置必须截断塑料光纤才能检测，以及无法对塑料光纤传输损耗进行在线检测的问题。

本发明的具体技术解决方案如下：

该塑料光纤传输损耗无损检测装置，包括将光信号射入被测塑料光纤的光源，沿光源出射光的光传输方向依次设置有光注入模块、光提取模块和用于记录辐射出塑料光纤光功率的数据采集装置；所述光注入模块和光提取模块的材料折射率应大于或等于塑料光纤包层的折射率，两模块均使得光纤固定并以适当曲率半径弯曲，光注入模块和光提取模块之间的光纤长度大于20m。

所述光提取模块和采集装置之间设置光汇聚装置，用于汇聚那些辐射出光纤的携带光能量信息的光束。

所述光源与光注入模块之间设置有光准直装置。

所述光注入模块包括折射率匹配块和光纤弯曲夹持器，折射率匹配块内填充有折射率匹配液。所述折射率匹配介质为蔗糖溶液、丙烯酸、甘油、环氧树脂等。所述折射率匹配块的材料为丙烯酸树脂、PMMA、聚苯乙烯等。

所述光提取模块包括折射率匹配块和光纤弯曲夹持器，折射率匹配块内填充有折射率匹配液。所述折射率匹配介质为蔗糖溶液、丙烯酸、甘油、环氧树脂等。所述折射率匹配块的材料为丙烯酸树脂、PMMA、聚苯乙烯等。

所述激光器是650nm波长激光器。

该塑料光纤传输损耗无损在线检测装置，包括制备被测塑料光纤的光纤拉制装置、将光信号射入被测塑料光纤的光源，沿光源出射光的光传输方向依次设置有用于固定弯曲被测塑料光纤光注入模块、光提取模块和用于记录辐射出塑料光纤光功率的数据采集装置；所述光注入模块和光提取模块内介质的折射率大于或等于塑料光纤包层的折射率，光注入模块和光提取模块之间的光纤长度大于20m。

所述光提取模块和数据采集装置之间设置有用于汇聚辐射出光纤的出射光的光汇聚装置。

所述光源与光注入模块之间设置有光准直装置。

所述光注入模块包括折射率匹配块和光纤弯曲夹持器，折射率匹配块内填充有折射率匹配液。所述折射率匹配介质为蔗糖溶液、丙烯酸、甘油、环氧树脂等。所述折射率匹配块的材料为丙烯酸树脂、PMMA、聚苯乙烯等。

所述光提取模块包括折射率匹配块和光纤弯曲夹持器，折射率匹配块内填充有折射率匹配液。所述折射率匹配介质为蔗糖溶液、丙烯酸、甘油、环氧树脂等。所述折射率匹配块的材料为丙烯酸树脂、PMMA、聚苯乙烯等。

所述光纤拉制装置与光注入模块之间设置有储纤装置，用于临时存储测量过程中生产的塑料光纤。

所述激光器以650nm波长激光器为佳。

本发明的优点是：

1、该塑料光纤传输损耗在线检测装置，主要通过由折射率匹配块、折射率匹配液、光纤弯曲夹持器三者构成的光注入模块和光提取模块在生产线上任意一段适当长度的光纤两节点处分别实现光信号注入和光信号提取，通过处理探测到的光功率信息获得光纤传输损耗系数，进而实现生产线上的传输损耗系数实时测量，实现全天候在线监测生产过程。

2、该塑料光纤传输损耗在线检测装置的核心是提出了一种新颖的光注入与光提取方法，即提出了一种新式的光注入模块和光提取模块的方案。光注入模块和光提取模块均使光纤弯曲，并且使弯曲处的光纤整体或其部分表面浸没在高折射率介质环境中。在浸没于高折射率介质环境中的光纤弯曲部分的表面处，实现光信号的注入与提取。该装置无需截断光纤，在光注入和光提取过程中不会对光纤产生任何损坏、损伤，从而可实现无损伤测量。

3、上文提及的新式光注入与光提取方法的光耦合效率较高，理论模拟表明，在光注入节点处将光能量耦合到光纤纤芯以及在光提取节点处将纤芯内光能量耦合到光纤包层外的光耦合效率均可达50％以上。

