CN104655058A - 一种熊猫型保偏光纤扭转检测及退扭的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种熊猫型保偏光纤扭转检测及退扭的装置和方法，所述装置包括光纤放纤装置、光纤收纤装置、退扭转台、光源、光学镜头、图像传感器、计算机和控制器。本发明利用光纤的侧视透镜效应，使用光源垂直照射光纤侧面，经过光纤折射后的光强分布包含光纤的扭转信息，该光强分布经图像传感器采集，由计算机进行数据处理提取扭转角度信息，控制器根据角度信息控制退扭转台转动进行退扭。该方法将光纤的扭转检测和退扭相结合，实现边绕纤边退扭，从而绕制出低扭转的保偏光纤环，满足制造低磁敏感光纤陀螺的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量熊猫型保偏光纤的扭转程度及绕制消扭的熊猫型保偏光纤环的装置和方法。
背景技术
高精度光纤陀螺中主要使用保偏光纤绕制光纤环，而熊猫型保偏光纤又是保偏光纤中最常使用的类型之一。保偏光纤陀螺的磁场敏感性与光纤环绕制时保偏光纤的扭转程度紧密相关，扭转程度越大，光纤陀螺对径向磁场越敏感。
由于光纤扭转具有随机性，因此径向磁场对保偏光纤陀螺输出所造成的影响也具有随机性，从而难以进行有效补偿。在不存在扭转的理想情况下，保偏光纤环对径向磁场不敏感，显著降低光纤陀螺的磁场敏感性。绕制低扭转的保偏光纤环对降低保偏光纤陀螺径向磁场敏感性有重要意义。
本发明利用熊猫型保偏光纤侧面的透镜效应测量光纤扭转量，对保偏光纤扭转测量的过程不影响光纤绕环。绕环过程中可连续测量光纤扭转量，实现边绕环边退扭，从而绕制出低扭转的熊猫型保偏光纤环。下文中如未特别说明，所述光纤均为熊猫型保偏光纤。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种熊猫型保偏光纤扭转检测及退扭的装置和方法，能够在不影响保偏光纤环绕制的情况下测量熊猫型保偏光纤的扭转量，并根据光纤扭转量的大小及方向，控制运动机构进行退扭，绕制出消扭的保偏光纤环，降低保偏光纤陀螺对径向磁场的敏感性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种熊猫型保偏光纤扭转测量及退扭的装置，包括放纤装置、收纤装置、退扭转台、光源、光学镜头、图像传感器、计算机和控制器，其中，放纤装置安装在退扭转台上；光源放置在放纤光纤环和收纤光纤环之间的光纤上方，垂直对光纤侧面照射；光学镜头安装在图像传感器上，置于光源所照射光纤的下方，光学镜头与光源共轴；图像传感器连接计算机；计算机可与控制器进行通信；控制器与控制退扭转台连接，控制退扭转台运动。
进一步地，所述退扭转台为由步进电机或伺服电机驱动的电控旋转台。
进一步地，所述光学镜头为放大倍率不小于10倍的显微物镜。
进一步地，所述图像传感器为CCD型或CMOS型图像传感器。
进一步地，所述光源为波长在图像传感器5敏感波长范围内的非相干平行光源。
一种熊猫型保偏光纤扭转测量及退扭的方法，包括如下步骤：
(1)取一缠绕有未退扭熊猫型保偏光纤的光纤环，置于放纤装置中放纤，同时收纤装置进行收纤，放纤装置与收纤装置之间的平直光纤段为待测光纤；
(2)图像传感器通过光学镜头采集经过待测光纤折射后包含光纤扭转角度信息的光强分布曲线；图像传感器将采集到的光强分布曲线送计算机进行图像处理；
(3)在收纤初始阶段，计算机识别出待测光纤的快轴初始方位角为θ0；收纤过程中时刻t，计算机识别出的待测光纤的快轴方位角为θt；因此，时刻t相对于初始时刻的扭转角为Δθ＝θt-θ0；
(4)计算机将计算出的扭转角度信息发送给控制器，控制器控制退扭转台带动放纤装置向减小扭转的方向旋转角Δθ，从而带动待测光纤向减小扭转的方向旋转；
(5)图像传感器以等时间隔采集光强分布曲线，计算机相应的以等时间隔向控制器发送识别出的扭转角度信息，控制器控制退扭转台重复上述退扭过程，从而显著减小光纤环的扭转量。
进一步地，所述步骤(3)中，所述计算机识别出待测光纤的快轴方位角θ具体包括以下子步骤：
(3.1)图像传感器采集到的沿垂直与光纤轴向的光强分布曲线具有如下特征，即在中心峰值两侧有两个明显的次峰峰值，计算机通过局部扫描法，识别出两侧次峰峰值与中心峰值所在位置，进而计算出两侧次峰峰值之间的距离L，以及左右两侧次峰峰值与中心峰值的距离，分别为L1和L2；
