采用新的自動(dòng)熔接時(shí)間控制系統(tǒng)　有效改進(jìn)光纖纖芯對(duì)準(zhǔn)式熔接機(jī)的熔接質(zhì)量

 摘要：熔接機(jī)用于連接光纖，其接頭損耗小，并保持接頭長(zhǎng)
期穩(wěn)定。每個(gè)特定的接頭損耗都依賴于某個(gè)特定的條件，比如光
纖準(zhǔn)備的質(zhì)量、接續(xù)參數(shù)、光纖自身的結(jié)構(gòu)以及光纖加熱后的變
化等等。本文描述了一種用于具有圖像處理的光纖纖芯對(duì)準(zhǔn)式熔
接機(jī)的新的自動(dòng)熔接時(shí)間控制技術(shù)。該新技術(shù)彌補(bǔ)了光纖加熱時(shí)
的變化，降低平均接頭損耗高達(dá)60％，減少接續(xù)失敗率高達(dá)7
0％。此外，還可以采用該技術(shù)，得到精確的衰減接頭。
　　關(guān)鍵詞：光纖、熔接機(jī)、纖芯對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)、輪廓對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)、自
動(dòng)熔接時(shí)間控制、衰減接頭
　　1、介紹
　　加熱熔接法是當(dāng)今連接光纖的標(biāo)準(zhǔn)方法。目前有兩種主要的
技術(shù)可以提供高質(zhì)量的接頭。
　　基于光注入探測(cè)系統(tǒng)LID（Local Injection and Detection）單元的彎曲耦合器將光從接頭的前端注
入光纖，并在接續(xù)點(diǎn)后端檢測(cè)它[1]，[2]。該方法不僅提供了可靠的接頭損耗的測(cè)試，還同時(shí)允許在接續(xù)
過(guò)程中監(jiān)視實(shí)際的接頭損耗。因此，在此基礎(chǔ)上，有可能采用實(shí)時(shí)處理控制系統(tǒng)，來(lái)得到很小的接頭損
耗。這種系統(tǒng)叫做自動(dòng)熔接時(shí)間控制（AFC）系統(tǒng)，它在接頭損耗最小時(shí)精確地停止熔接進(jìn)程。
　　另一種技術(shù)叫光纖纖芯對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)（CDS），有時(shí)也叫輪廓對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)（PAS），它采用一種特殊的光學(xué)系
統(tǒng)使光纖纖芯可見(jiàn)，在熔接完成后，可以通過(guò)分析纖芯的形狀來(lái)估算接頭損耗（3）（4）。遺憾的是，在
熔接正在進(jìn)行的過(guò)程中，電弧光和熾熱的光纖都非常明亮，從而導(dǎo)致攝像機(jī)芯片的飽和。因此，和LID系統(tǒng)
相比，直到現(xiàn)在也不可能對(duì)PAS系統(tǒng)接頭過(guò)程實(shí)時(shí)控制。
　　接頭質(zhì)量主要依賴于熔接過(guò)程中光纖加熱情況。電極污染和電極磨損能引起電弧位置和溫度的變化。
光纖加熱還依賴于光纖在電弧內(nèi)的位置和大氣壓。熔接過(guò)程中主要的機(jī)理是已熔化的玻璃表面張力將會(huì)有
自動(dòng)定心效應(yīng)。特別是熔接偏心光纖時(shí)，如果光纖加熱和熔接時(shí)間不好的話，自動(dòng)定心效應(yīng)會(huì)滿足光纖外
層的對(duì)準(zhǔn)而滿足不了纖芯之間的對(duì)準(zhǔn)，從而引起纖芯之間的錯(cuò)位。
　　如上所述，光纖加熱時(shí)的變化不能完全避免，這些變化主要使偏心光纖的接頭損耗變大。如果選擇了
不合適的熔接參數(shù)，也會(huì)出現(xiàn)同樣的問(wèn)題。因此，采用一種自動(dòng)熔接時(shí)間控制系統(tǒng)，來(lái)補(bǔ)償上述所有影
