CN113624625B - 用于定量评价光纤软硬度的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于定量评价光纤软硬度的测试装置及方法，包括测试平台，测试平台上设有悬挂测试架，悬挂测试架包括第一支撑架，第一支撑架上端设有悬挂杆，悬挂杆下方设有水平布置的第一测试尺，悬挂杆用于承托待测光纤的中部，第一测试尺用于测量待测光纤两端下垂段与悬挂杆之间的水平距离，测试装置无须使用复杂的硬度仪器，通过测试光纤受自重的弯曲量即可定量评价光纤轴向软硬度，测试结果直观，易于观察，且成本低，效率高。

Description

用于定量评价光纤软硬度的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤制造领域，尤其是涉及一种用于定量评价光纤软硬度的测试装置及方法。

背景技术

光纤（Optical Fiber）的典型结构是多层同轴圆柱体，自内向外由纤芯、包层和涂覆层三部分组成，涂覆层又分内涂覆层和外涂覆层，其中内涂层软、模量低（几兆帕），保护光纤免受机械损伤，影响拉出力，外涂层硬、模量高（几千兆帕），耐磨性好，决定涂层剥离力。光纤制造中，对内外涂覆层的黏度、模量、玻璃化转变温度、固化速度、折射率和吸水率等性能参数有一定要求。特别地，涂料固化膜的模量和光纤本身硬度有一定相关性，涂料的性质影响着光纤材料性能，最终体现在光纤绕制成环工艺中。因此，成环质量和光纤环的性能参数对光纤性能以及光纤涂料的研发具有反向指导意义。

轴向软硬度的测量，有助于帮助光纤的研发，例如用于选择纤芯、包层和涂覆层的材质以及结构厚度，用于选择相应的加工工艺，用于选择、研发和优化绕制光纤环的自动化加工设备，以及加工工艺，因此对于光纤的轴向软硬度检测对光纤环的研发具有重要的指导和反馈意义。

另外，光纤陀螺用光纤环圈和光纤水听器敏感探测元件都需要分别对保偏光纤和弯曲不敏感单模光纤进行环圈的绕制，绕制过程多为人工绕制，光纤轴向软硬度涉及绕制的最小弯曲半径的选择和粘合剂以及控制参数的选择。 目前，定量评价光纤软硬度的测试方法只针对光纤横纵向方向的硬度进行表征，可用肖氏硬度计和维氏硬度计测量，一定长度光纤轴向（长度方向）软硬度的定量分析方法暂时没有，而光纤轴向软硬度直接影响光纤绕制成环的难易度，进而影响成环成品率和成环效率。现有技术参见CN 111122321 A一种光纤外涂覆层原位模量测试方法中记载的结构，该专利主要通过测定涂覆层的杨氏模量反映光纤外层的硬度，但是用于评价光纤整体软硬并不是太准确，因此，寻找合适可靠的方法定量评价光纤轴向软硬度至关重要。

发明内容

本发明提供了一种用于定量评价光纤软硬度的测试装置及方法，解决了对于光纤轴向软硬度定量评价的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于定量评价光纤软硬度的测试装置，包括测试平台，测试平台上设有悬挂测试架，悬挂测试架包括第一支撑架，第一支撑架上端设有悬挂杆，悬挂杆下方设有水平布置的第一测试尺，悬挂杆用于承托待测光纤的中部，第一测试尺用于测量待测光纤两端下垂段与悬挂杆之间的水平距离。

优选的方案中，测试平台上设有防风罩，悬挂测试架设在防风罩内部，防风罩前侧设有第一视窗和可打开的光纤取放门。

优选的方案中，测试平台设在温湿度控制房中，防风罩内还设有温湿度计。

优选的方案中，悬挂测试架上还设有与第一测试尺材质不同的第二测试尺，第二测试尺与第一测试尺等高布置。

优选的方案中，测试平台上还设有第二支撑架，第二支撑架上端设有吊挂装置，吊挂装置包括吊架和第一驱动装置，第一驱动装置驱动吊架上下运动，吊架下端设有至少两个托杆，托杆用于托住待测光纤两端，托杆一侧设有插销气缸，插销气缸驱动托杆滑动。

