专利名称：聚合物光纤在线测径仪的制作方法
技术领域：
本发明属于聚合物光纤测试领域，特别是涉及聚合物光纤芯径在线检测技术。
背景技术：
聚合物光纤与石英光纤相比具有重量轻、韧性好、接口容易及成本低等优点，它将是短距离局域网络中最实用的传输介质之一。聚合物光纤芯径的均匀性是其传输质量的可靠保证。在用聚合物光纤拉丝机拉制光纤的过程中，通过对聚合物光纤芯径进行实时在线检测来达到对光纤芯径的闭环控制。因此，在制备聚合物光纤过程中对其芯径进行检测和控制是很重要的。
据中国《电子技术应用》(2，1999，56-57)和中国《电子技术应用》(10，1999，29-31)指出，高分辨率的CCD，也称电荷耦合器，配以合适的光学系统可获得很高的空间分辨率，被广泛地应用于高精度非接触测量中。长度测量中一般选用线阵CCD。常用方法有激光扫描法，激光投影成像法，衍射法等。激光扫描法装置较复杂，适合于大尺寸不透明物体尺寸测量，激光投影成像法、衍射法适合于小尺寸不透明物体尺寸测量。常规测量方法对1mm左右直径透明的聚合物光纤有较强的直边衍射效应和柱透镜效应，影响光纤芯径的测量精度。
技术内容本实用新型的目的是提供一种能实时在线检测聚合物光纤芯径的检测仪器。
这种聚合物光纤在线测径仪，其特征在于由白炽灯稳压电源(1)、白炽灯光源(2)、凹面反射镜(3)、可调小孔(4)、连续可调的衰减片(5)、聚合物光纤(6)、消象差成像透镜或扩束镜(7)、高精度线阵CCD(8)、CCD驱动器和高速数据采集卡(9)、PC数据处理显示系统(10)、高精度可调节导轨(11)，各自分别安装在可微调的调整架上，依次安装在可调导轨上组成以透镜为中心，光源放在距离透镜4-6倍焦距，小孔距离白炽灯2-4cm，衰减片距离透镜3-4倍焦距，聚合物光纤和CCD分别位于透镜的两侧，聚合物光纤距离透镜一倍至两倍焦距范围，CCD位于光纤经过透镜成像的像面前后2-4cm；各器件的中心及待测聚合物光纤中心调节到一条水平线上，白炽灯置于导轨的一端，白炽灯中心置于凹面反射镜的焦点上；各器件封装在机箱内，光纤通过机箱侧面的孔导入，使光纤与光路保持垂直；白炽灯稳压电源连接到白炽灯上，CCD连接到CCD驱动器和A/D转换卡，A/D转换卡连接到计算机。
本实用新型聚合物光纤在线测径仪主要基于如下原理当CCD工作在线性工作范围内，CCD是线性空间不变系统，即满足下列线性关系V(x)＝kE(x) (1)V(x)是线阵CCD的第x像元输出的电压，E(x)是线阵CCD的第x像元的曝光量。对于特定的CCD，K是常数，与像元位置及曝光量无关。在CCD线性区范围内，光通量与输出电压值成线性关系，在此范围内，光纤尺寸d与象的尺寸d之间成线性关系 N为象元个数，m为象元的尺寸，β为透镜的放大倍数。
测量时，使光纤、透镜、CCD的距离一定，则光纤的芯径d和光纤像的宽度d间的比例系数β即可确定下来。对于数据采集系统来说，采集的光纤像宽与光纤投影覆盖的像元个数成比例，CCD的像元尺寸m是确定的，通过数据采集得到的光纤像所占像元数目，通过(2)式可计算出光纤芯径大小。当打开白炽灯后，调节小孔大小，调节衰减片衰减程度，使合适的光通量照射到光纤上，经过透镜投影成像在CCD上，使CCD工作在线性工作范围，满足上述关系式(1)。由于白光相干性差、方向性不好，因此能解决激光投影成像法、衍射法对1mm左右直径的聚合物光纤有较强的衍射效应和柱透镜效应影响光纤芯径的测量精度的问题。采用白光照明投影成像CCD检测聚合物光纤，通过调节光强和积分时间并调节CCD、透镜和光纤间的相对距离来降低柱透镜效应的影响并提高成像质量。在一定的范围内，即在距离光纤像面前后2-4cm范围内移动CCD，从而调节CCD的位置达到确定光纤成像的放大倍数。CCD响应速度和数据采集的A/D转换卡变换速率都是很高的，可以实现对光纤芯径的实时检测，以便将所测芯径反馈给控制系统，从而达到闭环控制、精确控制拉丝均匀性的目的，为进一步实现闭环控制聚合物光纤的芯径提供条件。
