CN1304313C - 在光纤拉丝过程中控制光纤极化模式色散的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤拉丝设备安装有一个摆动滑轮，该摆动滑轮在一个旋转方向上然后在相反的方向上交替地向光纤施加扭力。为了控制施加给光纤的扭力，形成光纤和滑轮的图像。分析这些图像以确定光纤相对于滑轮的位置。假设光纤在滑轮上滚动，根据所计算的位置来计算所述扭力。

Description

在光纤拉丝过程中控制光纤极化模式色散的方法

相关申请

本申请以2002年12月31日提交的法国专利申请第02 16 890号为基础，它所公开的内容在此全文引用作为参考。

技术领域

本发明涉及光纤，更准确地说涉及在制造过程中降低这些光纤的极化模式色散。

背景技术

在理想的环形单模光纤中，存在两种极化模式：如果光纤是环形的，这两种模式以相同的相位速度沿着光纤传播。然而，例如非环形纤心所导致的，光纤的任何不对称都将在两个固有模式的相位矢量之间引入差值，这称作双折射。使用称作极化模式色散的参数测量一条光纤的双折射，所述极化模式色散代表由于光纤的双折射在一个信号中引入的色散。不仅单模光纤而且其它类型的光纤都存在这种刚才所解释的光纤的缺陷柱面性的问题。

EP-B-0 582 405描述了一种标准的光纤拉丝设备，其中加热预型件的末端，拉丝预型件被加热的末端形成一条光纤。该设备包括控制直径、涂敷包层、控制包层的同心性和厚度和硬化包层的各种装置。使光纤在滑轮上滚动，在将其缠绕在线轴或线盘上之前由一个拉丝主动轮驱动。为了降低极化模式色散，上述文献建议使光纤的引导滑轮之一围绕拉丝平面上的一个轴交变地旋转运动。这种摆动运动的效果使光纤在预制件和光纤的轴所定义的光纤拉丝平面的任意一侧上在滑轮表面上滚动。这种光纤的横向运动在正在拉丝的光纤中引入扭转和永久变形。滑轮交变运动的结果是在交变方向上向光纤施加扭力，这降低了极化模式色散。EP-A-0 744 636提出了一种解决方案，它通过使用一个具有倾斜平面的滑轮的简单旋转运动来避免滑轮的交变运动。当它旋转时，倾斜的滑轮给光纤提供了一个与轴进行交变运动的环形对称轮的平面相同的平面。

WO-A-98 46536描述了另外一种在相反一侧上对与部件接触的光纤施加扭力的系统。其中的部件之一进行交变运动。

这种解决方案的一个问题在于确定施加给光纤的扭力或光纤在摆动设备上的旋转。这个问题非常复杂，因为光纤的尺寸一般是250μm量级的，圆柱形状的，并在可能高达1500米/分钟的速度上拉丝。

WO-A-0133184指出在现有技术中在光纤中引入气泡或者其它的不规则物是公知的。因此，对于滑轮摆动运动的给定调整来说，可以测量出施加给拉丝光纤的扭力。但是，这种方法意味着在能够执行测量之前拉丝光纤，并将导致时间和光纤的浪费。它还意味着在每次改变拉丝设备的特性时(预型件、包层类型、光纤拉丝速度、等等)都需要进行一次新的测量。最后，是在光纤本身上执行测量，而不是在具体的预型件上，这将导致该方法可重复性的问题。

WO-A-0133184还提出了测量光纤直径，然后计算该直径的傅立叶变换。相对应的功率谱在2v频率上有多个峰值，其中v是滑轮反向摆动的频率。通过计算频谱峰值的幅度，根据此频谱获得扭力的量值。这种解决方案假设了可以使用精确地测量光纤直径的设备以及复杂的计算装置。此解决方案还因为自身的特性被限制为防止极化模式色散的系统的周期性摆动。

因此，需要一种在从一个预型件拉丝光纤时控制光纤的极化模式色散的解决方案。这种方案必须简单易于执行、可靠并且不需要特定的预型件。还必须可以实时地或者基本上实时地应用，而不需要复杂的测量或复杂的计算，并用于所有类型的防止极化模式色散的系统的摆动。

