CN114046963A - 一种寻找光纤应力轴目标方位角的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种寻找光纤应力轴目标方位角的方法，包括：调整光纤在透光载物台上的位置，确保光纤应力轴检测装置能够采集到清晰的图像；使用视觉模拟软件拟合出光纤的截面，结合光纤现有参数和拟合出的光纤截面各层结构的比例关系得到光纤各层结构的真实尺寸；通过光纤应力轴检测装置采集光纤在若干个特殊方位角下图像，确认第三边界与第四边界的距离是最灵敏的变量，定义为特征条纹宽度；通过测量出的特征条纹宽度得到当前状态下的方位角，比较测量得到的方位角与目标方位角的偏差；若偏差大于预设误差，光纤应力轴扭转装置驱动光纤顺时针或逆时针旋转，直至应力轴的方位角至预设误差内。该方法能够实现对保偏光纤应力轴方位角的精确控制。

Description

一种寻找光纤应力轴目标方位角的方法

技术领域

本发明涉及光纤应力轴测试领域，特别涉及一种寻找光纤应力轴目标方位角的方法。

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。

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，对于如何具体的测量出保偏光纤偏振应力轴的方位角，还未见公开与报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种寻找光纤应力轴目标方位角的方法，该方法可以实现对保偏光纤应力轴方位角的精确控制。

本发明通过以下技术方案实现：

8.一种寻找光纤应力轴目标方位角的方法，步骤包括：

调整光纤在透光载物台上的位置，确保光纤应力轴检测装置能够采集到清晰的图像并呈现在视野中央；

使用视觉模拟软件拟合出光纤的截面，结合光纤的现有参数和拟合出的光纤截面各层结构的比例关系，得出真实光纤截面端各层结构的真实尺寸；

两个应力轴的中心连线与透光载物台所在平面组成的夹角为方位角，光纤应力轴检测装置采集光纤在若干个特殊方位角下图像，并分析特殊状态下采集的结果，确认光纤在旋转过程中，包层外边界与应力轴外边界之间的距离是最灵敏的变量,定义为特征条纹宽度；

光纤应力轴扭转装置控制透光载物台上的光纤旋转一周，光纤应力轴检测装置记录并存储光纤不同方位角下所对应的特征条纹宽度；

通过测量出的特征条纹宽度得到当前状态下的方位角，比较测量得到的方位角与目标方位角的偏差；

若偏差大于预设误差，应力轴检测装置控制光纤应力轴扭转装置驱动光纤顺时针或逆时针旋转，直至应力轴的方位角至预设误差范围内。

进一步的，所述步骤：调整光纤在透光载物台上的位置，确保光纤应力轴检测装置能够采集到清晰的图像并呈现在视野中央，具体包括：

调整成像透镜的位置确保成像透镜能接收到清晰有效的图像，CCD相机将成像透镜采集到的光信号转换为电信号发送给上位机，上位机对图像进行处理。

进一步的，所述步骤：使用视觉模拟软件拟合出光纤的截面，结合光纤的现有参数和拟合出的光纤截面各层结构的比例关系，得出真实光纤截面端各层结构的真实尺寸，具体包括：

光纤的截面由外到内分别为涂覆层，包层，应力轴和纤芯，涂覆层的半径为r1，包层半径为r3，应力轴的半径为r4，应力轴中心与纤芯中心的距离是r5，由于r3、r4和r5之间的比例关系确定，且r3已知，可以得到r4和r5的大小。

进一步的，所述步骤：两个应力轴的中心连线与透光载物台所在平面组成的夹角为方位角，光纤应力轴检测装置采集光纤在若干个特殊方位角下图像，并分析特殊状态下采集的结果，确认光纤在旋转过程中，包层外边界与应力轴外边界之间的距离是最灵敏的变量,定义为特征条纹宽度，具体包括：