(3.2)两侧次峰峰值之间的距离L与光纤快轴方位角θ的绝对值成正比关系，即L值与光纤快轴方位角θ的绝对值一一对应，且由于熊猫型保偏光纤几何结构具有对称性，可获得L＝f(|θ|)的标定曲线；将检测到的L值带入标定曲线即可得到对应方位角θ的绝对值；
(3.3)根据L1与L2的大小可判断扭转方向，其中，若L1>L2，则光纤向L1对应一侧扭转了|θ|角，则θ<0；反之，则光纤向L2一侧扭转了|θ|角，则θ>0。
进一步地，所述步骤(3.2)中，所述的标定曲线L＝f(|θ|)通过如下方法获取：以步进角转动光纤，并使用步骤(3.1)方法提取光强分布曲线中的L值，直到对光纤一周完成采集，可获得L随光纤转角的变化曲线；由于熊猫型保偏光纤的对称性几何结构，L随转过角度的变化曲线呈现周期性，谷值对应|θ|＝0°位置，峰值对应|θ|＝90°位置；取其中谷值与相邻峰值之间的曲线，即得到标定曲线L＝f(|θ|)，|θ|与之间的值可通过插值算法得到。
本发明的优点是，可将扭转测量与退扭相结合，对光纤无损伤，测扭精度高，退扭效果明显，可实现低扭转保偏光纤环绕制的自动化，有效降低保偏光纤环的径向磁场敏感性。
附图说明
图1为本发明熊猫型保偏光纤扭转测量及退扭装置示意图；
图2为光纤快轴方位角的光路示意图；
图3为垂直于光纤轴向的光强分布曲线示意图；
图4为快轴方位角小于零时L1、L2随方位角变化曲线示意图；
图5为快轴方位角大于零时L1、L2随方位角变化曲线示意图；
图6为图像传感器采集的光强分布示意图；
图7为L值的标定曲线示意图；
图中，放纤装置1、退扭转台2、光源3、光学镜头4、图像传感器5、收纤装置6、计算机7、控制器8、待测光纤9、光强分布曲线10。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种熊猫型保偏光纤扭转测量及退扭的装置，包括放纤装置1、退扭转台2、收纤装置6、光源3、光学镜头4、图像传感器5、计算机7和控制器8；其中，放纤装置1安装在退扭转台2上，光源3放置在放纤装置1和收纤装置6之间的待测光纤9上方，垂直对待测光纤9侧面照射；光学镜头4安装在图像传感器5上，置于光源3所照射位置光纤的下方，光学镜头4与光源3共轴；图像传感器5连接计算机7；计算机7与控制器8进行通信；控制器8与控制退扭转台2连接，控制退扭转台2运动。
所述退扭转台2为由步进电机或伺服电机驱动的电控旋转台。所述光学镜头4为放大倍率不小于10倍的显微物镜。所述图像传感器5为CCD型或CMOS型图像传感器。所述光源3为波长在图像传感器5敏感波长范围内的非相干平行光源。
如图2所示，光源3垂直照射待测光纤9侧面，图像传感器5通过光学镜头4进行图像采集，可采集到经过待测光纤9折射后的包含光纤扭转角度信息的光强分布曲线10。以θ表示光纤快轴方位角，其定义为两个应力区圆心连线与光源照射方向所夹锐角的大小，其取值范围为-90°～90°，θ＝0°即光源沿光纤快轴照射光纤，θ＝±90°即光源垂直照射光纤快轴。
图3为光强分布曲线10的示意图。由于待测光纤9沿轴向结构相同，则在图像传感器5采集的图样中，任意垂直于光纤轴向上的光强分布是类似的。取若干不同位置的类似光强分布做平均，可得到如图3所示的光强分布曲线10。计算机7依据此曲线进行数据处理；其中L为两侧次峰峰值之间的距离，L1和L2分别为左右两侧次峰峰值与中心峰值的距离。
图4和图5分别为θ<0和θ>0时，L1和L2与θ的关系曲线。当θ<0时，L1>L2；当θ>0时，L1<L2。
一种利用上述装置进行熊猫型保偏光纤扭转测量及退扭的方法，包括如下步骤：
(1)如图1所示，取一缠绕有未退扭熊猫型保偏光纤的光纤环置于放纤装置1中放纤，同时收纤装置6进行收纤。放纤装置1与收纤装置6之间的平直光纤段为待测光纤9；
(2)图像传感器5通过光学镜头4采集经过待测光纤9折射后，包含光纤扭转角度信息的光强分布曲线10。图像传感器5将采集到的光强分布曲线10送计算机7进行图像处理；
(3)在收纤初始阶段，计算机7识别出待测光纤9的快轴初始方位角为θ0；收纤过程中时刻t，计算机7识别出的待测光纤9的快轴方位角为θt；因此，时刻t相对于初始时刻的扭转角为Δθ＝θt-θ0；
