CN109883587B - 一种保偏光纤定轴布纤装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种保偏光纤定轴布纤装置及方法。所述保偏光纤定轴布纤装置包括应力轴角度检测机构、应力轴控制机构、自动点胶机构、走纤机构、图像处理单元和控制单元。所述应力轴角度检测机构用于实时检测透射过基带与保偏光纤的光强信息；所述图像处理单元用于根据光强信息计算光纤应力轴方位角，控制单元用于判断应力轴方位角是否满足要求，若不满足要求，则由应力轴控制机构对光纤的角度进行旋转；若满足要求则由自动点胶机构进行点胶操作，后续由走纤机构驱动基带及光纤行走。本发明所提供的保偏光纤定轴布纤装置及方法，能够使保偏光纤以设定角度铺设在基带上作为压力传感器，压力传感器传感单元的精度能够得到保证。

Description

一种保偏光纤定轴布纤装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体地说是一种保偏光纤定轴布纤装置及方法。

背景技术

保偏光纤可以保持沿偏振轴传播的线偏振光的偏振态，在光纤传感的各个领域都有应用。特别是应用在压力传感方面，应力轴的方位角对系统的性能、灵敏度有很大的影响。当保偏光纤应用于压力传感器时，为了保证各点光纤对压力响应的一致性，需要严格控制保偏光纤应力轴的方位角。因此对保偏光纤应力轴方位角的精确控制是保偏光纤传感应用的关键。

光纤压力传感器在工业工程中有广泛的应用，保偏光纤具有对横向应力敏感的特性，被用来制作压力传感器。一些传感系统已经演示了分布的或者多元压力传感能力，保偏光纤压力传感器已经从理论研究走向商业应用。通过不断地改进工艺方法，可以获得高灵敏度和稳定性好的光纤传感器。这些传感器广泛应用在各种建筑、桥梁和油井监控等领域。另外，保偏光纤压力传感器，由于其控制精度高、可靠性强、耐辐射、抗干扰能力强的特点，在航天航空等一些特殊环境下使用。

由保偏光纤模式耦合原理知，保偏光纤中的偏振耦合现象是由于微扰双折射引起的，而模式耦合系数的大小与微扰双折射的大小、方向和作用长度有关。由高双折射保偏光纤在外部扰动下的偏振耦合模型可知，当横向压力与两应力轴的连线成45°角时，对横向压力的响应最敏感。

对于保偏光纤偏振应力轴（简称主轴）的测定技术，世界上许多公司和研究组都开展了深入研究，如爱立信公司利用POL 技术，藤仓公司利用中心图像直接监测法，都较好的实现了应力轴的测定，并成功地应用到光纤熔接机上。但是，如何将保偏光纤偏振应力轴的测定技术应用于保偏光纤定轴布纤，将保偏光纤以目标角度铺设在基带上作为压力传感器，还未见公开与报道。

发明内容

本发明的目的就是提供一种保偏光纤定轴布纤装置及方法，以使保偏光纤以设定角度铺设在基带上作为压力传感器。

本发明是这样实现的：一种保偏光纤定轴布纤装置，包括应力轴角度检测机构、应力轴控制机构、自动点胶机构、走纤机构、图像处理单元和控制单元；

所述应力轴角度检测机构用于实时检测透射过基带与保偏光纤的光强信息，并将光强信息传送至图像处理单元；

所述图像处理单元用于根据接收到的光强信息计算得到光纤应力轴方位角，并将计算结果发送至控制单元；

所述控制单元分别与所述应力轴控制机构、所述自动点胶机构、所述走纤机构和所述图像处理单元相接；所述控制单元根据图像处理单元发送数据计算应力轴方位角与预设目标角度之间的偏差，若偏差大于预设误差，则控制单元控制应力轴控制机构对保偏光纤进行旋转，以使应力轴方位角与预设目标角度之间的偏差在预设误差范围内；

所述自动点胶机构用于在应力轴方位角与预设目标角度之间的偏差在预设误差范围内时，在控制单元的控制下在基带上进行点胶操作，以使保偏光纤粘在基带上；

所述走纤机构用于在点胶操作完成后在控制单元的控制下驱动基带及其上的保偏光纤行走。

所述应力轴角度检测机构包括非相干光源、成像透镜和高精度CCD相机；所述非相干光源设置在基带及保偏光纤的上方，所述成像透镜和高精度CCD相机设置在基带及保偏光纤的下方；所述非相干光源用于发出非相干光并照射基带及保偏光纤，成像透镜和高精度CCD相机用于采集透射过基带与保偏光纤的光强信息，并将光强信息传送至图像处理单元。