优选的方案中，吊架两侧设有对中装置，对中装置包括对中块，对中块一端连接有滑杆，滑杆与第二支撑架滑动连接，滑杆一端还设有第二驱动装置，第二驱动装置驱动滑杆左右滑动。

优选的方案中，测试平台下端至少四角设有第二地脚，测试平台上设有水平仪；

吊挂装置还包括连接板，第一驱动装置与连接板连接，吊架与第一驱动装置滑动连接，连接板下侧至少四角设有第二调平装置，吊挂装置通过第二调平装置与第二支撑架连接，吊架上靠近托杆处设有第二倾角传感器；

第一支撑架下端至少四角设有第一调平装置，悬挂测试架通过第一调平装置与测试平台连接，第一支撑架上端靠近悬挂杆处设有第一倾角传感器；

托杆上还设有压电传感器，压电传感器与待测光纤接触。

优选的方案中，第一调平装置与第二调平装置结构相同，第一调平装置包括第一地脚，第一地脚与测试平台连接，第一地脚上端设有连接座，连接座上端设有导向槽，导向槽中设有顶块，顶块沿导向槽上下滑动，顶块与连接座之间设有楔形块，还设有驱动电机，驱动电机一端设有螺杆，螺杆通过驱动电机驱动导向槽侧向滑动以使顶块上下滑动，顶块与第一支撑架连接。

包括测试方法，

S1、设定温湿度控制房中的温度和湿度，等待一定时间使防风罩内的温度和湿度达到测试要求；

S2、取待测光纤，将待测光纤中点置于悬挂杆上，待测光纤两端自然下垂；

S3、静置一定时间使待测光纤稳定，读取待测光纤两端自然下垂段与第一测试尺交点处距离悬挂杆的水平距离。

优选的方案中，S2还包括具体步骤，

S21、调整测试平台下端的各第二地脚，同时观测水平仪，使测试平台上端面处于水平状态；

S22、将水平仪放置到第一支撑架上端面，调整各第一调平装置的第一地脚，使第一支撑架上端面水平，以同样方式调整第二调平装置使吊挂装置的连接板处于水平状态；

S23、对中装置启动，两个对中块对中移动到设定位置；

S24、取待测光纤，将待测光纤的两端面沿对中块侧面向下移动直到待测光纤两端置于吊架的托杆上；

S25、通过压电传感器监测待测光纤两端的托杆受到的压力值，通过第二驱动装置驱动对中块推动待测光纤左右移动以使两个托杆受到的压力相等；

S26、使待测光纤静置一段时间，通过第一倾角传感器和第二倾角传感器监测悬挂测试架和吊挂装置的水平状态，若水平状态发生改变，通过电控调整各第一调平装置和第二调平装置的高度以使悬挂测试架和吊挂装置回到水平状态，同时重复S25；

S27、通过第一驱动装置驱动吊架下降，将待测光纤放置在悬挂杆上，吊架继续下降直到托杆与待测光纤两端脱离；

S28、通过插销气缸驱动托杆缩回，吊架上升并复位。

本发明的有益效果为：测试装置无须使用复杂的硬度仪器，通过测试光纤受自重的弯曲量即可定量评价光纤轴向软硬度，测试结果直观，易于观察，且成本低，效率高；测试平台至于温湿度控制房中，可根据控制测试温湿度贴近实际使用环境，时结果更加准确；设有防风罩，防止气流扰动光纤，干扰试验结果；通过多个地脚、自动调平装置以及倾角传感器等监测装置的配合使用，保证悬挂测试架、吊挂装置等处于水平状态，减小试验装置自身的系统误差，进一步提升测试准确度；测试原理贴近光纤的绕制应用场景，通过定量评测光纤周向硬度，能够有效改善光纤环的实际生产质量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的布局示意图。