(4)计算机7将计算出的扭转角度信息发送给控制器8，控制器8控制退扭转台2带动放纤装置1向减小扭转的方向旋转角Δθ，从而带动待测光纤9向减小扭转的方向旋转；
(5)图像传感器5以等时间隔采集光强分布曲线10，计算机7相应的以等时间隔向控制器8发送识别出的扭转角度信息，控制器8控制退扭转台2重复上述退扭过程，从而显著减小光纤环的扭转量；
所述步骤(3)中，所述计算机7识别出待测光纤9的快轴方位角θ，包括以下子步骤：
(3.1)如图3所示，图像传感器5采集到的沿垂直与光纤轴向的光强分布曲线10具有如下特征，即在中心峰值两侧有两个明显的次峰峰值，计算机7可通过如局部扫描法等算法，识别出两侧次峰峰值与中心峰值所在位置，进而计算出两侧次峰峰值之间的距离L，以及左右两侧次峰峰值与中心峰值的距离，分别为L1和L2；
(3.2)两侧次峰峰值之间的距离L与光纤快轴方位角θ的绝对值成正比关系，即L值与光纤快轴方位角θ的绝对值一一对应，且由于熊猫型保偏光纤几何结构具有对称性，可获得L＝f(|θ|)的标定曲线。将检测到的L值带入标定曲线即可得到对应方位角θ的绝对值。
(3.3)根据L1与L2的大小可判断扭转方向，其中，若L1>L2，则光纤向L1对应一侧扭转了|θ|角，则θ<0；反之，则光纤向L2一侧扭转了|θ|角，则θ>0。
所述步骤(3.2)中所述的标定曲线L＝f(|θ|)通过如下方法获取：以步进角转动光纤，并使用步骤3.1方法提取光强分布曲线中的L值，直到对光纤一周完成采集，可获得L随光纤转角的变化曲线；由于熊猫型保偏光纤的对称性几何结构，L随转过角度的变化曲线呈现周期性，谷值对应|θ|＝0°位置，峰值对应|θ|＝90°位置。取其中谷值与相邻峰值之间的曲线，即得到标定曲线L＝f(|θ|)，|θ|与之间的值可通过插值算法得到。
实施例1
取常用的熊猫型保偏光纤绕制的未退扭光纤环进行退扭，光纤涂覆层直径为250μm，包层直径为125μm，折射率为1.4573，纤芯直径为6μm，折射率为1.46878，应力区直径为26μm，折射率为1.44388，猫眼应力区圆心与纤芯距离为21μm，采集到的光强分布如图6所示，其标定曲线以1°的角度间隔采集，如图7所示。绕纤初始时刻识别出快轴的方位角θ0为45°，图像传感器以1s的时间间隔采集光强分布，在第100s时识别出L为4500μm，在标定曲线上找到49°对应的L值为4450μm，50°对应的L值为4520μm，使用线性插值计算出L＝4500μm时对应的θ值为：
且识别出L1<L2，即此时的方位角为49.7°。则扭转角度为：Δθ＝49.7°-45°＝4.7°。
计算机7将角度信息发送给控制器8，控制器8控制退扭转台2逆时针转动4.7°，使扭转角度减小。
实施例2
在实施例1中，初始时识别出的快轴位置为5°，第100s时识别出L为3000μm，在标定曲线上找到24°对应的L值为2900μm，25°对应的L值为3020μm，使用线性插值计算出L＝3000μm时对应的θ值为：
且识别出L1>L2，即此时的方位角为-24.83°。则扭转角度为：Δθ＝-24.83°-5°＝-29.83°。
计算机7将角度信息发送给控制器8，控制器8控制退扭转台2顺时针转动29.83°，使扭转角度减小。
以上所述仅为本发明的较优实施实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的原理和精神之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种熊猫型保偏光纤扭转测量及退扭的装置，其特征在于，包括放纤装置(1)、退扭转台(2)、收纤装置(6)、光源(3)、光学镜头(4)、图像传感器(5)、计算机(7)和控制器(8)；其中，放纤装置(1)安装在退扭转台(2)上，光源(3)放置在放纤装置(1)和收纤装置(6)之间的待测光纤(9)上方，垂直对待测光纤(9)侧面照射；光学镜头(4)安装在图像传感器(5)上，置于光源(3)的正下方，光学镜头(4)与光源(3)共轴；图像传感器(5)连接计算机(7)，计算机(7)与控制器(8)进行通信；控制器(8)与控制退扭转台(2)连接，控制退扭转台(2)转动。
2.根据权利要求1所述一种熊猫型保偏光纤扭转测量及退扭的装置，其特征在于，所述退扭转台(2)为由步进电机或伺服电机驱动的电控旋转台。
3.根据权利要求1所述一种熊猫型保偏光纤扭转测量及退扭的装置，其特征在于，所述光学镜头(4)为放大倍率不小于10倍的显微物镜。
