CN103792150B - 一种光纤扭转角度的精确测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤扭转角度的精确测量装置及其测量方法，该测量装置中可升降平台上固定垂直板，垂直板从上至下依次等间距安装N个光纤夹具，N个切割刀分别固定在N个光纤夹具一端；光学成像系统固定在可升降平台上，显微镜设置在可升降平台上方，且显微镜、图像采集系统和计算机依次连接，照明灯放置在可升降平台上，使得待测光纤端面通过光学成像系统可成像到显微镜下，图像采集系统采集显微镜下的成像结果，并输出给计算机，计算机经模式识别，识别出光斑轴线，进而计算出扭转角度，该测量装置能够精确的测量出光纤扭转的角度，结构简单，操作方便，成本低廉，测量精度高。

Description

一种光纤扭转角度的精确测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种光纤扭转角度的精确测量装置及其测量方法，属于光纤扭转角度测量技术领域。

背景技术

扭转角度在现实生活中是常见的参量之一。目前扭转角度的测量方法包括滑动电阻器检测以及光电传感测试等，滑动电阻器检测具有测量精度差、监测角度小、抗干扰能力差的缺点；而典型的光电传感测试是通过测试转动光栅的变化达到测试旋转参量的目的，同样存在精度低、结构复杂的缺点，从而限制了现有传感器的使用范围。

光纤受扭转将产生两种效应:几何效应和光弹效应。这两种效应都会引起光波偏振态变化。几何效应表现在随着光纤扭转一角度，横向电场的偏振态也将扭转同一角度。光弹效应是扭转力使光纤内部产生弹性畸变场，导致折射率或介电常数的改变。所以光纤扭转角度的精确测量是时下急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种光纤扭转角度的精确测量装置，该测量装置能够精确的测量出光纤扭转的角度，解决了光纤扭转角度高精度测量的问题，其结构简单，操作方便，成本低廉，测量精度高。

本发明的另外一个目的在于提供一种光纤扭转角度的精确测量装置的测量方法。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种光纤扭转角度的精确测量装置，包括垂直板、N个光纤夹具、N个切割刀、重力锤、可升降平台、光学成像系统、照明灯、显微镜、图像采集系统和计算机，其中可升降平台上固定垂直板，垂直板从上至下依次等间距安装N个光纤夹具，N个切割刀分别固定在N个光纤夹具一端；测量前采用第一个光纤夹具将待测光纤固定在垂直板顶部位置，待测光纤的另一端固定重力锤，测量时取下重力锤，并通过其余N-1个光纤夹具将待测光纤固定在垂直板上；光学成像系统固定在可升降平台上，显微镜设置在可升降平台上方，且显微镜、图像采集系统和计算机依次连接，照明灯放置在可升降平台上，位于光学成像系统的一侧，使得待测光纤端面通过光学成像系统可成像到可升降平台上方的显微镜下，图像采集系统采集显微镜下的成像结果，并输出给计算机，计算机经模式识别，识别出光斑轴线，进而计算出扭转角度，其中N为正整数，且N≥2。

在上述光纤扭转角度的精确测量装置中，计算机经模式识别，识别出光斑轴线，进而计算出扭转角度的具体方法为：

测量时待测光纤通过N个光纤夹具固定在垂直板上，计算机识别出待测光纤端面的两个重掺杂区域和纤芯区域的圆边界，根据三个圆边界找到各自的圆心位置，得到一条经过三个圆心的轴线，即基准轴线；之后解开重力锤，并由下至上依次解开各个光纤夹具，每解开一个光纤夹具得到一条经过三个圆心的轴线，所述轴线之间的角度即扭转角度。

在上述光纤扭转角度的精确测量装置中，待测光纤为保偏光纤，安装在垂直板上的N个光纤夹具间的距离可调。

在上述光纤扭转角度的精确测量装置中，光学成像系统由两个等腰直角棱镜和透镜组组成，所述待测光纤端面位于距所述透镜组中心2f位置处，所述f为透镜焦距。

一种光纤扭转角度的精确测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤（一）、在可升降平台上固定垂直板，并在垂直板上从上至下依次等间距安装N个光纤夹具，且每个光纤夹具一端安装一个切割刀，将待测光纤的一端用第一个光纤夹具固定在垂直板的顶部位置，待测光纤的另一端固定重力锤，使得待测光纤自然下垂，静置10分钟以上，使待测光纤解自旋；

步骤（二）、待测光纤自旋解除后，采用其余N-1个光纤夹具依次对待测光纤进行固定，取下重力锤，在垂直板的正下方设置光学成像系统，并将光学成像系统固定在可升降平台上；