图2是本发明的正视示意图。

图3是本发明的侧视结构图。

图4是本发明的悬挂测试架示意图。

图5是本发明的吊挂装置示意图。

图6是本发明的悬挂测试架与吊挂装置配合示意图。

图7是本发明的对中装置示意图。

图8是本发明的第一调平装置示意图。

图中：测试平台1；隔振沟101；悬挂测试架2；第一支撑架201；第一测试尺202；第二测试尺203；悬挂杆204；第一调整母205；第二支撑架3；防风罩4；光纤取放门401；第一视窗402；第二视窗403；吊挂装置5；吊架501；托杆502；连接板503；第一驱动装置504；插销气缸505；连接块506；导杆507；压电传感器508；第二调整母509；对中装置6；对中块601；滑杆602；第二驱动装置603；温湿度控制房7；待测光纤8；第一调平装置9；第一地脚901；连接座902；导向槽903；顶块904；楔形块905；螺杆906；驱动电机907；隔振垫908；第二地脚10；第一倾角传感器11；温湿度计12；水平仪13；第二调平装置14；第二倾角传感器15。

具体实施方式

实施例1：

如图1-8中，一种用于定量评价光纤软硬度的测试装置，包括测试平台1，测试平台1上设有悬挂测试架2，悬挂测试架2包括第一支撑架201，第一支撑架201上端设有悬挂杆204，悬挂杆204下方设有水平布置的第一测试尺202，悬挂杆204用于承托待测光纤8的中部，悬挂杆204上设有两个第一调整母205，用于卡住待测光纤8，防止其偏转，第一调整母205与悬挂杆204螺纹连接，两个第一调整母205之间的间距可调，用于适应不同直径的待测光纤8，第一测试尺202用于测量待测光纤8两端下垂段与悬挂杆204之间的水平距离，悬挂杆204离第一测试尺202的距离根据测试需要而定，第一测试尺202中间为零刻度，在观察方向上，零刻度位于悬挂杆204正下方，左右的刻度关于悬挂杆204与零刻度的连线对称布置，便于观察光纤两端下垂量是否均等，由于测试不同的光纤时悬挂杆204离第一测试尺202的距离相同，因此可比较不同的待测光纤8下垂的两端与第一测试尺202的交点之间的距离即可衡量光纤的轴向软硬度，光纤轴向软硬度越硬，交点之间的距离越大，越软越小。

优选的方案中，测试平台1上设有防风罩4，悬挂测试架2设在防风罩4内部，防止外部气流扰动光纤，造成光纤晃动，防风罩4前侧设有第一视窗402和可打开的光纤取放门401，第一视窗402为透明材质，便于观察测试结果。

优选的方案中，测试平台1设在温湿度控制房7中，防风罩4内还设有温湿度计12，温湿度可设定为与光纤实际应用场景一致，使测试更加准确，同时，可测试极端温湿度条件下，光纤软硬度的变化，对于光纤实际应用环境给予指导性建议。

优选的方案中，悬挂测试架2上还设有与第一测试尺202材质不同的第二测试尺203，第二测试尺203与第一测试尺202等高布置。

第一测试尺202材质可选用与光纤相同的玻璃材质，第二测试尺203可选用铝制或钢制，测试不同温度下光纤轴向软硬度时，由于第一测试尺202与光纤均会受温度变化而产生热膨胀，利于待测光纤8伸长L1，第一测试尺202伸长L2，实际读出的待测光纤8伸长为L1-L2，无法测出准确的待测光纤8下垂的两端与第一测试尺202的交点之间的距离，此时引入第二测试尺203，由于其材质与第一测试尺202不同，因此受热膨胀的伸长量也与第一测试尺202不同，由于第一测试尺202与第二测试尺203材质已知，膨胀率关系已知，因此可利用该关系推算出第一测试尺202在常温下的原始长度，屏蔽掉温度膨胀对于第一测试尺202的影响，防风罩4后侧设有透明的第二视窗403，便于从另一面观察第二测试尺203的读数。

优选的方案中，测试平台1上还设有第二支撑架3，第二支撑架3上端设有吊挂装置5，吊挂装置5包括吊架501和第一驱动装置504，第一驱动装置504驱动吊架501上下运动，吊架501下端设有至少两个托杆502，两个托杆502到悬挂杆204的距离相等，托杆502用于托住待测光纤8两端，每个托杆502上螺纹连接有两个第二调整母509，两个第二调整母509之间的间距可调整以适应不同直径的待测光纤8，托杆502一侧设有插销气缸505，插销气缸505的伸出端设有连接块506，连接块506上设有导杆507，导杆507与吊架501滑动连接，防止托杆502自转，插销气缸505驱动托杆502滑动。