4.根据权利要求1所述一种熊猫型保偏光纤扭转测量及退扭的装置，其特征在于，所述图像传感器(5)为CCD型或CMOS型图像传感器。
5.根据权利要求1所述一种熊猫型保偏光纤扭转测量及退扭的装置，其特征在于，所述光源(3)为波长在图像传感器(5)敏感波长范围内的非相干平行光源。
6.一种利用权利要求1所述装置进行熊猫型保偏光纤扭转测量及退扭的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取一缠绕有未退扭熊猫型保偏光纤的光纤环，置于放纤装置(1)中放纤，同时收纤装置(6)进行收纤，放纤装置(1)与收纤装置(6)之间的平直光纤段为待测光纤(9)；
(2)图像传感器(5)通过光学镜头(4)采集经过待测光纤(9)折射后包含光纤扭转角度信息的光强分布曲线；图像传感器(5)将采集到的光强分布曲线送计算机(7)进行图像处理；
(3)在收纤初始阶段，计算机(7)识别出待测光纤(9)的快轴初始方位角为θ0；收纤过程中时刻t，计算机(7)识别出的待测光纤(9)的快轴方位角为θt；因此，时刻t相对于初始时刻的扭转角为Δθ＝θt-θ0；
(4)计算机(7)将计算出的扭转角度信息发送给控制器(8)，控制器(8)控制退扭转台(2)带动放纤装置(1)向减小扭转的方向旋转角Δθ，从而带动待测光纤(9)向减小扭转的方向旋转；
(5)图像传感器(5)以等时间隔采集光强分布曲线，计算机(7)相应的以等时间隔向控制器(8)发送识别出的扭转角度信息，控制器(8)控制退扭转台(2)重复上述退扭过程，从而显著减小光纤环的扭转量。
7.根据权利要求6所述一种熊猫型保偏光纤扭转测量及退扭的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述计算机(7)识别出待测光纤(9)的快轴方位角θ具体包括以下子步骤：
(3.1)图像传感器(5)采集到的沿垂直与光纤轴向的光强分布曲线具有如下特征，即在中心峰值两侧有两个明显的次峰峰值，计算机(7)通过局部扫描法，识别出两侧次峰峰值与中心峰值所在位置，进而计算出两侧次峰峰值之间的距离L，以及左右两侧次峰峰值与中心峰值的距离，分别为L1和L2；
(3.2)两侧次峰峰值之间的距离L与光纤快轴方位角θ的绝对值成正比关系，即L值与光纤快轴方位角θ的绝对值一一对应，且由于熊猫型保偏光纤几何结构具有对称性，可获得L＝f(|θ|)的标定曲线；将检测到的L值带入标定曲线即可得到对应方位角θ的绝对值；
(3.3)根据L1与L2的大小可判断扭转方向，其中，若L1>L2，则光纤向L1对应一侧扭转了|θ|角，则θ<0；反之，则光纤向L2一侧扭转了|θ|角，则θ>0。
8.根据权利要求7所述一种熊猫型保偏光纤扭转测量及退扭的方法，其特征在于，所述步骤(3.2)中，所述的标定曲线L＝f(|θ|)通过如下方法获取：以步进角转动光纤，并使用步骤(3.1)方法提取光强分布曲线中的L值，直到对光纤一周完成采集，可获得L随光纤转角的变化曲线；由于熊猫型保偏光纤的对称性几何结构，L随转过角度的变化曲线呈现周期性，谷值对应|θ|＝0°位置，峰值对应|θ|＝90°位置；取其中谷值与相邻峰值之间的曲线，即得到标定曲线L＝f(|θ|)，|θ|与之间的值可通过插值算法得到。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhang Dengwei Inventor after: Liu Mengnan Inventor after: Zhang Caini Inventor after: Luo Tian Inventor after: Shu Xiaowu Inventor after: Liu Cheng Inventor before: Liu Mengnan Inventor before: Zhang Caini Inventor before: Luo Tian Inventor before: Shu Xiaowu Inventor before: Liu Cheng |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170825 Termination date: 20210212 |