干个特殊方位角指的是方位角分别为90°、45°和0°下，在这三种状态下寻找条纹变化最明显的条纹宽度。

进一步的，所述步骤：若偏差大于预设误差，光纤应力轴扭转装置驱动光纤顺时针或逆时针旋转，直至应力轴的方位角至预设误差内，具体包括：

若偏差大于预设误差范围，电机驱动供纤轮顺时针或逆时针旋转，直至应力轴的方位角至预设误差内。

进一步的，所述视觉模拟软件选用Vision Assistant。

进一步的，所述预设误差范围为±5°。

相比于现有技术，本发明的优点在于：

1、光纤表面具有涂覆层，光纤放置在透光载物台上，盖玻片压紧光纤，光纤下面设置有光源，光源发出的光线穿过光纤后被成像透镜采集，CCD相机将成像透镜采集的光信号转换为电信号发送给上位机，上位机计算出光纤应力轴方位角，解决了带涂覆层光纤应力轴方位角的识别，并且能够精确控制铺设在基带上保偏光纤应力轴的方位角，能够使压力传感器传感单元制作的精度进一步提高。

2、电机驱动供纤轮控制透光载物台上的光纤旋转一周，上位机记录并存储光纤不同方位角下的对应的特征条纹宽度，按照计算公式得到特征条纹宽度与方位角的关系，并得到条纹宽度与方位角的特征曲线；测量时，上位机得到CCD相机的发送的图像电信号后，测得的特征条纹宽度后按照特征曲线计算方位角，如果测得的方位角在误差范围内，表示合格，否则上位机控制电机驱动供纤轮旋转，直到方位角符合要求，在供纤轮旋转的过程中，上位机可以实时检测方位角的角度变化，实现了实现对保偏光纤应力轴方位角的精确控制。

附图说明

图1为本发明一实施例的保偏光纤应力轴方位角测试装置；

图2为光线穿过光纤时的轨迹示意图；

图3为光纤截面示意图；

图4为方位角分别为90°、45°、0°下的采集图像和应力轴位置；

图5为特征条纹宽度与应力轴方位角关系的特征曲线；

图6为应力轴方位角检测流程图。

1-透光载物台；2-基带；3-光纤应力轴检测装置、30-光源、31-成像透镜、32-CCD相机、33-上位机；4-光纤应力轴扭转装置、40-电机、41-供纤轮；5-压片、6-盖玻片、7-光纤、70-涂覆层、71-包层、72-应力轴、73-纤芯；8-限位柱；a-方位角；d3-特征条纹宽度。

具体实施方式

以下结合较佳实施例及其附图对发明技术方案作进一步非限制性的详细说明。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明一实施例的一种寻找光纤应力轴目标方位角的方法，包括以下步骤：

9.一种寻找光纤应力轴目标方位角的方法，其特征在于，步骤包括：

调整光纤7在透光载物台1上的位置，确保光纤应力轴检测装置3能够采集到清晰的图像并呈现在视野中央；

使用视觉模拟软件拟合出光纤7的截面，结合光纤7的现有参数和拟合出的光纤7截面各层结构的比例关系，得出真实光纤7截面端各层结构的真实尺寸；

两个应力轴72的中心连线与透光载物台1所在平面组成的夹角为方位角a，光纤应力轴检测装置3采集光纤7在若干个特殊方位角a下图像，并分析特殊状态下采集的结果，确认光纤7在旋转过程中，包层71的外边界与应力轴72的外边界之间的距离是最灵敏的变量,定义为特征条纹宽度d3；

光纤应力轴扭转装置4控制透光载物台1上的光纤7旋转一周，光纤应力轴检测装置3记录并存储光纤7不同方位角a下所对应的特征条纹宽度d3；

通过测量出的特征条纹宽度d3得到当前状态下的方位角a，比较测量得到的方位角a与目标方位角a的偏差；

若偏差大于预设误差，应力轴检测装置3控制光纤应力轴扭转装置4驱动光纤7顺时针或逆时针旋转，直至应力轴72的方位角a至预设误差范围内。

寻找光纤应力轴目标方位角的方法所使用的装置参考图1，该装置包括透光载物台1、调整应力轴检测装置3、光纤应力轴扭转装置4，透光载物台1上设置有基带2、压片5、盖玻片6和限位柱8，基带2设置在光纤7和透光载物台1之间，压片5和盖玻片6设置在光纤7上，限位柱8和所述压片5相邻设置，光纤7容纳在限位柱8中。