优选的方案中，吊架501两侧设有对中装置6，对中装置6包括对中块601，对中块601设有用于导向的倒角，两个对中块601离悬挂杆204的距离相等，两个对中块601对中移动至间距与待测光纤8长度相等，此时待测光纤8沿着两个对中块601下放时，中点正好对准悬挂杆204，对中块601一端连接有滑杆602，滑杆602与第二支撑架3滑动连接，滑杆602一端还设有第二驱动装置603，第二驱动装置603驱动滑杆602带动对中块601左右滑动，可调整待测光纤8的左右位置。

优选的方案中，测试平台1下端至少四角设有第二地脚10，测试平台1上设有可取下的水平仪13，方便手动调整测试平台1水平度，水平仪13可放置其它位置使用；

吊挂装置5还包括连接板503，第一驱动装置504与连接板503连接，吊架501与第一驱动装置504滑动连接，连接板503下侧至少四角设有第二调平装置14，吊挂装置5通过第二调平装置14与第二支撑架3连接，吊架501上靠近托杆502处设有第二倾角传感器15，动态监测吊架501的水平状态；

第一支撑架201下端至少四角设有第一调平装置9，悬挂测试架2通过第一调平装置9与测试平台1连接，第一支撑架201上端靠近悬挂杆204处设有第一倾角传感器11，动态监测悬挂测试架2的水平状态；

托杆502上还设有压电传感器508，压电传感器508与待测光纤8接触，检测托杆502受到的压力状态，在第二倾角传感器15显示吊架501处于水平时，若两托杆502受力相等，则说明两托杆502到待测光纤8中点距离相等，确保放置时待测光纤8中点接触悬挂杆204。

优选的方案中，第一调平装置9与第二调平装置14结构相同，第一调平装置9包括第一地脚901，第一地脚901与测试平台1连接，第一地脚901上端设有连接座902，连接座902上端设有导向槽903，导向槽903中设有顶块904，顶块904沿导向槽903上下滑动，顶块904与连接座902之间设有楔形块905，还设有驱动电机907，驱动电机907一端设有螺杆906，螺杆906通过驱动电机907驱动导向槽903侧向滑动以使顶块904上下滑动，顶块904与第一支撑架201连接。

测试前先手动调整各第一地脚901和各第二地脚10使测试平台1、第二支撑架3和悬挂测试架2等装置处于水平状态，防止倾斜测试造成误差，但由于测试装置的反复使用，测试时机构运动、装置间的碰撞振动等都会使水平状态改变，因此采用第一倾角传感器11和第二倾角传感器15动态监测水平状态，通过驱动装置及时调整，保证系统误差尽可能的小，另外，测试平台1上还设有多道隔振沟101，第一调平装置9底端设有隔振垫908，减小机构运动时的振动对悬挂测试架2的影响。

测试方法如下，

S1、设定温湿度控制房7中的温度和湿度，等待一定时间使防风罩4内的温度和湿度达到测试要求；

S2、取待测光纤8，将待测光纤8中点置于悬挂杆204上，待测光纤8两端自然下垂；

S3、静置一定时间使待测光纤8稳定，读取待测光纤8两端自然下垂段与第一测试尺202交点处距离悬挂杆204的水平距离。

记录不同的待测光纤8测出的交点距离，交点距离越大，说明光纤轴向软硬度越硬，可用于生产的光纤环直径宜越大，根据不同光纤的测出的交点距离的定量值对应宜生产的光纤环直径值，起到指导生产的作用，例如将光纤环直径与测得的交点水平距离值一一对应做成软硬度查询表，帮助工程师快速选型。

优选的方案中，S2还包括具体步骤，

S21、调整测试平台1下端的各第二地脚10，同时观测水平仪13，使测试平台1上端面处于水平状态；

S22、将水平仪13放置到第一支撑架201上端面，调整各第一调平装置9的第一地脚901，使第一支撑架201上端面水平，以同样方式调整第二调平装置14使吊挂装置5的连接板503处于水平状态；

