CN109307586B - 一种光纤预制棒测量装置的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤预制棒测量装置的校准方法，将扫描激光光源和光电位置探测器平行间隔一端距离相对定位，开启扫描激光光源和光电位置探测器，扫描激光光源和光电位置探测器沿平行间隔方向相对移动，使得的激光束从光电位置探测器的一侧边界处沿水平面对光电位置探测器的探测面进行扫描，扫描至光电位置探测器探测面的另一侧边界处结束，分别记录相对位移总长度和光电位置探测器位置传感信号，通过将相对位移量与位置传感信号进行比对，计算出光电位置探测器的响应线性度，最后获得一条准确的位移响应线性度或位置响应坐标曲线。本发明解决了因光电位置探测器响应线性度变化而影响系统测试精度的问题，同时增大光电位置探测器的测量长度。

Description

一种光纤预制棒测量装置的校准方法

技术领域

本发明涉及一种光纤预制棒测量装置的校准方法，属于光纤光电测量技术领域。

背景技术

光纤是现代数据通信的主要载体，光纤制备行业从成本和生产效率的角度考虑，倾向于制备直径更大的光纤预制棒。对光纤预制棒折射率剖面以及内径、外径等几何参数的测量是一个重要的质量控制环节。目前这种测量以基于光学的非接触式测量为主，其中会用到光电位置探测器(光电位置传感器)。光电位置探测器的工作原理是以数字量或模拟量的方式输出入射激光束在探测器上的位置坐标。通过激光器在预制棒横截面进行扫描，并记录透射之后的激光光斑位置，可以通过斯涅耳定律计算出光纤预制棒被扫描位置的折射率以及半径。

测量过程对于光电位置探测器上感光面的输出响应线性度要求较高，而由于半导体工艺的原因，当入射光强、环境光强、光电位置探测器上的偏压等外界因素发生变化时，光电位置探测器的响应线性度会出现劣化，进而导致系统的检测结果出现误差。且在探测器传感边缘区域(探测器有效长度两侧的1/4～1/6)由于光学系统的像差和电路噪声的影响，探测器的位置误差和输出线性度劣化会更为明显，从而影响预制棒的检测精度。

另一方面，随着预制棒直径的增加，激光器扫描的行程以及光电位置探测器所需要覆盖的光斑位移长度也要相应的增加，用于传感的光电位置探测器的尺寸也必须相应加大。而由于半导体工艺的原因，大尺寸的光电位置传感元件通常价格较贵，这将大大增加大尺寸光纤预制棒的测量装置成本。因此，增大光电位置探测器的测量长度，使得探测器传感边缘区域得到充分利用，能够有效降低测量装置的成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种光纤预制棒测量装置的校准方法，以解决因光电位置探测器响应线性度变化而影响系统测试精度的问题，同时增大光电位置探测器的测量长度。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案如下：

将扫描激光光源和光电位置探测器平行间隔一段距离相对定位，其中扫描激光光源发射的激光束垂直于平行间隔面，光电位置探测器的探测面平行于平行间隔面，开启扫描激光光源和光电位置探测器，扫描激光光源和光电位置探测器沿平行间隔方向相对移动，使得的激光束从光电位置探测器的一侧边界处或边界邻近处沿水平面对光电位置探测器的探测面进行扫描，扫描至光电位置探测器探测面的另一侧边界处或边界邻近处结束，分别记录相对位移总长度和光电位置探测器位置传感信号，通过将相对位移量与位置传感信号进行比对，计算出光电位置探测器的响应线性度，然后对光电位置探测器的响应线性度进行校准，最后获得一条准确的位移响应线性度或位置响应坐标曲线。