发明内容

因此，在一种实施例中，本发明提出了一种在光纤拉丝过程中控制光纤极化模式色散的方法，该方法包括步骤：

通过光纤相对于一个用于降低极化模式色散的系统的移位对光纤施加扭力；

捕获光纤和所述系统的至少一幅图像；

分析该图像以确定光纤相对于所述系统的位置；和

根据所确定的位置计算施加给光纤的扭力。

在一种实施例中，向光纤施加扭力的步骤包括系统在相对于光纤的旋转中的移位，和分析至少一幅图像的步骤包括确定光纤相对于系统的角度位置。

向光纤施加的扭力的步骤有利地包括系统的周期性移动。随后，可以使用一个与系统运动周期不同的周期，周期性地执行捕获光纤和系统的至少一幅图像的步骤。

在一种实施例中，计算向光纤施加的扭力的步骤还包括计算光纤在系统上滚动的转数。在这种情况下，计算向光纤施加的扭力的步骤可以包括通过对光纤位置进行积分来计算光纤的平均位置。

本发明还提出了一种光纤拉丝设备，包括：

一个可运动的用于降低极化模式色散的系统，该系统的运动向光纤施加扭力；

一个适合于捕获光纤和系统的图像的图像传感器；和

一个分析器电路，用于分析所捕获的图像，确定光纤相对于系统的位置，并根据用此方式确定的位置来计算施加给光纤的扭力。

在一种实施例中，所述系统是一个进行摆动运动的滑轮。

所述图像传感器有利地适合于在所述光纤和所述滑轮之间接触的中间点附近捕获所述光纤和所述滑轮的一幅图像。

在阅读了通过例子和参考附图给出的本发明实施例的下述描述之后，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1图示一个使用本发明的设备。

图2和图3图示由图1的设备在不同时间上捕获的图像。

图4图示光纤和滑轮的速度；

图5是本发明的方法的流程图。

具体实施方式

本发明建议捕获在用于限制极化模式色散的拉丝或光纤拉丝设备的滑轮上的一条光纤的图像，从而确定光纤相对于滑轮的位置，然后根据所获得的图像推导出施加给光纤的旋转。分析图像确定光纤在滑轮上的精确位置，从而确定光纤和滑轮之间的角度。因此，能够根据后一信息推导出施加给光纤的扭力。该方法意味着不需要特殊的校准硬件，并可以在光纤制造过程中连续地使用。并且，不需要复杂的计算，适用于所有类型的摆动运动。

下面描述一种在利用摆动滑轮的设备中使用的方法的实施例。图1图示使用本发明的设备；它仅仅图示了理解本发明所必需的组件。该图图示了正在拉丝的光纤2，光纤运动的方向用箭头4来表示。两个引导滑轮6和8引导光纤直到它抵达摆动滑轮10。驱动摆动滑轮围绕光纤抵达轴向进行交变旋转运动，所述光纤抵达轴向垂直于此图。对于在从200到1800米/分钟的速度上工作的典型的光纤拉丝系统来说，这种运动一般在几个赫兹的频率上，相对于光纤拉丝平面的最大位移角度通常可能达到±9°。如上面参考文献EP B-0582405所解释的，滑轮的摆动运动在光纤中导致在交变旋转方向上的扭力，结果是降低了极化模式色散。当离开滑轮10时，由指状物12引导光纤，然后在以现有技术中公知的方式缠绕在线圈上之前通过驱动设备。

本发明基于这样的事实，即施加给正在拉丝的光纤的扭力是光纤2在摆动滑轮10上位置的函数；因此，测量光纤的位置能够确定施加给光纤的扭力，如上面简单解释的。因此，该图图示了适合于提供一幅在滑轮上的光纤图像的图像传感器14。可以使用光装置以便于传感器的安装，例如图中所示的镜面16，它将光纤在滑轮上的图像反射给传感器。将传感器14生成的图像发送给分析器电路18。

图像传感器是一个高频视频照相机，例如以每秒100幅图像的频率捕获图像。该量级的频率在摆动滑轮的每个周期上生成至少20幅在滑轮上的光纤的图像，并据此确定光纤在摆动滑轮上的运动。摆动滑轮每周期的图像数量取决于滑轮运动的特性；对于简单的滑轮运动来说，滑轮的每个周期只需要较少的图像。

对于周期性的摆动来说，还可以使用在接近滑轮摆动运动频率的捕获频率上捕获图像的一个视频照相机。在这种情况下，根据在连续的多个周期上的光纤图像来重新建立光纤的运动。例如，在视频照相机的捕获频率和滑轮摆动频率之间可能存在0.1Hz的偏移量。因此，对于一个在4.5Hz上摆动的滑轮来说，使用在滑轮运动中不同时间上的光纤的45幅图像，在滑轮的45个周期上获得了光纤运动的完整的扫描。这种解决方案能够使用在较低频率上工作的传感器捕获图像。设备的振动可能会影响测量的可靠性；本发明人进行的测试表明测量依然是可以使用的。