S23、对中装置6启动，两个对中块601对中移动到设定位置；

S24、取待测光纤8，将待测光纤8的两端面沿对中块601侧面向下移动直到待测光纤8两端置于吊架501的托杆502上；

S25、通过压电传感器508监测待测光纤8两端的托杆502受到的压力值，通过第二驱动装置603驱动对中块601推动待测光纤8左右移动以使两个托杆502受到的压力相等；

S26、使待测光纤8静置一段时间，通过第一倾角传感器11和第二倾角传感器15监测悬挂测试架2和吊挂装置5的水平状态，若水平状态发生改变，通过电控调整各第一调平装置9和第二调平装置14的高度以使悬挂测试架2和吊挂装置5回到水平状态，同时重复S25；

S27、通过第一驱动装置504驱动吊架501下降，将待测光纤8放置在悬挂杆204上，吊架501继续下降直到托杆502与待测光纤8两端脱离；

S28、通过插销气缸505驱动托杆502缩回，吊架501上升并复位。

实施例2：

待测试光纤样品有三组，分别记为：样品1、样品2、样品3，三组样品的裸光纤外径均为80μm，外涂层直径135μm，但是光纤内外涂层的种类不同，模量和软硬度均不同，待测光纤已知软硬度性质，即硬度大小排序：样品3>样品2>样品1。

分别在不同光纤盘上取2米长光纤样品1、样品2和样品3。

将待测光纤的中点位置悬挂在悬挂杆上，在重力作用下自然松弛下垂。

静置5min后，读取刻度尺读数，重复三次取平均值，得到结果如下，

样品1模量为1100Mpa，对应测得的交点水平距离为79.7mm；

样品2模量为1500Mpa，对应测得的交点水平距离为82.5mm；

样品3模量为2100Mpa，对应测得的交点水平距离为85.1mm；

因此可以从结果可以判断硬度大小排序：样品3>样品2>样品1，测试结构与已知硬度状况相符合。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于定量评价光纤软硬度的测试装置，其特征是：包括测试平台（1），测试平台（1）上设有悬挂测试架（2），悬挂测试架（2）包括第一支撑架（201），第一支撑架（201）上端设有悬挂杆（204），悬挂杆（204）下方设有水平布置的第一测试尺（202），悬挂杆（204）用于承托待测光纤（8）的中部，第一测试尺（202）用于测量待测光纤（8）两端下垂段与悬挂杆（204）之间的水平距离；

测试平台（1）上设有防风罩（4），悬挂测试架（2）设在防风罩（4）内部，防风罩（4）前侧设有第一视窗（402）和可打开的光纤取放门（401）；

测试平台（1）上还设有第二支撑架（3），第二支撑架（3）上端设有吊挂装置（5），吊挂装置（5）包括吊架（501）和第一驱动装置（504），第一驱动装置（504）驱动吊架（501）上下运动，吊架（501）下端设有至少两个托杆（502），托杆（502）用于托住待测光纤（8）两端，托杆（502）一侧设有插销气缸（505），插销气缸（505）驱动托杆（502）滑动；

吊架（501）两侧设有对中装置（6），对中装置（6）包括对中块（601），对中块（601）一端连接有滑杆（602），滑杆（602）与第二支撑架（3）滑动连接，滑杆（602）一端还设有第二驱动装置（603），第二驱动装置（603）驱动滑杆（602）左右滑动。

2.根据权利要求1所述用于定量评价光纤软硬度的测试装置，其特征是：测试平台（1）设在温湿度控制房（7）中，防风罩（4）内还设有温湿度计（12）。

3.根据权利要求2所述用于定量评价光纤软硬度的测试装置，其特征是：悬挂测试架（2）上还设有与第一测试尺（202）材质不同的第二测试尺（203），第二测试尺（203）与第一测试尺（202）等高布置。

4.根据权利要求1所述用于定量评价光纤软硬度的测试装置，其特征是：测试平台（1）下端至少四角设有第二地脚（10），测试平台（1）上设有水平仪（13）；

吊挂装置（5）还包括连接板（503），第一驱动装置（504）与连接板（503）连接，吊架（501）与第一驱动装置（504）滑动连接，连接板（503）下侧至少四角设有第二调平装置（14），吊挂装置（5）通过第二调平装置（14）与第二支撑架（3）连接，吊架（501）上靠近托杆（502）处设有第二倾角传感器（15）；