调整应力轴检测装置3包括光源30、成像透镜31、CCD相机32和上位机33，光源30和成像透镜31设置在所述光纤7的两侧，CCD相机32一端和所述成像透镜31连接、另一端和上位机33连接。光源30发出的光依次穿过透光载物台1、光纤7、盖玻片6，最终被成像透镜31采集，CCD相机32将成像透镜31采集的光信号转换为电信号发送给上位机33，上位机33计算出光纤7的应力轴72的方位角a，解决了带有涂覆层70的光纤7的应力轴72的方位角a的识别，并且能够精确控制铺设在基带2上保偏光纤7的应力轴72的方位角a，能够使压力传感器传感单元制作的精度进一步提高。

光纤应力轴扭转装置4包括电机40和供纤轮41，电机40和供纤轮41连接的同时与上位机33电连接。如果上位机33测得的方位角a与目标方位角a的偏差在误差范围内，则方位角a满足要求；否则上位机33控制电机40驱动和供纤轮41顺时针或逆时针旋转，知道方位角a与目标方位角a的偏差在误差范围内，实现方位角a的自动调整并实时监测。

如图2所示，方位角a是由两个应力轴72的中心连线与透光载物台1所在平面组成的夹角。

步骤：调整光纤7在透光载物台1上的位置，确保光纤应力轴检测装置3能够采集到清晰的图像并呈现在视野中央，具体包括：

调整成像透镜31的位置确保成像透镜31能接收到清晰有效的图像，CCD相机32将成像透镜31采集到的光信号转换为电信号发送给上位机33，上位机33对图像进行处理。

如图3所示，步骤：使用视觉模拟软件拟合出光纤7的截面，结合光纤7的现有参数和拟合出的光纤7截面各层结构的比例关系，得出真实光纤7截面端各层结构的真实尺寸，具体包括：

使用电脑模拟软件Vision Assistant拟合出光纤7的截面，光纤7的截面由外到内分别为涂覆层70，包层71，应力轴72和纤芯73，涂覆层70的半径为r1，包层71半径为r3，应力轴72的半径为r4，应力轴72中心与纤芯73中心的距离是r5，由于r3、r4和r5之间的比例关系确定，且r3已知，可以求出r4和r5的大小。

具体计算：根据光纤7的几何尺寸计算得到此条纹宽度的理论公式为：

d3＝k(r3-r4-r5cosa) (1.1)

其中k是成像系统的放大倍数，r3是包层71的半径，r4是应力轴72的半径，r5是应力轴72中心与纤芯73中心的距离，a为方位角；在r3已知的情况下，根据采集图像中各层结构的比例关系得到r4、r5的真实大小，其中r3、r4、r5的单位为um,进一步得到条纹宽度的表达式为：

d3/k＝C₁-C₂cosa (1.2)

其中,C₁为常数，C₁＝r3-r4；C₂为常数，C₂＝r5；

得到特征条纹宽度d3与方位角a的关系式。

如图4所示，步骤：两个应力轴72的中心连线与透光载物台1所在平面组成的夹角为方位角a，光纤应力轴检测装置3采集光纤7在若干个特殊方位角a下图像，并分析特殊状态下采集的结果，确认光纤7在旋转过程中，包层71的外边界与应力轴72的外边界之间的距离是最灵敏的变量,定义为特征条纹宽度d3，具体包括：

