CN1077534A - 花样内在线涂层缺陷检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测缺陷的系统(10)，利用一 个或多个空间上分开的正交均衡光束(22和24)射 到经涂敷的光纤(32)上，而光能通过光纤(32)及其涂 层(31)的整个宽度。当光通过质量合格的光纤(32) 和涂层(31)时，由照射到经涂敷的光纤(32)上的光束 的前方散射部形成一个具有预计的强度等级的具体 花样。

Description

本发明涉及一种花样内在线涂层缺陷检测系统。

由于光纤在光通讯系统中的应用不断扩大，对光纤的制造和随后的处理工艺仍然急待研究和开发。通常光纤是在连续的工艺中加工出来的，这些工艺包括从热软化玻璃预型件中拉制出细玻璃丝即纤维。此外，为了保护玻璃纤维不受环境的影响及提高纤维的结构强度，通常，拉制出玻璃纤维后还要在其表面涂敷某种聚合物材料。

由于玻璃纤维构成光通讯系统的一部分时必须限制在相当严格的工作条件下使用，所以对光纤的制造工艺必须进行精确地监测和控制。此外，如果在拉制过程中涂敷在光纤上的保护层中存在任何缺陷，光纤的很多工作性能会受到影响。因此，不仅要对玻璃丝的拉制过程进行监测，还应对涂敷的工艺过程进行监测。

以往人们在提高监测和检验光纤涂层的精度方面作了各种努力。在拉制过程中，如直径、椭圆度、纤维一涂层的同心度等参数中的每一参数的变化是相当缓慢的，目前往往是通过涂敷涂层的装置上的不同调节机构来测量和控制这些参数。一般是采用各种扫描技术的装置来监测上述有关的缓慢改变的参数。

通过把正交的光束射到有涂层的光纤上的方法监测光纤聚合物涂层的纤维一涂层同心度的一个具体方案已经公开。关于这种监测同心度方法的具体细节可以参考Ralph    E.Frazee，Jr和david    H.Smithgald的题为“纤维一涂层同心度的高速测量和控制”的论文，该论文刊载在“the    Bell    System    Technical    Journal”1981年11月Vol.60，No.9.P2065-2080中，它可作为与本申请相关的参考文件。

然而，目前用于测量上述有关的缓慢变化的参数的具体装置不能准确地鉴别和响应与缺陷有关的在拉制流程速度下持续时间短暂的信号。用现有的采用扫描技术的各种涂层监测器常常会使这类缺陷漏检。在用现有装置检测不到的持续时间短暂的信号中有反映由夹杂颗粒状物而改变涂层直径所引起的缺陷的信号、由在表面频繁喷出的气泡所引起的缺陷的信号或由涂敷装置模具产生的高粘颗粒所引起的缺陷的信号。这些具体缺陷中的每一种缺陷都是典型的缺陷类型，在后续的处理过程中都可能使光导产品报废。

现有的装置只能一致性地、精确地检测出那些非常大的缺陷。能够独立地检测出持续时间短的缺陷的改进系统作为在线光纤处理装置的一部分应该在光纤装入工作的光缆之前对缺陷的周围进行再处理，这样既可节省产品材料又可节约生产时间，此外，还提高了最后安装在光通讯系统中的光纤的质量。

根据上述问题，本发明需要提供一种看来现有技术还没有提供的能精确检测可能存在于涂敷到光纤上的涂层中的缺陷的可靠系统。此外，所需求的涂层缺陷检测系统应采用无损检测技术，以便使检测操作不会降低涂敷过的纤维的质量。再者，所寻求的涂层缺陷检测系统应能对持续时间很短的缺陷进行可靠的检测，并适于加入制造光纤的传统的在线处理工序中。

借助于在本说明第3页中进一步限定的本发明的花样内的在线涂层缺陷检测系统已经克服了现有技术中的上述缺点。

概括地说，本发明提供了一种系统和一种方法，即：

1.一种用于检测涂层内部缺陷的系统，其特征在于包括：

用光照射经涂敷的细丝的装置，以便形成一个表示前进路径上、预期的前方散射花样，及产生光照射到质量合格的涂层上的光强度;以及用于监测在前方散射花样内当光减少时的光强的装置，光的减少就表示涂层内部存在缺陷。以及