所述应力轴控制机构包括旋转电机和供纤轮；保偏光纤缠绕在所述供纤轮上；所述旋转电机与所述控制单元相接，在所述控制单元的控制下，所述旋转电机可驱动所述供纤轮输出保偏光纤，且所述旋转电机可通过所述供纤轮对输出保偏光纤的角度进行调整。

所述自动点胶机构包括自动点胶机、胶筒和紫外固化灯；所述自动点胶机和所述紫外固化灯均与控制单元相接；在所述控制单元的控制下，所述自动点胶机可通过胶筒将紫外固化胶滴到基带及保偏光纤上；在所述控制单元的控制下，所述紫外固化灯可点亮从而对滴到基带及保偏光纤上的紫外固化胶进行固化。与所述自动点胶机相接的胶筒的数量为两个，且两个胶筒之间的距离为预设距离。

所述走纤机构包括走纤电机以及成品轮；所述走纤电机与所述控制单元相接，在所述控制单元的控制下，所述走纤电机可驱动所述成品轮旋转，进而可使基带及其上的保偏光纤缠绕在成品轮上。

本发明中的保偏光纤定轴布纤装置还包括电磁夹具和支架；所述电磁夹具可在通电状况下将基带及其上的保偏光纤夹紧并固定在支架上，以方便进行光纤应力轴方位角检测、光纤应力轴方位角调整以及点胶操作。

本发明中保偏光纤铺设基带可以为透明基带，也可以是设有用于定轴检测的通孔的金属或纤维非透明基带。保偏光纤可以为熊猫型或领结型单模保偏(PM)光纤。

与上述保偏光纤定轴布纤装置相对应的保偏光纤定轴布纤方法，包括如下步骤：

a、将基带缠绕在基带骨架上，将保偏光纤缠绕在供纤轮上，使保偏光纤与基带贴合在一起，并使两者一同经过应力轴角度检测机构后使起始端缠绕在成品轮上；

b、给电磁夹具通电，以对基带以及保偏光纤进行夹紧；

c、由应力轴角度检测机构实时采集透过保偏光纤与基带的透射光强信息，并由图像处理单元根据透射光强信息对应力轴方位角进行计算，由控制单元判断应力轴方位角是否满足要求；若满足要求则执行步骤e，否则执行步骤d；

d、由控制单元控制旋转电机，驱使供纤轮调整输出的保偏光纤的方向，然后执行步骤c；

e、由控制单元控制自动点胶机构吐出紫外固化胶至基带上，并在紫外固化灯的作用下使紫外固化胶固化，完成使保偏光纤粘贴在基带上的点胶操作；

f、使电磁夹具断电，以松开基带及其上的保偏光纤；

g、由控制单元发出指令驱动走纤电机使成品轮旋转来拉动基带及其上的保偏光纤行走；

h、由应力轴角度检测机构实时检测行走光纤的应力轴方位角，若应力轴方位角满足要求则执行步骤e，若不满足要求则由控制单元控制走纤电机停止工作，使电磁夹具通电，执行步骤d；直至保偏光纤定轴布纤完成。

步骤e中自动点胶机构包括自动点胶机、胶筒和紫外固化灯；所述自动点胶机可在控制单元的控制下，通过胶筒将紫外固化胶滴至基带上；所述胶筒的数量为两个，两个胶筒可同时滴胶；两个胶筒之间的距离为预设距离。

本发明的优点在于：

本发明中的装置能够精确控制铺设在基带上的保偏光纤应力轴的方位角，使压力传感器传感单元制作的精度进一步提高。而且，基带可以采用透明聚脂薄膜，透光率极高。由光源发出的非相干光透射过基带后只会使光强略微下降，不会改变光强中应力轴方位角的信息，同时可实现定轴布纤，完成光纤、基带实时在线测量与反馈。采用的隔段点胶粘贴工艺可以保持光纤的角度，两胶滴之间的光纤作为压力传感单元，可保证测量的精确度、灵敏度。