本实用新型聚合物光纤芯径在线测径仪的结构简单，制作简便，其主要优点是1、由于采用白光照明取代激光照明，减少了聚合物光纤因为透明性带来的柱透镜效应；2、可根据光纤的粗细、透明性及光源的光强调节CCD、光纤和透镜的相对位置从而达到对柱透镜效应的有效滤除作用，并同时调节光纤的放大倍数；3、由光通量决定CCD输出电压值，光通量过大即导致进入非线性区[见式(1)]；光通量又决定于积分时间和光强，而光强可以通过调节小孔和连续衰减片方便地调节；4、对于不同芯径的聚合物光纤可以找到最佳积分时间，对应最佳积分时间的光纤的像一般比较清晰稳定。


附图1是聚合物光纤在线测径仪的系统结构组成示意图。
具体实施方式
实施例1如附图1给出的聚合物光纤在线测径仪的系统结构组成图所示，本实用新型聚合物光纤在线测径仪由白炽灯稳压电源(1)、白炽灯光源(2)、凹面反射镜(3)、可调小孔(4)、连续可调的衰减片(5)、聚合物光纤(6)、消象差成像透镜或扩束透镜组(7)、高精度线阵CCD(8)、CCD驱动器和高速数据采集卡(9)、PC数据处理显示系统(10)、高精度可调节导轨(11)组成，所有的器件依次安装在位置可调的导轨上，可调节导轨(11)纵向微调尺寸约1mm，封装在机箱内，光纤通过机箱上的直径约2mm的圆孔导入，光纤与光路保持垂直。白炽灯稳压电源连接到白炽灯上，白炽灯外带凹面反射镜，前有可调小孔，小孔前有连续可调的衰减片，聚合物光纤放在衰减片后，成像透镜或扩束透镜组置于光纤后，像元尺寸≤14μm的高精度线阵CCD置成像透镜后，CCD连接到CCD驱动器和数据采集卡上，数据采集卡连接到计算机上。各分立器件，即白炽灯光源(2)、凹面反射镜(3)、可调小孔(4)、连续可调的衰减片(5)、消象差成像透镜或扩束镜(7)、高精度线阵CCD(8)，各自分别安装在可微调的调整架上(本实施例采用上海联谊光纤激光器械厂生产的AOM光学、AFM光纤调整架系列)。各器件的中心及待测聚合物光纤中心调节到一条水平线上。白炽灯置于导轨的一端，白炽灯中心置于凹面反射镜的焦点上，以透镜焦距为5cm为例，可调小孔离白炽灯约2cm，衰减片离小孔约2cm，小孔距离透镜约15cm，聚合物光纤置于衰减片和透镜之间，聚合物光纤离透镜在一倍至两倍的焦距范围变化，近似放置在成像系统的入射光瞳位置，CCD离透镜距离变化范围为光纤像面前后2-4cm。CCD放在光纤经透镜所成像的像面附近，离透镜为两倍焦距以外，整个系统满足准成像关系，不需要准确地放在所成像的像面上，在像面上柱透镜效应很强。其中白炽灯稳压电源、白炽灯光源、凹面反射镜、可调小孔、可调衰减片、聚合物光纤构成照明成像系统，CCD、CCD驱动器和A/D转换数据采集卡、PC机构成数据采集处理系统。稳压电源(1)使白炽灯发光光强稳定，白炽灯(2)发出的发散光经过凹面反射镜(3)收集，经过大小可调的小孔(4)，再经过连续的衰减片(5)衰减后照射在聚合物光纤(6)上，聚合物光纤经过成像透镜(7)放大投影成像在CCD(8)的光敏面上，其中CCD离透镜的距离可调，随照明系统的光通量及聚合物光纤粗细变化可以相应进行调节，CCD可以在光纤的像面的位置附近移动。通过调节小孔大小、衰减片衰减程度、CCD积分时间，及CCD、光纤与透镜的相对位置，可以调节入射到CCD光敏面上的光通量，从而得到较好的光纤的像。CCD把投射其上的反应光纤像的光强信号转换成电信号，经过数据采集卡(9)将其转换后送入计算机处理并显示。数据采集卡接收CCD采集的聚合物光纤像的信号并将其转换成数字信号送入计算机(10)，经计算机处理并显示。采用的CCD的输出信号的重复频率为500kHz，A/D转换器转换速率高于500kHz。经过A/D转换器转换的数据存入计算机后，CCD光敏面上的空间上光强信息就由时间域变换为计算机内存中广义空间域，这和检测对象的空间位置建立了一一对应关系。光源采用1-3W的光强可调的白炽灯，稳压电源采用额定功率是3W可微调的稳压电源，小孔可以选择孔径0.1-1cm范围的小孔，连续可调衰减片可采用偏振衰减片或吸收型衰减片，待测聚合物光纤的芯径一般在1mm左右，CCD可采用EG&G公司生产的型号为RL20482AG型线阵CCD，CCD驱动器采用型号DS0026驱动器，高速数据采集卡可采用MAXIM公司生产的MAZ120型A/D转换器为核心的数据采集卡。所构成的聚合物光纤在线检测仪可以实现对聚合物光纤的在线检测。