（1）.如上面第1项所述的检测缺陷的系统，其特征在于用于照射经涂敷的细丝的装置至少包括一个激光光源。

（2）.如上面第（1）项所述的检测缺陷的系统，其特征在于上述照射装置还包括光束分束器，该分束器将激光光源发射出的单光束至少分成两束大体上相等的光束。

（3）.如上面第1项所述的检测缺陷的系统，其特征在于上述监测装置至少包括两个精确定位在前方散射花样内部的光电二极管。

（4）.如上面第1项所述的检测缺陷的系统，其特征在于上述经涂敷的细丝由至少两束正交校准的光束照射。

（5）.如上面第1项所述的检测缺陷的系统，其特征在于照射经涂敷的细丝的光的束宽大于涂敷细丝的外径。

2.一种检测层内部缺陷的方法，其特征在于包括下列步骤：

用光照射经涂敷的细丝，以便形成一个表示前进路径上的预期的前方散射花样，并产生光照射到质量合格的涂层上的光强度;以及监测在前方散射花样内当光减少时的光强度，光的减少就表示涂层内部存在缺陷。以及

（a）.如上面第2项所述的检测缺陷的方法，其特征在于经涂敷的细丝至少被两束正交准的光束照射。

（b）.如上面第2项所述的检测缺陷的方法，其特征在于照射经涂敷的细丝的光的束宽至少大于涂敷细丝的直径。

（c）.如上面第2项所述的检测缺陷的方法，其特征在于至少用两个精确定位在前方散射花样内的光电极管来监测前方散射花样的光强。

图1是本发明的花样内涂层缺陷检测系统的光学一机械布置的顶视图。

图2是涂敷过的光纤横截面的折射光的光束射线径迹图;

图3是用于完成本发明工作的总体电路的方框图;

图4是用于本发明的输入放大器和补偿电路的电气原理图。

图1中示出了本发明的连续的花样内涂层缺陷检测系统10的光学和机械结构，检测系统10主要包括双轴空间分开的正交照明光路系统，从而产生两束通过一根涂敷过的光纤的光。更具体地说，本发明是利用花样内检测技术对被照亮的涂敷过的纤维的具体部位的涂层缺陷进行检测。虽然本发明的优选实施例是对涂敷到玻璃光纤上的涂层进行检测，但是需要指出对于其它的非玻璃丝材料上的涂层缺陷也可以利用本发明进行检测。

术语“花样内检测”是指一种检测技术，即把某种类型的光检测器件精确地定位在光照射到经恰当涂敷的光纤上时所形成的前进散射花样内部。为了确定涂层中的缺陷，花样内检测技术连续地监测在预期和前方散射花样内部当接收的光减少时的光强。上述光强的减少表明存在缺陷，该缺陷使照射到经涂敷的光纤上的部分光散射到正常的前进散射花样的外面。

从图1中可见，一个氦氖激光器12发射一束光14，这束光被镜16反射到光束扩展器18。在该优选实施例中采用的是6倍光束扩展器。光束14由分束镜20（最好是50/50的立方体型的）分束，然后沿着两个分开的光路22和24行进。

虽然采用了三个可调的镜26、28和30，沿着光路22和24行进的分开的光束被成正交地射到具有涂层31的光纤32上，但是这两束光22和24应以相对其相互间和基板34来说稍微不同的高度射到光纤32上。这个可取的在光纤上的高度差约为1/8英寸，这样可以保证形成的两个前进的散射花样相互间基本上不发生干扰。此外，把基板34切去的那部分指定为光纤直通开口38。当光纤32沿光纤处理路径行进时，光纤32沿基板34的法线方向通过开口38。