步骤（三）、开启放置在可升降平台上的照明灯，待测光纤端面经光学成像系统成像在可升降平台上方的显微镜下，图像采集系统采集显微镜下的成像结果，并输出给计算机，计算机经模式识别，识别出此时的轴线，将所述轴线作为基准轴；

步骤（四）、在待测光纤上固定第N个光纤夹具的位置，采用安装在第N个光纤夹具上的切割刀将待测光纤切断，并将第N个光纤夹具及切割刀取走，调整光学成像系统的位置，重复步骤（三），识别出此时的轴线1，所述轴线1与基准轴的夹角即为扭转角度θ1；

步骤（五）、在待测光纤上固定第N-1个光纤夹具的位置，采用安装在第N-1个光纤夹具上的切割刀将待测光纤切断，并将第N-1个光纤夹具及切割刀取走，调整光学成像系统的位置，重复步骤（三），识别出此时的轴线2，所述轴线2与基准轴的夹角即为扭转角度θ2；依次类推，在垂直板上由下至上依次取走光纤夹具和切割刀，分别得到扭转角度θ3、θ4……θN-1。

在上述光纤扭转角度的精确测量装置的测量方法中，步骤（三）中计算机经模式识别，识别出此时的轴线的方法为：计算机识别出待测光纤端面的两个重掺杂区域和纤芯区域的圆边界，根据三个圆边界找到各自的圆心位置，得到一条经过三个圆心的轴线。

在上述光纤扭转角度的精确测量装置的测量方法中，步骤（一）中待测光纤解自旋是解除待测光纤涂覆层的扭转。

在上述光纤扭转角度的精确测量装置的测量方法中，待测光纤为保偏光纤；安装在垂直板上的N个光纤夹具间的距离可调。

在上述光纤扭转角度的精确测量装置的测量方法中，光学成像系统由两个等腰直角棱镜和透镜组组成，所述待测光纤端面位于距所述透镜组中心2f位置处，所述f为透镜焦距。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）、本发明针对光纤扭转角度的测量设计了一种全新的测量装置，该测量装置集机械设计、光学设计、模式识别方法等于一体，能够精确的测量出光纤扭转的角度，解决了光纤扭转角度高精度测量的问题，且结构简单，操作方便，成本低廉，测量精度高；

（2）、本发明测量装置采用光学成像系统，使得待测光纤端面通过光学成像系统可成像到可升降平台上方的显微镜下，使得测量的直观性增强；

（3）、本发明测量过程中采用创新的模式识别方法，使计算机经模式识别，识别出光斑轴线，进而计算出扭转角度，实现了光纤扭转角度的精确测量；

（4）、本发明光纤扭转角度的精确测量方法基于创新设计的测量装置实现，具有较高的测量精度，且方法简单、可操作性强，易于实现，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明待测光纤解自旋示意图；

图2为本发明光纤扭转角度测量装置结构示意图；

图3为本发明待测光纤端面在显微镜下的基准轴示意图；

图4为本发明待测光纤在显微镜下的轴线示意图；

图5为本发明测量过程中取走第N个光纤夹具及切割刀示意图；

图6为本发明测量过程中依次取走中间光纤夹具及切割刀示意图；

1待测光纤；2垂直板；3光纤夹具；4切割刀；5重力锤；6可升降平台；7光学成像系统；8等腰直角棱镜；9透镜组；10照明灯；11显微镜；12图像采集系统；13计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图2所示为本发明光纤扭转角度测量装置结构示意图，由图可知本发明光纤扭转角度的精确测量装置包括垂直板2、光纤夹具3、切割刀4、重力锤5、可升降平台6、光学成像系统7、照明灯10、显微镜11、图像采集系统12和计算机13。

其中可升降平台6上固定垂直板2，垂直板2上从上至下依次等间距安装N个光纤夹具3，安装在垂直板2上的N个光纤夹具3间的距离可调，例如，可以为0.1m,0.2m等。N个切割刀4分别固定在N个光纤夹具3一端。

如图1所示为本发明待测光纤解自旋示意图，首先采用第一个光纤夹具3将待测光纤1固定在垂直板2顶部位置，待测光纤1的另一端固定重力锤5，测量时取下重力锤5，通过其余N-1个光纤夹具3将待测光纤1固定在垂直板2上，开始测量。光学成像系统7固定在可升降平台6上，显微镜11设置在可升降平台6上方，且显微镜11、图像采集系统12和计算机13依次连接，照明灯10放置在可升降平台6上，位于光学成像系统7的一侧，使得待测光纤1端面通过光学成像系统7可清晰成像到可升降平台6上方的显微镜11下，图像采集系统12采集显微镜11下的成像结果，并输出给计算机13，计算机13经模式识别，识别出光斑轴线，进而计算出扭转角度，其中N为正整数，且N≥2。