4、上文提到的光注入方法和光提取方法，其设计结构简单，对环境要求不高，有较好的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是塑料光纤传输损耗在线检测系统示意图；

图2是注入(提取)模块的三维结构线框图；

图3是用相关软件进行仿真的光注入能量分布；

图4是整合注入与提取模块的三维结构线框图。

具体实施方式

本发明的原理如下：

在连续运转的生产线上任意一段适当长度塑料光纤的两节点处，分别高效地注入和提取光能量，并保证有足够强度的光功率信息可以被光功率计探测到，利用提取出的光功率信息获得光纤的传输损耗系数。同时，该方案将光纤包层外的光能量经由光纤包层耦合到光纤纤芯，之后将纤芯内的光信号通过包层提取出光纤，整个测量过程中不必截断光纤，也就不会损伤、损坏塑料光纤，从而实现了光纤传输损耗的无损、实时、在线测量。

以下结合具体技术方案对本发明进行详述：

该塑料光纤传输损耗无损检测装置，包括将光信号射入被测塑料光纤的光源，沿光源出射光的光传输方向依次设置有光注入模块、光提取模块和用于记录辐射出塑料光纤光功率的数据采集装置；光注入模块和光提取模块内材料的折射率应大于或等于塑料光纤包层的折射率，两模块均使得光纤固定并以适当曲率半径弯曲。

光注入模块和光提取模块之间的光纤长度大于20m，因为长度过长将无法在提取过程中获得足够强度的光功率，而光纤长度过短将导致纤芯内的光场模式从而光功率分布不稳定，一般以大于20m为佳。

光注入模块由折射率匹配块、折射率匹配液、光纤弯曲夹持器组成。其中折射率匹配块和折射率匹配液的折射率要求大于或等于光纤包层材料折射率，并且它们是透明材料，另外，要求折射率匹配液与塑料光纤不发生化学反应、不改变塑料光纤属性、不腐蚀塑料光纤。通过折射率匹配液和折射率匹配块，可以将光纤弯曲部分的整体或其部分表面浸入高折射率环境中。光纤弯曲夹持器和折射率匹配块配合使用，二者将光纤固定夹持，并使得塑料光纤以一定曲率半径弯曲。

光提取模块和光注入模块相似，二者均使光纤弯曲，并且使光纤弯曲部分的整体或其部分表面浸没在高折射率介质环境中。在所述的浸没于高折射率介质环境中的光纤弯曲部分的表面处，实现光信号的注入与提取。

折射率匹配液为蔗糖溶液、丙烯酸、甘油、环氧树脂等。折射率匹配块的材料为丙烯酸树脂、PMMA、聚苯乙烯等。

当需要测量生产线上的塑料光纤传输损耗时，先将生产线上的一段确定长度的待测光纤固定，这个长度是有要求的，整个测量过程中生产出的光纤先暂存到光纤临时储存单元上，测量完毕后再导入产品接收卷盘。

测量时，光纤弯曲夹持器带动待测光纤紧贴到折射率匹配块上，使得光纤弯曲。此时折射率匹配液灌注系统将折射率匹配液导入折射率匹配块与塑料光纤之间的空隙中。之后，650nm激光器输出的激光通过光束准直系统，输出一束平行光或准平行光照射到折射率匹配块上，光束通过折射率匹配块、折射率匹配液后，在光纤弯曲处通过光纤包层注入到光纤纤芯中，由于大部分光线满足全内反射条件，在纤芯内形成稳定的纤芯模式，这就完成了光能量的注入。理论模拟了光注入节点之后10cm处的光纤纤芯截面光功率分布(如图3)，实际注入功率达到了入射光功率的50％以上。