四个透镜/检测器导轨组件40，42，44和46最好定位于两束光路22和24的前进散射花样中，具体地说，组件40和44接收通过镜26和28的光束22的前方散射，而组件42和46接收通过镜30的光束24的前方散射。组件40、42、44和46在物理结构上是相同的，每个组件都由一个圆柱形透镜和一个辅助光检测器构成。每个组件的特定布置是利用调整导轨而使操作者能将透镜相对于其相应的光检测器精确定位来完成的。组件40、42、44和46的各个光学-机械部件的细节此处没有具体表示出来，但需要指出的是能实现本发明的任何公知的用于固定和校准透镜相对于光检测器的位置的机构都可采用。然而，下面仍将描述一个适于透镜/检测器组件的具体布置。

在安装到基板34上之前可以分开组装透镜/检测器组件40、42、44和46。可以将每个组件的圆柱形透镜用硅橡胶型粘接剂粘到相应的固定轨道上。在该优选实施例中，圆柱形透镜的焦距为25.4mm，透镜的一个表面为平的，一表面为凸的。在透镜/检测器组件40，42，44和46中的四个光检测器最好采用由Centronics Incorporated制造的BP×65光电二极管，此种光电二极管具有良好的高频响应特征，灵敏度高而且成本相当低。这种特殊的检测器的工作面积为1mm²，并且固定在一个TO-18型的2个针头上。为了使每个光电二极管在所需要的取向上保持1英寸的额定高度，可以采用固定夹具。固定夹具可以相对于辅助透镜移动，既可以沿组件轴移动，又可沿直于组件轴方向移动，以便通过校准使光精确地聚焦在光电二极管的工作面积上。

在透镜固定之后，使检测器表面定位在离开透镜的平表面约51mm的位置上。把组件40，42，44和46安装在基板34上，并使透镜的凸表面侧与光纤32相距51mm。接通激光器12把一根涂敷过的光纤32定位，则靠近焦斑附近的光应该射在检测器的夹具上，如果稍微未对准，则可以调整透镜和光检测器，使光的焦斑定位在光电二极管的工作面积上。

在本发明的优选实施例中，可以监测前方散射花样的两个不同角度的区域。如图2所示，可以采用相当大的光电二极管光轴角度α，也可以采用相当小的光电二极管光轴角度β。此处用的一个相当大的光轴角度α约为60°，而相当小的光轴角度β约为15°。上面限定的特定角度与直径为125μ的硅光纤相对应，其上的聚合物涂层使总直径增加到250μ，涂层的折射率约1.52，激光的波长范围是0.63-0.68μ。需要指出的是上述具体角度可以随涂敷的光纤的不同纤维直径、不同的涂层厚度和/或不同涂层材料而略有改变。

采用小角度β既能监测照射到光纤32上的光的散射光，又能监测照射到涂层31上的光的散射光。通过在小角度范围控制和监测光纤和涂层二者的照射光，本发明可用来检测光纤32中、涂层31中或沿光纤-涂层界面处所存在的各种缺陷和异常。

但是，当采用相当大的角度α时，只有通过聚合物涂层31的折射光才能照射到近似对准的光电二极管上。因此，如只打算检测涂层内部的缺陷，最好采用相当大的光轴角度α。图2是通过经涂敷的光纤32的横截面的折射光的光线路径图。此外，因为在大角度下的散射光的密度要比更小的锐角下的散射光密度低，所以需要一个光学收集元件。

本发明的光线扩展器18可以单独组装。把两个不同焦距（分别为6.35mm和40.0mm）的平面-圆柱透镜用硅橡胶型粘结剂固定到扩展器系统的导轨上，在固定时使透镜的平面侧朝平面侧并且隔开一段初始距离46.35mm。这个特定的隔开距离能在一个方向产生一个几乎再校准的扩展6.3倍的光束。这种光束扩展器18的可取的布置可使其安装到组件之后能对间隔进行微调，以便使光束准直。光束扩展器18定位在位于第一镜16和分束器立方体20之间的基板34上。