测量时，可通过下列这四种方法减少柱透镜效应并提高像的质量1、用白光作光源。柱透镜效应的影响主要通过白光取代传统的激光作成像光源减少。白光照射在聚合物光纤上，因入射角向各个方向，经过透明聚合物光纤及透镜的折射后，部分偏离出CCD的接收范围，这样减弱了柱透镜效应的影响。
2、通过调节CCD积分时间调节光通量。通过调节光强和积分时间调节光通量，光强可以通过调节小孔大小和连续衰减片衰减程度调节。在光强一定的情况下，通过软件调节积分时间变化，CCD输出的信号强度也发生变化。在照射到CCD光敏面上的光强一定的情况下，不同直径的聚合物光纤对应一最佳积分时间。通过软件调节可以找到最佳积分时间，步骤如下(1)确定饱和信号幅度。在保持光强不变的情况下，改变积分时间，直到输出图像上边界幅值达到最高(饱和)，即为饱和信号。(2)确定临界饱和积分时间，即最佳积分时间。选取积分时间使输出信号强度峰值趋近饱和幅值。对应最佳积分时间的光纤的像一般比较清晰稳定。
3、采集处理系统中主要采取两种方法提高图像处理的精度，一是电路方法，即在电路上采用选取阈值电平方法，将所测的信号送往比较器的同相端，用一个电平作为阈值送到该比较器反相端进行二值化。阈值电平的选取随环境、光源、积分时间的变化而变化，阈值电平的确定可使得输出图象更规则，提高测量准确度；另一是软件方法，即软件上采用合适的边界处理的算法，寻找挡光物的左边界与右边界在像的左边界附近，由软件从右向左搜索，搜索到第一个最小点，再继续搜索到边界附近的幅值最大点，两点横坐标取平均，即是要确定的左边界点。同理可确定右边界点。两边界的差值即是待测的光纤像的宽度。
4、通过在可调导轨上调节CCD、光纤和透镜之间的相对距离改变入射到CCD上的光通量，CCD一般可放在离光纤几何像面的前后2厘米的位置处。根据光纤的粗细、透明性及光源的光强调节CCD、光纤和透镜的相对位置，并同时调节光纤像的放大倍数。CCD的位置确定后，光纤在CCD上的实际放大倍数通过多次测量不同粗细的聚合物光纤芯径，比较像尺寸和光纤实际尺寸的关系确定放大倍数，达到对测径仪的定标。放大倍数确定后，各器件的位置保持不变，用螺丝固定，封装在机箱内。由数据采集得到的光纤像元多少，确定的光纤像的放大倍数，即可通过公式(2)求出光纤尺寸。
权利要求1.一种聚合物光纤在线测径仪，其特征在于由白炽灯稳压电源(1)、白炽灯光源(2)、凹面反射镜(3)、可调小孔(4)、连续可调的衰减片(5)、聚合物光纤(6)、消象差成像透镜或扩束镜(7)、高精度线阵CCD(8)、CCD驱动器和高速数据采集卡(9)、PC数据处理显示系统(10)、高精度可调节导轨(11)，各自分别安装在可微调的调整架上，依次安装在可调导轨上组成以透镜为中心，光源放在距离透镜4-6倍焦距，小孔距离白炽灯2-4cm，衰减片距离透镜3-4倍焦距，聚合物光纤和CCD分别位于透镜的两侧，满足准成像关系；各器件的中心及待测聚合物光纤中心调节到一条水平线上，白炽灯置于导轨的一端，白炽灯中心置于凹面反射镜的焦点上；各器件封装在机箱内，光纤通过机箱侧面的孔导入，使光纤与光路保持垂直；白炽灯稳压电源连接到白炽灯上，CCD连接到CCD驱动器和A/D转换卡，A/D转换卡连接到计算机。
专利摘要本实用新型聚合物光纤在线测径仪，特征是由稳压电源、白炽灯光源、凹面反射镜、可调小孔、衰减片、聚合物光纤、消象差成像透镜或扩束镜、高精度线阵CCD及驱动器、高速数据采集卡、PC数据处理显示系统、可调节导轨，分别装在调整架上，依次安装在可调导轨上组成光源距透镜4－6倍焦距，小孔距白炽灯2－4cm，衰减片距透镜3－4倍焦距，聚合物光纤和CCD分别位于透镜两侧，满足准成像关系；光纤从机箱侧面的孔导入，与光路保持垂直；各器件的中心及待测聚合物光纤中心调节到一条水平线上；CCD连接到驱动器和A/D转换卡再连接到计算机。本装置结构简单，可实现对光纤芯径的实时检测，为闭环控制聚合物光纤的芯径提供条件。
文档编号G01B11/08GK2575604SQ0225761
公开日2003年9月24日 申请日期2002年9月29日 优先权日2002年9月29日
发明者许兴胜, 谢建平, 马辉, 明海 申请人:中国科学技术大学