附图说明

图1是本发明中保偏光纤定轴布纤装置的结构示意图。

图2是本发明中保偏光纤定轴布纤方法的流程示意图。

图3是本发明中定轴布纤的成品结构示意图。

图中：1、图像处理与控制模块；2、电磁上夹具；3、电磁下夹具；4、紫外固化灯；5、非相干光源；6、成像透镜与CCD；7、旋转电机；8、供纤轮；9、成品轮；10、自动点胶机；11、胶筒；12、基带；13、基带骨架；14、光纤；15、滚轮；16、支架；17、紫外固化胶。

具体实施方式

当保偏光纤铺设在基带上作为压力传感器时，为了保证光纤各点响应的一致性，需要对铺设在基带上保偏光纤的应力轴角度进行精确的测量与控制。本发明所提供的保偏光纤定轴布纤装置及方法，可以实时观测保偏光纤应力轴方位角，并使保偏光纤以预设角度铺设在基带上，作为保偏光纤压力传感器。

如图1所示，本发明所提供的保偏光纤定轴布纤装置包括：应力轴角度检测机构、应力轴控制机构、自动点胶机构、走纤机构、图像处理与控制模块1。图像处理与控制模块1包括图像处理单元和控制单元。

其中，应力轴角度检测机构用于实时检测透射过基带与保偏光纤的光强信息，并将光强信息传送至图像处理单元，由图像处理单元处理、计算后得到应力轴的方位角。应力轴角度检测机构包括非相干光源5、成像透镜和高精度CCD相机，成像透镜和高精度CCD相机集成在一起构成成像透镜与CCD 6。应力轴控制机构用于调整并控制应力轴角度检测机构处待粘贴保偏光纤应力轴的方位角在预设误差范围之内。应力轴控制机构包括旋转电机7和供纤轮8，光纤14（即保偏光纤，本发明实施例中将保偏光纤简称为光纤）缠绕在供纤轮8上，旋转电机7可驱动供纤轮8旋转，进而可由供纤轮8将光纤14输送出去。光纤14输送出去后需与基带12贴合在一起，本发明中基带12缠绕在基带骨架13上，基带12可以为透光率极高的透明聚脂薄膜，也可以是设有检测通孔的金属或纤维非透明基带。基带12通过滚轮15铺设在支架16上，由供纤轮8送出的光纤14与支架16上的基带12贴合在一起，贴合后的光纤14与基带12共同经过应力轴角度检测机构，以对光纤14的应力轴方位角进行检测。因此，在应力轴角度检测机构中，非相干光源5位于支架16上方，非相干光源5发出的非相干光用于照射光纤14和基带12；成像透镜与CCD 6位于支架16下方。非相干光透射过基带与保偏光纤进入成像透镜，后被高精度CCD相机采集，并传送至图像处理单元计算处理。图像处理单元在计算出应力轴的方位角后，由控制单元对应力轴的方位角进行判断，若应力轴方位角在预设误差范围内，则表明此时的应力轴方位角满足要求；若应力轴方位角超出预设误差范围，表明应力轴方位角需要进行调整，此时由控制单元控制旋转电机7驱动供纤轮8使光纤14旋转，以使应力轴方位角在预设误差范围内；若应力轴角度检测机构检测到保偏光纤应力轴方位角仍不满足要求，则继续由控制单元控制旋转电机7使光纤14旋转，直至应力轴方位角满足要求。

应力轴角度检测机构在对光纤14的应力轴方位角进行初始检测时，应保证铺设在支架16上的基带12以及与基带12相贴合的光纤14处于静止状态，因此，本发明中在支架16的后端（即基带12和光纤14被传送出去的一端）设有电磁夹具，电磁夹具包括位于支架16上方的电磁上夹具2和位于支架16下方的电磁下夹具3，给电磁夹具通电，在电磁上夹具2和电磁下夹具3的作用下基带12以及光纤14被夹紧并被固定在支架16上。