響，并且還能找出每個(gè)獨(dú)立接頭的優(yōu)化熔接時(shí)間，這種系統(tǒng)對(duì)接續(xù)是很有幫助的。
　　在上述系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用LID系統(tǒng)單元，它根據(jù)LID級(jí)別自動(dòng)控制熔接時(shí)間，這似乎是一種較好的解
決辦法。遺憾的是，有一些帶有遮光涂料的涂層或涂層很厚的特殊光纖，不能在本地注入光或檢測(cè)到光，
因此不能采用LID來(lái)控制熔接時(shí)間。
最好、價(jià)格昂貴的辦法是將LID系統(tǒng)單元和CDS組合在一臺(tái)熔接機(jī)內(nèi)。本文介紹一種用CDS系統(tǒng)控制熔接時(shí)間
的更經(jīng)濟(jì)有效的解決辦法，這樣，我們就可以克服纖芯對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的一個(gè)主要缺點(diǎn)。
　　2、常用的纖芯對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)
　　現(xiàn)代的熔接機(jī)使用一些技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的接續(xù)。常用的纖芯對(duì)準(zhǔn)式熔接機(jī)具有特殊的光學(xué)系統(tǒng)，它
含有通過(guò)兩條光線照射使纖芯可見(jiàn)的系統(tǒng)。它還用一種三向定位系統(tǒng)，可以對(duì)準(zhǔn)纖芯而實(shí)現(xiàn)低的接頭損
耗。在熔接完成后，對(duì)圖像進(jìn)行分析，然后通過(guò)纖芯的形狀來(lái)計(jì)算出接頭損耗
　　然而在熔接過(guò)程中，光纖被加熱到1700～2000℃，這時(shí)，光纖發(fā)出熱幅射和可見(jiàn)光，可見(jiàn)光的亮度足
以飽和攝像機(jī)芯片，這樣，導(dǎo)致了既不能在顯示屏上看到光纖，也不能在圖像中檢測(cè)到光纖。因此，微處
理器得不到用于計(jì)算得出光纖實(shí)際位置的反饋信號(hào)。然而找出光纖實(shí)際位置對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)程控制是很必要的。
圖1給出了常用的纖芯對(duì)準(zhǔn)熔接機(jī)在熱熔電極開(kāi)啟時(shí)的典型的光纖圖像。
　　用一種臨時(shí)減少熔接中電弧電流的辦法可以克服上述問(wèn)題，這樣可以進(jìn)行圖像分析。但是電弧電流的
減少會(huì)同時(shí)導(dǎo)致光纖受熱程度的減少，這也會(huì)影響接續(xù)質(zhì)量。除此之外，這種方法還不是實(shí)時(shí)控制的方
法。
圖1．常用的纖芯對(duì)準(zhǔn)熔接機(jī)在熱熔電極開(kāi)啟時(shí)的典型的光纖圖像
　　3、AFCi：由圖像控制的自動(dòng)熔接時(shí)間控制系統(tǒng)（Automatic Fusion time Control by image）
　　3．1光學(xué)裝置原理
　　我們提出一種新型CDS熔接機(jī)，它是根據(jù)一根發(fā)光光纖發(fā)射出的光的光譜寬度比用于照亮光纖的光電二
極管LED的光譜寬度要大的原理，因此，我們用一個(gè)窄帶干擾濾波器來(lái)濾掉發(fā)熱光纖發(fā)出的光而讓發(fā)光LED
的光通過(guò)濾波器幾乎不受任何影響。安裝這種裝置后，在整個(gè)接續(xù)過(guò)程中，光纖就一直清晰可見(jiàn)了。
圖2．發(fā)熱光纖的光譜,發(fā)光二極管以及窄帶干涉濾波器的傳輸光譜
　　發(fā)熱光纖的發(fā)射光譜和照明發(fā)光二極管的發(fā)射光譜如圖2所示，熱光纖發(fā)射出從可見(jiàn)光到紅外光這種很