干个特殊方位角a指的是方位角a分别为90°、45°和0°下，在这三种状态下寻找条纹宽度，得到变化最明显的为条纹。从图中可以看出，条纹宽度变化最明显的是包层71外界面与应力轴72外界面之间的距离，定义为特征条纹宽度d3，在光纤7逆时针旋转的过程中，特征条纹宽度d3在减小，当光纤7的两应力轴72左右排列即为0°时，特征条纹宽度d3最小，若光纤7继续旋转，特征条纹宽度d3又会增大。

如图6所示，步骤：若偏差大于预设误差，光纤应力轴扭转装置4驱动光纤7顺时针或逆时针旋转，直至应力轴72的方位角a至预设误差内，具体包括：

若偏差大于误差范围，电机40驱动供纤轮41顺时针或逆时针旋转，直至应力轴72的方位角a至预设误差内。本实施例中，通常设置误差允许范围为±5°，如需要高精度要求可设置为±3°，具体误差设置范围可根据实际要求进行任意调整。

调整成像透镜31的位置确保成像透镜31能接收到清晰有效的图像，CCD相机32将成像透镜31采集到的光信号转换为电信号发送给上位机33，上位机33对图像进行处理计算，得到当前状态应力轴72的方位角a。若测得的方位角a与目标方位角a之间的偏差大于误差范围，电机40驱动供纤轮41顺时针或逆时针旋转，直至应力轴72的方位角a至预设误差内。实现了方位角a的自动反馈调整，实现了自动化测量。

如图5所示，本实施例中的光纤7为熊猫型保偏光纤，下面简称保偏光纤，特征条纹宽度d3的特征曲线中可以看出特征条纹宽度d3在应力轴72的方位角a为±90°时最大，在0°时最小，由于保偏光纤中两应力轴72大小相同，且关于纤芯73对称，因此特征曲线的周期为180°。由于保偏光纤的旋转对称结构，如特征曲线中所示，+α和﹣α所对应的特征条纹宽度d3是相同的，因此可能会在识别过程中出现混淆导致保偏光纤旋转了90°而无法区分+α和﹣α。为了避免在应力轴72的方位角a测量时由于保偏光纤应力轴检测装置3无法区分+α和﹣α而导致保偏光纤出现扭转降低定轴精度，需要对+α和﹣α进行区分。在应力轴72的方位角a从-90°到0°增大的过程中，特征条纹的宽度在降低，特征曲线的斜率为负；当应力轴72的方位角a从0°到90°增大的过程中，特征条纹的宽度在增加，特征曲线的斜率为正。在计算应力轴72的方位角a时，首先对保偏光纤施加一个逆时针方向的扭转，若扭转后特征条纹宽度d3小于扭转前特征条纹宽度d3，则应力轴72的方位角a处于-90°～0°；若扭转后特征条纹的宽度大于扭转前特征条纹的宽度，则应力轴72的方位角a处于0°～90°。

使用时，通过光纤应力轴检测装置3采集光纤7在若干个特殊方位角a下图像，并分析特殊状态下采集的结果，确认光纤7在旋转过程中，包层71的外边界与应力轴72的外边界的距离是最灵敏的变量,定义为特征条纹宽度d3，电机40驱动供纤轮41控制透光载物台1上的光纤7旋转一周，上位机33记录并存储光纤7不同方位角a下的对应的真实条纹宽度d3/k，按照计算公式得到条纹宽度d3/k与方位角a的关系，并得到条纹宽度d3/k与方位角a的特征曲线；测量时，上位机33得到CCD相机32的发送的图像电信号后，测得条纹宽度d3/k后按照特征曲线计算方位角a，如果测得的方位角a在误差范围内，表示合格，否则上位机33控制电机40驱动供纤轮41旋转，直到方位角a符合要求，在供纤轮41旋转的过程中，上位机33可以实时检测方位角a的角度变化，实现了应力轴72的方位角a的动态调整与实时监测的功能。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种寻找光纤应力轴目标方位角的方法，其特征在于，步骤包括：