当保偏光纤应力轴方位角满足要求后，由自动点胶机构对支架16上的基带12以及光纤14进行点胶工作。自动点胶机构包括自动点胶机10、胶筒11和紫外固化灯4。在控制单元的控制下，自动点胶机10自动滴微量紫外固化胶，紫外固化胶经胶筒11滴到基带12及光纤14上，一般光纤14处于基带12的中心轴线上，因此紫外固化胶滴到基带12中央。紫外固化胶在紫外固化灯4的作用下完全固化，完成点胶工作。紫外固化灯4的点亮与否，可由控制单元进行控制。本发明中在基带12上方中心线上设置两个胶筒11，在自动点胶机10的控制下，两个胶筒11同时进行点胶工作。两胶滴之间的光纤即为一个压力传感单元。当然，设置两胶滴之间的距离应保证既不影响应力轴方位角的检测，又方便用来作为压力传感器单元。如图3所示，图3中示出了定轴布纤的成品结构示意图，图中，光纤14沿基带12的中心线铺设，紫外固化胶17以一定的间隔滴在基带12中央。紫外固化胶17可选用HY-6809A、NOA65或涂覆胶）等。

点胶工作完成后，即可进行下一步的走纤工作。走纤机构包括走纤电机和成品轮9，经应力轴角度检测机构检测，并经自动点胶机构点胶后的光纤14与基带12的起始端缠绕在成品轮9上。成品轮9与走纤电机相接，走纤电机与控制单元相接。在控制单元的控制下，走纤电机可驱动成品轮9旋转，进而可拉动完成粘贴的光纤14与基带12前进，最终缠绕在成品轮9上。走纤机构在拉动光纤14与基带12一同前进时，电磁夹具应该处于断电状态，即：松开光纤14与基带12，使两者能够向前运动。电磁夹具的通电以及断电操作可由控制单元进行控制。

如图2所示，本发明中保偏光纤定轴布纤方法包括以下几个步骤：

步骤一：开始，进行前期的预备工作。

将基带12缠绕在基带骨架13上，光纤14缠绕在供纤轮8上，使光纤14与基带12贴合在一起，并使两者一同经过应力轴角度检测机构后使起始端缠绕在成品轮9上。调整基带12与光纤14的位置使成像透镜与CCD 6采集到清晰的图像并呈现在中央。

步骤二：给电磁夹具通电，在电磁上夹具2和电磁下夹具3的作用下基带12以及光纤14被夹紧固定在支架16上。

步骤三：应力轴角度检测机构实时采集透射光强信息并传送至图像处理单元，图像处理单元对透射光强信息计算处理得到应力轴方位角，并传送至控制单元。

步骤四：控制单元计算应力轴方位角与目标定轴角度的偏差并进行判断；若偏差大于预设误差，则执行步骤五；否则执行步骤六；

步骤五：控制单元发出指令驱动旋转电机7使光纤14旋转，之后执行步骤三。

步骤六：当应力轴方位角满足要求时，控制单元驱动自动点胶机10从胶筒11吐出微量紫外固化胶至基带12中央，保证两胶滴之间的距离既不影响角度观测又方便用来作为压力传感单元。

步骤七：点胶完成后控制单元发出指令点亮紫外固化灯4，紫外固化灯4发出的光照射紫外固化胶至完全固化。

步骤八：控制单元输出指令使电磁夹具断电，基带12以及光纤14被松开。

步骤九：控制单元发出指令驱动走纤电机使成品轮9旋转来拉动光纤14与基带12行走，使光纤14与基带12缠绕在成品轮9上；应力轴角度检测机构实时检测行走光纤的应力轴方位角，若应力轴方位角满足要求则执行步骤六，若不满足要求则走纤机构停止运行，使电磁夹具通电夹紧，执行步骤五，由旋转电机7调整光纤14应力轴方位角直至应力轴方位角满足要求，重复点胶、固化操作。

步骤十：重复步骤三至步骤九操作，使光纤持续行走，重复定轴、点胶粘贴操作直至铺设完成目标长度的基带。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，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)

1.一种保偏光纤定轴布纤装置，其特征是，包括应力轴角度检测机构、应力轴控制机构、自动点胶机构、走纤机构、图像处理单元和控制单元；

所述应力轴角度检测机构用于实时检测透射过基带与保偏光纤的光强信息，并将光强信息传送至图像处理单元；所述应力轴角度检测机构包括非相干光源、成像透镜和高精度CCD相机；所述非相干光源设置在基带及保偏光纤的上方，所述成像透镜和高精度CCD相机设置在基带及保偏光纤的下方；所述非相干光源用于发出非相干光并照射基带及保偏光纤，成像透镜和高精度CCD相机用于采集透射过基带与保偏光纤的光强信息，并将光强信息传送至图像处理单元；