按上述方案，光电位置探测器探测面的扫描区域为一条直线，直线的中点为位置零点，中点的一侧为正位移，中点的另一侧为负位移。

按上述方案，所述的比对过程为：记录扫描激光光源和光电位置探测器沿平行间隔方向相对移动时探测器的输出信号；记录相对移动的距离；将输出信号与相对移动的距离进行比对。

按上述方案，在扫描激光光源或光电位置探测器侧安设有平行移动装置，所述的平行移动装置与扫描激光光源或光电位置探测器相连。

按上述方案，所述的平行移动装置为丝杆滑座装置，丝杆由电机驱动。

按上述方案，所述光电位置探测器为模拟或数字信号输出的一维或二维光电位置探测器。

按上述方案，扫描激光光源和光电位置探测器平行间隔的距离为60mm～220mm。

本发明的有益效果是：1、通过对光电位置探测器响应线性度进行校准，能够克服光电位置探测器的响应线性度因外界因素出现的劣化，提高光电位置探测器位测精度，从而提高光纤预制棒测量装置的测量精度。2、通过对光电位置探测器远离中心位置的两侧传感区域的线性度进行测量和校准，扩大了光电位置探测器的可用工作长度，使得探测器传感边缘区域得到充分利用，可用较小尺寸的光电位置探测器完成较大尺寸光纤预制棒的检测功能，从而有效降低测量装置的成本。

附图说明

图1为本发明用于光纤预制棒测量装置的使用状态图。

图2为本发明校准过程的示意图。

图3为本发明一个实施例中光电位置探测器侧安设在平行移动装置的示意图。

图4为本发明一个实施例中光电位置探测器扫描区域示意图。

图5为校准前的光电位置探测器的位移响应线性度的坐标曲线图。

图6为本发明校准后的光电位置探测器的位移响应线性度的坐标曲线图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。

本发明对测量装置进行校准的具体工作过程为：

先将扫描激光光源1和光电位置探测器6平行间隔一段距离相对定位，其中扫描激光光源发射的激光束垂直于平行间隔面，光电位置探测器的探测面平行于平行间隔面，在光电位置探测器侧安设有平行移动装置5，所述的平行移动装置为丝杆滑座装置，包括有固定座51和丝杆滑座52，丝杆由电机驱动，所述的丝杆滑座与光电位置探测器6相连，驱动丝杆可以使光电位置探测器沿平行间隔方向相对移动；开启扫描激光光源和光电位置探测器，扫描激光器光源发射一束稳定的激光束，照射到光电位置探测器的探测面上，激光光束的波长为632nm；平行移动装置通过电机驱动丝杆滑座带动光电位置探测器平移，电机可以是步进电机或伺服电机，使得扫描激光光源和光电位置探测器沿平行间隔方向相对移动，即使得扫描激光光源的入射光线在光电位置探测器产生了相对位移；激光束从光电位置探测器的一侧边界起始沿水平面对光电位置探测器的探测面进行扫描，扫描至光电位置探测器探测面的另一侧边界结束，形成的扫描轨迹如图4所示。光电位置探测器将光斑位置信号转化为数字或模拟信号，记录光电位置探测器的电信号(可以是电压或电流信号)输出，记为S。记录光电位置探测器的相对位移量，记为d。由于光电位置探测器本身的器件缺陷，在探测器的边界区域其输出与扫描点的位移变化关系不再保持线性关系。将相对位移量与位置传感信号进行比对，计算出光电位置探测器的响应线性度，然后对光电位置探测器的响应线性度进行校准，最后获得一条准确的位移响应线性度或位置响应坐标曲线。

以一次实测的数据为例，以d为纵坐标，S值为横坐标作图，如图5所示。以d值为基准，将S/d曲线中段的近似直线71向两端延长，得到线段74和75，计算线段74、75与原曲线段72、73的差值，记为校正值建立对照表，对照表中每一个S值对应一个校正值。即完成了校准过程。可以用插值的方式增加对照表的数据量，提升校准精细度。也可采用增加d步进细分的方式增加对照表的数据量，提升校准精细度。