调整光纤(7)在透光载物台(1)上的位置，确保光纤应力轴检测装置(3)能够采集到清晰的图像并呈现在视野中央；

使用视觉模拟软件拟合出光纤(7)的截面，结合光纤(7)的现有参数和拟合出的光纤(7)截面各层结构的比例关系，得出真实光纤(7)截面端各层结构的真实尺寸；

两个应力轴(72)的中心连线与透光载物台(1)上所在平面组成的夹角为方位角(a)，光纤应力轴检测装置(3)采集光纤(7)在若干个特殊方位角(a)下图像，并分析特殊状态下采集的结果，确认光纤(7)在旋转过程中，包层(71)的外边界与应力轴(72)的外边界之间的距离是最灵敏的变量,定义为特征条纹宽度(d3)；

光纤应力轴扭转装置(4)控制透光载物台(1)上的光纤(7)旋转一周，光纤应力轴检测装置(3)记录并存储光纤(7)不同方位角(a)下所对应的特征条纹宽度(d3)；

通过测量出的特征条纹宽度(d3)得到当前状态下的方位角(a)，比较测量得到的方位角(a)与目标方位角(a)的偏差；

若偏差大于预设误差，应力轴检测装置(3)控制光纤应力轴扭转装置(4)驱动光纤(7)顺时针或逆时针旋转，直至应力轴(72)的方位角(a)至预设误差范围内。

2.根据权利要求1所述的寻找光纤应力轴目标方位角的方法，其特征在于，所述步骤：调整光纤(7)在透光载物台(1)上的位置，确保光纤应力轴检测装置(3)能够采集到清晰的图像并呈现在视野中央，具体包括：

调整成像透镜(31)的位置确保成像透镜(31)能接收到清晰有效的图像，CCD相机(32)将成像透镜(31)采集到的光信号转换为电信号发送给上位机(33)，上位机(33)对图像进行处理。

3.根据权利要求1所述的寻找光纤应力轴目标方位角的方法，其特征在于，所述步骤：使用视觉模拟软件拟合出光纤(7)的截面，结合光纤(7)的现有参数和拟合出的光纤(7)截面各层结构的比例关系，得出真实光纤(7)截面端各层结构的真实尺寸，具体包括：

光纤(7)的截面由外到内分别为涂覆层(70)，包层(71)，应力轴(72)和纤芯(73)，涂覆层(70)的半径为r1，包层(71)半径为r3，应力轴(72)的半径为r4，应力轴(72)的中心与纤芯(73)中心的距离是r5，由于r3、r4和r5之间的比例关系确定，且r3已知，可以得到r4和r5的大小。

4.根据权利要求1所述的寻找光纤应力轴目标方位角的方法，其特征在于，所述步骤：两个应力轴(72)的中心连线与透光载物台(1)所在平面组成的夹角为方位角(a)，光纤应力轴检测装置(3)采集光纤(7)在若干个特殊方位角(a)下图像，并分析特殊状态下采集的结果，确认光纤(7)在旋转过程中，包层(71)外边界与应力轴(72)的外边界之间的距离是最灵敏的变量,定义为特征条纹宽度(d3)，具体包括：

干个特殊方位角(a)指的是方位角(a)分别为90°、45°和0°下，在这三种状态下寻找条纹变化最明显的条纹宽度。

5.根据权利要求1所述的寻找光纤应力轴目标方位角的方法，其特征在于，所述步骤：若偏差大于预设误差，光纤应力轴扭转装置(4)驱动光纤(7)顺时针或逆时针旋转，直至应力轴(72)的方位角(a)至预设误差内，具体包括：

若偏差大于预设误差范围，电机(40)驱动供纤轮(41)顺时针或逆时针旋转，直至应力轴(72)的方位角(a)至预设误差内。

6.根据权利要求1所述的寻找光纤应力轴目标方位角的方法，其特征在于，所述视觉模拟软件选用Vision Assistant。

7.根据权利要求5所述的寻找光纤应力轴目标方位角的方法，其特征在于，所述预设误差范围为±5°。

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