将图像传感器生成的图像发送给分析器电路，在该电路内分析这些图像以确定光纤在滑轮上的位置。分析器电路是一台PC机，例如安装有一个接收图像传感器生成的图像的端口和形状识别软件，例如以Labview商标销售的软件。对此软件编程以确定在一幅图像中光纤相对于摆动滑轮的位置，为了更加精确，还确定滑轮和光纤之间的角度。也可以使用图像处理软件。

有利地，在所图示的滑轮位置上，即在光纤表面与光纤在滑轮之前和之后的方向之间角度的二等分线的相交位置上，测量光纤在滑轮上的位置。这个点是光纤与滑轮之间接触的中间点。与其它的可用测量点相比，它具有光纤的位置与光纤在滑轮任意一侧上的摆动关系不大的优点。光纤相对于滑轮的位置代表施加给光纤的扭力。

图2和图3图示图1的设备所捕获的图像；图2图示滑轮零摆动角度的滑轮位置，和图3图示最大摆动角度的滑轮位置。在这些附图中，参考数字10代表滑轮，参考数字22代表驱动光纤2的滑轮的旋转轴。参考数字24代表光纤拉丝平面。滑轮的摆动轴在相对于图2和图3平面的45°的角度上。参考数字26代表图像传感器14所捕获的图像的轮廓。

在图2中，滑轮在相对于光纤拉丝平面24的零角度上，在此位置上与滑轮的中央平面一致。滑轮与光纤之间的角度α为零。这个位置对应于没有滑轮的摆动运动以减少极化模式色散的标准系统的滑轮位置。在图3中，滑轮在其摆动运动中已经旋转了角度β。光纤相对于滑轮已经运动，结果是光纤形成了与滑轮即滑轮的侧面或中央平面的角度α。图3中的参考数字24图示图像传感器14所捕获的图像。显然可以使用这幅图像来测量角度α，或者通过识别图像内的光纤2和获知滑轮的摆动角度，或者通过图像确定滑轮相对于光纤的位置。

通过这种方式确定的角度代表光纤在滑轮表面已经滚动通过的圈数，因此，代表施加给光纤的扭力。可以使用下述公式来计算扭力，该公式用转/米给出了施加给光纤的扭力，d是用米表示的在滑轮上滚动的光纤的直径：

$V=\frac{\cos \left(\mathrm{\α}\right)\·\sin \left(\mathrm{\α}\right)}{\mathrm{\π}\·d}$

为了解释上述公式，图4图示光纤和滑轮的速度。该图图示光纤的轴28和滑轮的中央平面30。该图还图示了光纤速度V_F、在滑轮表面上的速度V_d和光纤旋转速度V_ROT或又称之为光纤横向速度。该图还图示了光纤速度和滑轮速度之间的角度α。滑轮围绕其旋转轴的旋转速度V_P对应于光纤速度V_F在滑轮中央表面中的分量，所以V_P＝V_F·cosα。由滑轮的相对运动导致光纤的光纤横向速度，因此，对应于与光纤方向正交的滑轮速度V_P的分量。因此：

V_ROT＝V_P·sinα＝V_F·sinα·cosα

通常用光纤的每米转数来测量瞬时扭力。因此，将用每米转数表示的扭力或速度表示为：

$V=\frac{V_{\mathrm{ROT}}}{\mathrm{\π}\·d\·V_F}=\frac{\cos \left(\mathrm{\α}\right)\·\sin \left(\mathrm{\α}\right)}{\mathrm{\π}\·d}$

在周期性运动的情况下，可以为半个周期即光纤在光纤拉丝平面一侧上的运动计算平均角度，可以根据该平均角度推导出在光纤的一个旋转方向上扭力的平均值V_M＝sinα·cosα_M/πd。

为了确定角度α_M，可以根据这些图像确定使时间与角度α相关的函数图，这个函数用二阶、三阶或四阶多项式来近似，并计算在半个周期上此函数的积分。在用多项式近似法减少分析一幅图像时的误差或在捕获一幅图像时的振动等方面，这种方法尤其合适。