当光信号在待测光纤内传输一定距离L(单位：m)后，在提取节点处通过光纤弯曲夹持器、折射率匹配块和折射率匹配液，将光纤弯曲，并且使弯曲处的光纤整体或其部分表面浸没在高折射率介质环境中，具体方法与光注入模块类似。此时，在光纤的弯曲处会有大量光能量通过光纤包层辐射出光纤，并通过折射率匹配块传输到外侧空气中，用光束汇聚透镜组将这部分能量汇聚到光功率计探头上，记录此时光功率P₁。第一次功率测量结束后，将光提取模块沿光纤向后移动ΔL(单位：m)，重复第一次测量过程并得到提取出的光功率P₂。由两次光功率值及两次测量对应的光纤长度间隔ΔI可求出光纤传输损耗系数α(单位：dB/m)：

$\mathrm{\α}=\frac{10}{\mathrm{\ΔL}}{\log }_{10}\left(\frac{P_1}{P_2}\right).$

图4给出了整合光注入模块和光提取模块的三维结构线框图。在不考虑光纤传输损耗的简单情形下，理论模拟了图4所示结构的光传输过程，获得了高达25％以上的光能量利用率，表明该方法可完全满足塑料光纤传输损耗系数测量的要求。

Claims (10)

1.一种塑料光纤传输损耗无损检测装置，包括将光信号射入被测塑料光纤的光源，其特征在于：沿光源出射光的光传输方向依次设置有光注入模块、光提取模块和用于记录辐射出塑料光纤光功率的数据采集装置；所述光注入模块和光提取模块内介质材料的折射率应大于或等于塑料光纤包层的折射率，两模块均使得光纤固定并以适当曲率半径弯曲，光注入模块和光提取模块之间的光纤长度大于20m。

2.根据权利要求1所述的塑料光纤传输损耗无损检测装置，其特征在于：所述光源与光注入模块之间设置有光准直装置；所述光提取模块和采集装置之间设置光汇聚装置，用于汇聚那些辐射出光纤的携带光能量信息的光束。

3.根据权利要求2所述的塑料光纤传输损耗无损检测装置，其特征在于：所述光注入模块和/或光提取模块均/或任意一个包括折射率匹配块和光纤弯曲夹持器，折射率匹配块内填充有折射率匹配液体。

4.根据权利要求3所述的塑料光纤传输损耗无损检测装置，其特征在于：所述折射率匹配液与折射率匹配块的折射率要求大于或等于光纤包层材料折射率；折射率匹配液为蔗糖溶液、丙烯酸、甘油或环氧树脂；折射率匹配块的材料为丙烯酸树脂、PMMA或聚苯乙烯。

5.一种塑料光纤传输损耗无损在线检测装置，包括制备被测塑料光纤的光纤拉制装置、将光信号射入被测塑料光纤的光源，其特征在于：沿光源出射光的光传输方向依次设置有用于固定弯曲被测塑料光纤光注入模块、光提取模块和用于记录辐射出塑料光纤光功率的数据采集装置；所述光注入模块和光提取模块内材料的折射率大于或等于塑料光纤包层的折射率，光注入模块和光提取模块之间的光纤长度大于20m。

6.根据权利要求5所述的塑料光纤传输损耗无损在线检测装置，其特征在于：所述光源与光注入模块之间设置有光准直装置；所述光提取模块和采集装置之间设置光汇聚装置，用于汇聚那些辐射出光纤的携带光能量信息的光束。

7.根据权利要求6所述的塑料光纤传输损耗无损在线检测装置，其特征在于：所述光注入模块和/或光提取模块均/或任意一个包括折射率匹配块和光纤弯曲夹持器，折射率匹配块内填充有折射率匹配液。

8.根据权利要求7所述的塑料光纤传输损耗无损在线检测装置，其特征在于：所述折射率匹配液与折射率匹配块的折射率要求大于或等于光纤包层材料折射率；折射率匹配液为蔗糖溶液、丙烯酸、甘油或环氧树脂；折射率匹配块的材料为丙烯酸树脂、PMMA或聚苯乙烯。

9.根据权利要求8所述的塑料光纤传输损耗无损在线检测装置，其特征在于：所述光纤拉制装置与光注入模块之间设置有储纤装置，用于临时存储测量过程中生产的塑料光纤。

10.根据权利要求4或9所述的塑料光纤传输损耗无损检测或在线检测装置，其特征在于：所述激光器是650nm波长激光器。

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