其中光学成像系统7由两个等腰直角棱镜8和透镜组9组成，待测光纤1端面位于距透镜组9中心2f位置处，f为透镜焦距；图像采集系统包括CCD传感部分和模拟数字信号转换及处理部分；显微镜11的放大倍数可达几十倍；待测光纤1为保偏光纤。

计算机13经模式识别，识别出光斑轴线，进而计算出扭转角度的具体方法为：

测量时待测光纤1通过N个光纤夹具3固定在垂直板2上，计算机识别出待测光纤1端面的两个重掺杂区域和纤芯区域的圆边界，根据三个圆边界找到各自的圆心位置，得到一条经过三个圆心的轴线，即基准轴线；之后解开重力锤5，并由下至上依次解开各个光纤夹具3，每解开一个光纤夹具3得到一条经过三个圆心的轴线，轴线之间的角度即扭转角度。

本发明光纤扭转角度的精确测量方法包括如下步骤：

步骤（一）、在可升降平台6上固定垂直板2，并在垂直板2上从上至下依次等间距安装N个光纤夹具3，且每个光纤夹具3一端安装一个切割刀4，将待测光纤1的一端用第一个光纤夹具3固定在垂直板2的顶部位置，待测光纤1的另一端固定重力锤5，使得待测光纤1自然下垂，静置10分钟以上，使待测光纤1解自旋，待测光纤1解自旋是解除待测光纤1涂覆层的扭转，如图1所示。

步骤（二）、待测光纤1自旋解除后，采用其余N-1个光纤夹具3依次对待测光纤1进行固定，取下重力锤5，在垂直板2的正下方设置光学成像系统7，并将光学成像系统7固定在可升降平台6上；

步骤（三）、开启放置在可升降平台6上的照明灯10，待测光纤1端面经光学成像系统7成像在可升降平台6上方的显微镜11下，图像采集系统12采集显微镜11下的成像结果，并输出给计算机13，计算机13经模式识别，识别出此时的轴线，将该轴线作为基准轴。如图3所示为本发明待测光纤端面在显微镜下的基准轴示意图。

其中计算机13经模式识别，识别出此时的轴线的方法为：计算机识别出待测光纤1端面的两个重掺杂区域和纤芯区域的圆边界，根据三个圆边界找到各自的圆心位置，得到一条经过三个圆心的轴线。

步骤（四）、在待测光纤1上固定第N个光纤夹具3的位置，采用安装在第N个光纤夹具3上的切割刀4将待测光纤1切断，并将第N个光纤夹具3及切割刀4取走，调整光学成像系统7的位置，重复步骤（三），识别出此时的轴线1，轴线1与基准轴的夹角即为扭转角度θ1；

步骤（五）、在待测光纤1上固定第N-1个光纤夹具3的位置，采用安装在第N-1个光纤夹具3上的切割刀4将待测光纤1切断，并将第N-1个光纤夹具3及切割刀4取走，调整光学成像系统7的位置，重复步骤（三），识别出此时的轴线2，轴线2与基准轴的夹角即为扭转角度θ2。

依次类推，在垂直板2上由下至上依次取走光纤夹具3和切割刀4，分别得到扭转角度θ3、θ4……θN-1。如图4所示为本发明待测光纤在显微镜下的轴线示意图，图4中给出了其中两条轴线图示。图5所示为本发明测量过程中取走第N个光纤夹具及切割刀示意图；图6为本发明测量过程中依次取走中间光纤夹具及切割刀示意图。

本发明安装在垂直板2上的光纤夹具3由上而下分别为：第一光纤夹具、第二光纤夹具……第N光纤夹具。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种光纤扭转角度的精确测量装置，其特征在于：包括垂直板(2)、N个光纤夹具(3)、N个切割刀(4)、重力锤(5)、可升降平台(6)、光学成像系统(7)、照明灯(10)、显微镜(11)、图像采集系统(12)和计算机(13)，其中可升降平台(6)上固定垂直板(2)，垂直板(2)从上至下依次等间距安装N个光纤夹具(3)，N个切割刀(4)分别固定在N个光纤夹具(3)一端；测量前采用第一个光纤夹具(3)将待测光纤(1)固定在垂直板(2)顶部位置，待测光纤(1)的另一端固定重力锤(5)，测量时通过其余N-1个光纤夹具(3)将待测光纤(1)固定在垂直板(2)上，并取下重力锤(5)；光学成像系统(7)固定在可升降平台(6)上，显微镜(11)设置在可升降平台(6)上方，且显微镜(11)、图像采集系统(12)和计算机(13)依次连接，照明灯(10)放置在可升降平台(6)上，位于光学成像系统(7)的一侧，使得待测光纤(1)端面通过光学成像系统(7)可成像到可升降平台(6)上方的显微镜(11)下，图像采集系统(12)采集显微镜(11)下的成像结果，并输出给计算机(13)，计算机(13)经模式识别，识别出光斑轴线，进而计算出扭转角度，其中N为正整数，且N≥2。