所述图像处理单元用于根据接收到的光强信息计算得到光纤应力轴方位角，并将计算结果发送至控制单元；

所述控制单元分别与所述应力轴控制机构、所述自动点胶机构、所述走纤机构和所述图像处理单元相接；所述控制单元根据图像处理单元发送数据计算应力轴方位角与预设目标角度之间的偏差，若偏差大于预设误差，则控制单元控制应力轴控制机构对保偏光纤进行旋转，以使应力轴方位角与预设目标角度之间的偏差在预设误差范围内；

所述自动点胶机构用于在应力轴方位角与预设目标角度之间的偏差在预设误差范围内时，在控制单元的控制下在基带上进行点胶操作，以使保偏光纤粘在基带上；

所述走纤机构用于在点胶操作完成后在控制单元的控制下驱动基带及其上的保偏光纤行走；

所述走纤机构包括走纤电机以及成品轮；所述走纤电机与所述控制单元相接，在所述控制单元的控制下，所述走纤电机可驱动所述成品轮旋转，进而可使基带及其上的保偏光纤缠绕在成品轮上。

2.根据权利要求1所述的保偏光纤定轴布纤装置，其特征是，所述应力轴控制机构包括旋转电机和供纤轮；保偏光纤缠绕在所述供纤轮上；所述旋转电机与所述控制单元相接，在所述控制单元的控制下，所述旋转电机可驱动所述供纤轮输出保偏光纤，且所述旋转电机可通过所述供纤轮对输出保偏光纤的角度进行调整。

3.根据权利要求1所述的保偏光纤定轴布纤装置，其特征是，所述自动点胶机构包括自动点胶机、胶筒和紫外固化灯；所述自动点胶机和所述紫外固化灯均与控制单元相接；在所述控制单元的控制下，所述自动点胶机可通过胶筒将紫外固化胶滴到基带及保偏光纤上；在所述控制单元的控制下，所述紫外固化灯可点亮从而对滴到基带及保偏光纤上的紫外固化胶进行固化。

4.根据权利要求3所述的保偏光纤定轴布纤装置，其特征是，与所述自动点胶机相接的胶筒的数量为两个，且两个胶筒之间的距离为预设距离。

5.根据权利要求1所述的保偏光纤定轴布纤装置，其特征是，还包括电磁夹具和支架；所述电磁夹具可在通电状况下将基带及其上的保偏光纤夹紧并固定在支架上，以方便进行光纤应力轴方位角检测、光纤应力轴方位角调整以及点胶操作。

6.根据权利要求1所述的保偏光纤定轴布纤装置，其特征是，所述基带为透明基带或设有用于定轴检测通孔的金属或纤维非透明基带。

7.一种保偏光纤定轴布纤方法，其特征是，包括如下步骤：

a、将基带缠绕在基带骨架上，将保偏光纤缠绕在供纤轮上，使保偏光纤与基带贴合在一起，并使两者一同经过应力轴角度检测机构后使起始端缠绕在成品轮上；

b、给电磁夹具通电，以对基带以及保偏光纤进行夹紧；

c、由应力轴角度检测机构实时采集透过保偏光纤与基带的透射光强信息，并由图像处理单元根据透射光强信息对应力轴方位角进行计算，由控制单元判断应力轴方位角是否满足要求；若满足要求则执行步骤e，否则执行步骤d；

d、由控制单元控制旋转电机，驱使供纤轮调整输出的保偏光纤的方向，然后执行步骤c；

e、由控制单元控制自动点胶机构吐出紫外固化胶至基带上，并在紫外固化灯的作用下使紫外固化胶固化，完成使保偏光纤粘贴在基带上的点胶操作；

f、使电磁夹具断电，以松开基带及其上的保偏光纤；

g、由控制单元发出指令驱动走纤电机使成品轮旋转来拉动基带及其上的保偏光纤行走；

h、由应力轴角度检测机构实时检测行走光纤的应力轴方位角，若应力轴方位角满足要求则执行步骤e，若不满足要求则由控制单元控制走纤电机停止工作，使电磁夹具通电，执行步骤d；直至保偏光纤定轴布纤完成。

8.根据权利要求7所述的保偏光纤定轴布纤方法，其特征是，步骤e中自动点胶机构包括自动点胶机、胶筒和紫外固化灯；所述自动点胶机可在控制单元的控制下，通过胶筒将紫外固化胶滴至基带上；所述胶筒的数量为两个，两个胶筒可同时滴胶；两个胶筒之间的距离为预设距离。

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