寬的光譜，而LED光譜相對(duì)來(lái)說(shuō)就很窄，攝像機(jī)芯片在整個(gè)可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)都很敏感。光纖圖像的亮度是
由光譜在整個(gè)可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的積分來(lái)決定的，在我們舉的例中，雖然LED光譜的波峰強(qiáng)度要大一些，但
是光纖發(fā)射光的積分是LED光譜積分的2倍，結(jié)果造成光纖圖像由于光纖發(fā)光而被照亮。
　　圖2中也畫出了一種較合適的窄帶的濾波器的光譜。該濾波器有一個(gè)和發(fā)光LED一樣的中心波長(zhǎng)，但又
比LED的光譜窄，大量發(fā)光光纖的光譜被濾波器過(guò)濾掉，因此，熱光纖幅射也自然減少。所以，光纖的發(fā)光
對(duì)光纖圖像在成像片中的成像質(zhì)量影響很小，同時(shí)，在整個(gè)接續(xù)過(guò)程中，光纖仍然清晰可見(jiàn)。
　　這樣，在發(fā)光LED的光通過(guò)系統(tǒng)時(shí)，能濾除發(fā)熱光纖發(fā)出光。要用特殊的窄帶干擾濾波器，才能過(guò)達(dá)到
該裝置所需的濾波器的性能。這些濾波器可以放在光纖和攝像機(jī)之間的任何位置，圖3給出了光學(xué)裝置的原
理圖。實(shí)際上，使用了兩個(gè)以上的系統(tǒng),一個(gè)被用于是X視圖方向，另一個(gè)被用于Y視圖方向。典型的蘭色LE
D產(chǎn)生了較高的光學(xué)分辨率，照亮了光纖，并且，通過(guò)光學(xué)透鏡系統(tǒng)將光纖圖像傳送到攝像機(jī)芯片上，熔接
電弧加熱光纖，而發(fā)光光纖的發(fā)射光被窄帶干擾濾波器濾掉，因此，光纖在整個(gè)熔接過(guò)程中清晰可見(jiàn)。
圖4．在光纖熔接過(guò)程中，帶窄帶干擾濾波器的圖象
　　圖4是用我們的新型光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行熔接時(shí)的照片。圖片左邊是X視圖，右邊是Y視圖。該照片是在電弧開(kāi)
啟狀態(tài)下拍攝的，光纖纖芯和光纖邊緣都清晰可見(jiàn)，這樣便于觀察兩根光纖相互之間的移動(dòng)以及由于表面
張力引起玻璃熔化時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)。
　　3．2進(jìn)程控制
　　為了連續(xù)地控制熔接進(jìn)程，必須采用一種快速的運(yùn)算方法。要達(dá)到真正的實(shí)時(shí)控制，估算的時(shí)間周期
必須小于最小的熔接時(shí)間。在每一個(gè)周期內(nèi)，每個(gè)光學(xué)視圖的圖像必須數(shù)字化。熔接時(shí)間的典型值大約3秒
左右。但如上所述，光纖熔接時(shí)間隨著光纖加熱的變化而大大改變。那么，有必要縮短光纖熔接時(shí)間（縮
短到半秒）。我們采用小于是100ms的時(shí)間周期，可以使熔接時(shí)間降到半秒。因此，我們的新型自動(dòng)圖像控
制熔接時(shí)間系統(tǒng)AFCi的熔接時(shí)間是從0.5s到熔接時(shí)間的最大值。還必須考慮在熔化過(guò)程中光纖溫度的影
響，原則上，用窄帶干擾濾波器不能濾掉熱光纖的所有幅射，較高的光纖溫度會(huì)使光纖圖像更亮。為了測(cè)
試AFCi 工作時(shí)光纖的溫度范圍，我們改變了熔接機(jī)的熔接電流。圖5表示了不同熔接電流在一個(gè)特定的圖
像中的強(qiáng)度分布。一般熔接電流在14.5mA左右。我們的AFCi系統(tǒng)在整個(gè)熔接電流范圍內(nèi)工作，并能補(bǔ)償光
纖受熱的變化，甚至能補(bǔ)償最壞的條件下的變化