正如图3中所大致示出的那样，缺陷检测电子线路把来自透镜/检测器组件40、42、44和46内的光电二极管48的信号进行比较并组合，在图中上述四个透镜/检测器组件包括在四个相同的电子补偿通道47中。这些补偿通道中的每一个用图3中的部件47来表示，关于这些通道其中之一的详细组成将在图4中具体说明。利用根据图3的方框图的电路，把来自相同轴的由补偿电路47产生的缺陷信号组合在一起。

对于可取的光电二极管48的最快模式是光导式的。这种光导模式需要在二极管的结上加一个反向偏置电压，如图4中所具体示出的那样，该反向偏置电压是经过串联在一个调节的-15V电压源52和光电二极管48的阳极之间的1MΩ电阻50而加入的。光电二极管48的阴极反回到电源公共端，该端是电路的接地端。1MΩ电阻50还作为光电二极管48的负载电阻，因而它成为输入信号电压。在本发明的优选实施例中，上述输入信号电压或者加在Harris    HA-2-2520/883运算放大器的同相端，或者加在Teledyne    Philbrick    TP1332运算放大器54的同相端。因为所选择的输入电路具有高阻抗，所以放大器的输入是直流耦合的，以便能保持低电容。运算放大器54的增益由反馈与输入电阻之比调节，在可取的电路中增益确定为25db。如果把输入电阻接地，此时放大器的输出将处在难饱和的非常接近负电源电压的状态。因此，将输入电阻接在一个低阻抗的偏置电压源上，该电压源的输出电平由平衡自动导引补偿电路控制。

每个补偿电路47是按照图4中的具体电路图布置的。如图所示，图4中的每个补偿电路包括一个用总标号56表示的时间常数为1秒的积分器和一个用总标号58表示的单个增益反向器部分。积分器56连接在双运算放大器62的第一部分的反向输入端和输出端，此第一部分在图4中用部件60概括地表示。在优选的实施例中，双运算放大器62最好采用一个Motorola    Mc1747元件。在积分器56中，同向输入端接到电路的接地端，而以向输入端经一个1MΩ电阻64连接到运算放大器54的输出端。通过一个容量为1μf的电容66将反馈电流送至反向输入端，从而构成积分电路56。积分器56的输出电压在反馈到运算放大器62之前最好经过反相。反相过程是在双运算放大器62的第二部分中完成的，该部分在图4中用部件68概括地表示。部件68的同相输入接地，两个100K电阻器70和72用作输入和反馈元件。双运算放大器62的输出阻抗比运算放大器54的输入电阻值低。双运算放大器62的输出电压加到运算放大器54的输入电阻上，从而使运算放大器54的输出返回到零。双运算放大器62的运算部分60和68及运算放大器54共同工作构成补偿电路47，该电路在约1秒的时间内自动将光电二极管的静态电流调整到新的数值上。应当指出的是，替换等效作用的电子器件并没有超出本发明的范围。

运算放大器54的平衡输出提供了一个来自输入电压的高增益双极性输出电压信号，因为该平衡输出电压或多或少地向负值变化。在光电二极管中的电流所出现的快于1秒的变化被运算放大器54放大并耦合到其它电路中进一步处理。在每一个补偿电路47中，放大后的输出信号被耦合到一个全波整流器（未示出）中。于是双极信号的变化转换为单极信号，该单极信号的幅度直接与光电二极管48的强度变化相关，因而与缺陷的严重程度相关。

如图3所示，每个补偿电路47同一个确定的单极参考电压相比较。在校准期间，调整上述参考电压，从而确定出系统的灵敏度。将该参考电压和该电压信号差分再输入到一系列电压比较器80中，每个比较器80的输出经“或”门82同对来自互补透镜/检测器组件的缺陷信号进行处理的补偿电路47引起的比较器输出进行逻辑“或”运算。经“或”运算的信号用于触发一个脉冲展宽电路84，以便为监测计算机86提供收集数据的时间。经展宽的输出88还照亮了为操作者提供信息的发光二极管90的显示。为了处理从正交检测轴中的组件中发出的信号，可以重复采用图3中示出的比较线路和展宽线路。