2.根据权利要求1所述的一种光纤扭转角度的精确测量装置，其特征在于：所述计算机(13)经模式识别，识别出光斑轴线，进而计算出扭转角度的具体方法为：

测量时待测光纤(1)通过N个光纤夹具(3)固定在垂直板(2)上，计算机识别出待测光纤(1)端面的两个重掺杂区域和纤芯区域的圆边界，根据三个圆边界找到各自的圆心位置，得到一条经过三个圆心的轴线，即基准轴线；之后解开重力锤(5)，并由下至上依次解开各个光纤夹具(3)，每解开一个光纤夹具(3)得到一条经过三个圆心的轴线，所述轴线之间的角度即扭转角度。

3.根据权利要求1所述的一种光纤扭转角度的精确测量装置，其特征在于：所述待测光纤(1)为保偏光纤，所述安装在垂直板(2)上的N个光纤夹具(3)间的距离可调。

4.根据权利要求1所述的一种光纤扭转角度的精确测量装置，其特征在于：所述光学成像系统(7)由两个等腰直角棱镜(8)和透镜组(9)组成，所述待测光纤(1)端面位于距所述透镜组(9)中心2f位置处，所述f为透镜焦距。

5.根据权利要求1所述的一种光纤扭转角度的精确测量装置的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤(一)、在可升降平台(6)上固定垂直板(2)，并在垂直板(2)上从上至下依次等间距安装N个光纤夹具(3)，且每个光纤夹具(3)一端安装一个切割刀(4)，将待测光纤(1)的一端用第一个光纤夹具(3)固定在垂直板(2)的顶部位置，待测光纤(1)的另一端固定重力锤(5)，使得待测光纤(1)自然下垂，静置10分钟以上，使待测光纤(1)解自旋；

步骤(二)、待测光纤(1)自旋解除后，采用其余N-1个光纤夹具(3)依次对待测光纤(1)进行固定，取下重力锤(5)，在垂直板(2)的正下方设置光学成像系统(7)，并将光学成像系统(7)固定在可升降平台(6)上；

步骤(三)、开启放置在可升降平台(6)上的照明灯(10)，待测光纤(1)端面经光学成像系统(7)成像在可升降平台(6)上方的显微镜(11)下，图像采集系统(12)采集显微镜(11)下的成像结果，并输出给计算机(13)，计算机(13)经模式识别，识别出此时的轴线，将所述轴线作为基准轴；

步骤(四)、在待测光纤(1)上固定第N个光纤夹具(3)的位置，采用安装在第N个光纤夹具(3)上的切割刀(4)将待测光纤(1)切断，并将第N个光纤夹具(3)及切割刀(4)取走，调整光学成像系统(7)的位置，依照步骤(三)中识别轴线的方法，识别出此时的轴线1，所述轴线1与基准轴的夹角即为扭转角度θ1；

步骤(五)、在待测光纤(1)上固定第N-1个光纤夹具(3)的位置，采用安装在第N-1个光纤夹具(3)上的切割刀(4)将待测光纤(1)切断，并将第N-1个光纤夹具(3)及切割刀(4)取走，调整光学成像系统(7)的位置，依照步骤(三)中识别轴线的方法，识别出此时的轴线2，所述轴线2与基准轴的夹角即为扭转角度θ2；依次类推，在垂直板(2)上由下至上依次取走光纤夹具(3)和切割刀(4)，分别得到扭转角度θ3、θ4……θN-1。

6.根据权利要求5所述的一种光纤扭转角度的精确测量装置的测量方法，其特征在于：所述步骤(三)中计算机(13)经模式识别，识别出此时的轴线的方法为：计算机识别出待测光纤(1)端面的两个重掺杂区域和纤芯区域的圆边界，根据三个圆边界找到各自的圆心位置，得到一条经过三个圆心的轴线。

7.根据权利要求5所述的一种光纤扭转角度的精确测量装置的测量方法，其特征在于：所述步骤(一)中待测光纤(1)解自旋是解除待测光纤(1)涂覆层的扭转。

8.根据权利要求5所述的一种光纤扭转角度的精确测量装置的测量方法，其特征在于：所述待测光纤(1)为保偏光纤；所述安装在垂直板(2)上的N个光纤夹具(3)间的距离可调。

9.根据权利要求5所述的一种光纤扭转角度的精确测量装置的测量方法，其特征在于：所述光学成像系统(7)由两个等腰直角棱镜(8)和透镜组(9)组成，所述待测光纤(1)端面位于距所述透镜组(9)中心2f位置处，所述f为透镜焦距。