已经测试了在图1中所示类型的光纤拉丝设备。在第一种情况下，使用600米/分钟的光纤拉丝速度、4.5Hz的滑轮摆动频率和±8°的摆动角度。这种配置产生6rpm(每分钟旋转)的光纤平均旋转速度。使用上面参考附图描述的方法能够根据在4.6Hz的频率上捕获的图像和对应于半个周期的图像分析来确定这个数值。在第二种情况下，使用600米/分钟的光纤拉丝速度、4.5Hz的滑轮摆动频率和±6°的摆动角度。这种配置通常产生4.3rmp的光纤旋转速度。同样，使用上面参考附图所描述的方法能够确定这个数值。

因此，可以在图像分析器电路18内分析图像传感器14生成的图像，从而确定施加给光纤的扭力。因此，可以实时地或者基本上实时地调整摆动滑轮的摆动参数，具体而言是摆动频率或幅度。在图中用连接分析器电路18和摆动滑轮的箭头20表示这些参数的调整。

图5是本发明方法的流程图。步骤32是捕获光纤图像的步骤。步骤34是分析图像以确定光纤位置的步骤。步骤36是根据在步骤34中确定的位置来计算扭力的步骤。

参考图1描述的方法的优点在于它不仅能够应用于摆动滑轮，如在该图所图示的例子中，而且能够应用于和更普遍地应用于任意一种用于降低极化模式色散的系统，例如上面提到的现有技术的方法。它可以被用于滑轮的三角波形运动，即在摆动的每半个周期上以恒定角速度的运动；它还可以应用于其它运动，例如正弦摆动。与现有技术的解决方案不同，本方法在光纤制造过程中使用，而没有必要使用特殊的预型件来校准光纤拉丝设备。这节省了时间和资源，并使所获得的结果更加可靠。

该方法可以显示光纤的平均旋转速度，所以能够实时地控制摆动运动，并且还能够在极化模式色散降低系统的一个或多个工作周期上确定旋转速度的变化。这一信息不仅可以用于调整极化模式色散降低系统，还可以跟踪装置的定位调整。

当然，本发明并不限制于上述实施例；因此，它可以应用于光纤拉丝设备的不同结构。本发明也可以应用于除了滑轮摆动旋转运动之外的各种运动，例如交变平移运动；在这种情况下，可以修改上述公式，通过将滚轮相对于光纤的水平移位除以光纤周长来计算旋转。向光纤施加扭力的部件并不限制于滑轮，还可以具有一个不同的形状。除了在这些例子中所提到的技术之外的其它技术也可以用于捕获和分析图像。该方法不仅可应用于周期性运动，而且还可以应用于非周期性的或伪周期性的抗PMD系统。

Claims (9)

1.一种在光纤拉丝过程中控制光纤极化模式色散的方法，所述方法包括步骤：

通过所述光纤相对于一个用于降低极化模式色散的系统的移位对所述光纤施加扭力；

捕获所述光纤和所述系统的至少一幅图像；

分析所述图像以确定所述光纤相对于所述系统的位置；和

根据所述确定的位置计算施加给所述光纤的所述扭力。

2.根据权利要求1所述的方法，其中向所述光纤施加扭力的所述步骤包括在所述系统相对于所述光纤的旋转中的移位，和所述的分析所述至少一幅图像的步骤包括确定所述光纤相对于所述系统的角度位置。

3.根据权利要求2所述的方法，其中向所述光纤施加扭力的所述步骤包括所述系统的周期性运动。

4.根据权利要求3所述的方法，其中使用一个与所述系统的所述运动周期不同的周期，周期性地执行所述的捕获所述光纤和所述系统的至少一幅图像的步骤。

5.根据权利要求1或权利要求4所述的方法，其中所述的计算向所述光纤施加的所述扭力的步骤包括计算所述光纤在所述系统上滚动的转数。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述的计算向所述光纤施加的所述扭力的步骤包括通过对光纤的位置进行积分来计算所述光纤的平均位置。

7.一种光纤拉丝设备，包括：

一个可运动的用于降低极化模式色散的系统，所述系统的运动向所述光纤施加扭力；

一个适合于捕获所述光纤和所述系统的图像的图像传感器；和

一个分析器电路，用于分析所捕获的图像，确定所述光纤相对于所述系统的位置，并根据用此方式确定的位置来计算向所述光纤施加的所述扭力。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述系统是一个进行摆动运动的滑轮。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述图像传感器适合于在所述光纤和所述滑轮之间接触的中间点附近捕获所述光纤和所述滑轮的一幅图像。

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