第一支撑架（201）下端至少四角设有第一调平装置（9），悬挂测试架（2）通过第一调平装置（9）与测试平台（1）连接，第一支撑架（201）上端靠近悬挂杆（204）处设有第一倾角传感器（11）；

托杆（502）上还设有压电传感器（508），压电传感器（508）与待测光纤（8）接触。

5.根据权利要求4所述用于定量评价光纤软硬度的测试装置，其特征是：第一调平装置（9）与第二调平装置（14）结构相同，第一调平装置（9）包括第一地脚（901），第一地脚（901）与测试平台（1）连接，第一地脚（901）上端设有连接座（902），连接座（902）上端设有导向槽（903），导向槽（903）中设有顶块（904），顶块（904）沿导向槽（903）上下滑动，顶块（904）与连接座（902）之间设有楔形块（905），还设有驱动电机（907），驱动电机（907）一端设有螺杆（906），螺杆（906）通过驱动电机（907）驱动导向槽（903）侧向滑动以使顶块（904）上下滑动，顶块（904）与第一支撑架（201）连接。

6.一种使用权利要求1~5任意一项所述用于定量评价光纤软硬度的测试装置的测试方法，其特征是：

S1、设定温湿度控制房（7）中的温度和湿度，等待一定时间使防风罩（4）内的温度和湿度达到测试要求；

S2、取待测光纤（8），将待测光纤（8）中点置于悬挂杆（204）上，待测光纤（8）两端自然下垂；

S3、静置一定时间使待测光纤（8）稳定，读取待测光纤（8）两端自然下垂段与第一测试尺（202）交点处距离悬挂杆（204）的水平距离。

7.根据权利要求6所述用于定量评价光纤软硬度的测试装置的测试方法，其特征是：S2还包括具体步骤，

S21、调整测试平台（1）下端的各第二地脚（10），同时观测水平仪（13），使测试平台（1）上端面处于水平状态；

S22、连接板（503）下侧至少四角设有第二调平装置（14），吊挂装置（5）通过第二调平装置（14）与第二支撑架（3）连接，第一支撑架（201）下端至少四角设有第一调平装置（9），悬挂测试架（2）通过第一调平装置（9）与测试平台（1）连接，第一调平装置（9）与第二调平装置（14）结构相同，吊挂装置（5）还包括连接板（503），第一驱动装置（504）与连接板（503）连接，第一调平装置（9）包括第一地脚（901），第一地脚（901）与测试平台（1）连接，将水平仪（13）放置到第一支撑架（201）上端面，调整各第一调平装置（9）的第一地脚（901），使第一支撑架（201）上端面水平，以同样方式调整第二调平装置（14）使吊挂装置（5）的连接板（503）处于水平状态；

S23、对中装置（6）启动，两个对中块（601）对中移动到设定位置；

S24、取待测光纤（8），将待测光纤（8）的两端面沿对中块（601）侧面向下移动直到待测光纤（8）两端置于吊架（501）的托杆（502）上；

S25、通过压电传感器（508）监测待测光纤（8）两端的托杆（502）受到的压力值，通过第二驱动装置（603）驱动对中块（601）推动待测光纤（8）左右移动以使两个托杆（502）受到的压力相等；

S26、使待测光纤（8）静置一段时间，通过第一倾角传感器（11）和第二倾角传感器（15）监测悬挂测试架（2）和吊挂装置（5）的水平状态，若水平状态发生改变，通过电控调整各第一调平装置（9）和第二调平装置（14）的高度以使悬挂测试架（2）和吊挂装置（5）回到水平状态，同时重复S25；

S27、通过第一驱动装置（504）驱动吊架（501）下降，将待测光纤（8）放置在悬挂杆（204）上，吊架（501）继续下降直到托杆（502）与待测光纤（8）两端脱离；

S28、通过插销气缸（505）驱动托杆（502）缩回，吊架（501）上升并复位。

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