在以上的说明中已详细地描述了本发明的优选实施例中的光学、机械和电路的布置。下面将讨论对本发明的涂层缺陷检测系统的具体操作。正如在上面指出的那样，用于光通讯系统中的玻璃纤维是用拉制工艺制造出来的。在拉制玻璃纤维的过程中，为了增强光纤的强度或保护光纤不受可能阻滞光纤工作的各种环境的影响，通常要涂敷一层涂层。

一般来说，拉制工艺包括一系列顺序进行的在线工序。本发明要提供一种可以在线检测涂层缺陷的检测系统，以防止将隐含未知涂层缺陷的光纤装入通讯电缆中。该即时检测系统被安装在涂敷了涂层之后、光纤安装之前的工作位置上。当光纤32通过上述检测系统时，光束22和24照射到横跨经涂敷的光纤32的整个外径部分。通常如图2中所示的前方散射花样是在光通过涂层31和/或光纤32时对着每个光源而形成的。

把一系列光电二极管48安装在预期的由恰当涂敷过的光纤形成的光纤散射花样中。然而各种缺陷使一部分光散射到光电二极管48的检测区之外。本发明连续地监测实际的前方散射花样的光强的等级，把所测得的实际前方散射花样的光强度借助于图3中的一系列比较器80同预期的前方散射花样的强度相比较，然后把一个比较器80的输出通过一个“或”门82组合起来，当在实际的前方散射花样内部的光强度小于预期的前方散射花样内部的光强时就发出一个信息，这样，监测计算机86或发光二极管90的显示就可鉴别出在涂层内部存在的缺陷。

如前所述，用于本发明中的花样内部检测技术的核心是依靠精确定位在预期的前方散射花样内部的光电二极管识别出光强的减少，从而检测出所存在的缺陷。特别指出的是，虽然本发明书中描述的是具体线路系统，但为了检测缺陷，不管是否采用了精密的电子器件或采用了正确的布置，对用于测量在前方散射花样内部的光强的具体电子监测电路的不重要的改变都认为是在本发明的范围之内。

Claims (10)

1、一种用于检测涂层内部缺陷的系统，其特征在于包括：

用光照射经涂敷的细丝的装置，以便形成一个表示前进路径上、预期的前方散射花样，及产生光照射到质量合格的涂层上的光强度；以及

用于监测在前方散射花样内当光减少时的光强的装置，光的减少就表示涂层内部存在缺陷。

2、如权利要求1所述的检测缺陷的系统，其特征在于用于照射经涂敷的细丝的装置至少包括一个激光光源。

3、如权利要求2所述的检测缺陷的系统，其特征在于上述照射装置还包括光束分束器，该分束器将激光光源发射出的单光束至少分成两束大体上相等的光束。

4、如权利要求1所述的检测缺陷的系统，其特征在于上述监测装置至少包括两个精确定位在前方散射花样内部的光电二极管。

5、如权利要求1所述的检测缺陷的系统，其特征在于上述经涂敷的细丝由至少两束正交校准的光束照射。

6、如权利要求1所述的检测缺陷的系统，其特征在于照射经涂敷的细丝的光的束宽大于涂敷细丝的外径。

7、一种检测层内部缺陷的方法，其特征在于包括下列步骤：

用光照射经涂敷的细丝，以便形成一个表示前进路径上的预期的前方散射花样，并产生光照射到质量合格的涂层上的光强度;以及

监测在前方散射花样内当光减少时的光强度，光的减少就表示涂层内部存在缺陷。

8、如权利要求7所述的检测缺陷的方法，其特征在于经涂敷的细丝至少被两束正交校准的光束照射。

9、如权利要求7所述的检测缺陷的方法，其特征在于照射经涂敷的细丝的光的束宽至少大于涂敷细丝的直径。

10、如权利要求7所述的检测缺陷的方法，其特征在于至少用两个精确定位在前方散射花样内的光电二极管来监测前方散射花样的光强。

Images