其中的数学和物理原理解释如下：

当机械位移装置通过电机驱动丝杆产生位移时，旋转角度和丝杆旋转产生的位移满足关系式：d＝P×(n/360)。

其中n是丝杆旋转的角度，可以是任意整数。P是丝杆导程，由丝杆自身的工艺参数决定。当丝杆型号一定且旋转角度一定时，位移d是确定的。随着丝杆的旋转，全过程中按光电位置探测器6的输出特性，可以将探测器的表面分为三个区域，分别是：线性扫描区域61，非线性扫描区域62和63。62和63的形成是光电位置探测器本身的材料缺陷、入射光强、偏置电压等多因素造成。按照光电位置探测器器件线性区工作的特性，6的信号输出在线性扫描区域61与扫描激光束和光电位置探测器的相对位置关系满足：

S1＝k1*x1+b1

其中S1在测量装置上作为电信号(电压或电流信号)直接读出和量化。X为入射激光束照射在光电位置探测器上的位置坐标，K，b为线性拟合对应的斜率和截距。

在探测器6的两端非线性扫描区域62和63，由丝杆推动位置探测器所产生的信号S2和S3可以写为：

当S1、S2、S3的表达式不相同时，表示光电位置探测器6的输出线性出现了误差，需要依据丝杆步进的实际位移进行校准。

校准方法是以丝杆步进的实际位移为基准，取均匀的步长比如0.01mm为间隔，逐点对光电位置探测器的输出值进行校准。

以下通过一组实际测试数据进行说明：

以丝杆位移为纵坐标，以探测器的输出为横坐标，并将位移和输出归一化之后作图，可以看到在校准前，远离探测器中心的区域，探测器输出与丝杆位移之间不再满足线性对应关系。而将探测器输出校准之后，探测器输出与位移之间满足线性对应关系的区域明显增加。附表一的数字也直观的说明了这种情况。

表1

采用该方法的有益效果是：通过丝杆的位移可对每个光电位置探测器远离中心位置的两侧传感区域的线性度进行测量和校准，从而扩大了光电位置探测器的可用工作长度，可用较小尺寸的光电位置探测器完成测试功能，节约测量装置的制造成本。

在测量过程中，扫描激光光源在水平轨道上移动，在光纤预制棒的一侧边界沿水平面进行扫描，扫描至另一侧边界结束，返回原点。在此扫描过程中，透射以及折射后的出射激光束作用于光电位置探测器的表面，光电位置探测器将光斑位置信号转化为数字或模拟信号。通过合理设计光电位置探测器在机械位移装置上的安装位置，以及机械位移的总长度，通过对比光电位置探测器输出的位置信号以及机械位移装置产生的位移，可以计算出此时光电位置探测器的响应线性度，从而对其进行校准。

本发明用于光纤预制棒测量装置的使用状态如图1所示，包括扫描激光光源1，透光容器2，折射率匹配油3，夹持状态的光纤预制棒4，安装有光电位置探测器的平行移动装置5。在机械位移装置上安装有一个光电位置探测器6，光电位置探测器的探测面朝向激光的入射方向。开启激光光源发出检测激光束，检测激光束经扩束镜和透镜整形进入透明油箱穿过测试油油液从透明油箱另一侧射出，入射至光电位置探测器。探测器将位置信号转换成电信号，经电路转换成数字信号传输给计算机，通过计算机对采集到的数据进行分析处理即可绘出被测预制棒的折射率分布曲线。

Claims (7)

1.一种光纤预制棒测量装置的校准方法，其特征在于

将扫描激光光源和光电位置探测器平行间隔一段距离相对定位，其中扫描激光光源发射的激光束垂直于平行间隔面，光电位置探测器的探测面平行于平行间隔面，开启扫描激光光源和光电位置探测器，扫描激光光源和光电位置探测器沿平行间隔面方向相对移动，使得激光束从光电位置探测器的一侧边界处或边界邻近处沿平行间隔面方向对光电位置探测器的探测面进行扫描，扫描至光电位置探测器探测面的另一侧边界处或边界邻近处结束，分别记录相对位移总长度和光电位置探测器位置传感信号，通过将相对位移量与位置传感信号进行比对，计算出光电位置探测器的响应线性度，然后对光电位置探测器的响应线性度进行校准，最后获得一条准确的位移响应线性度或位置响应坐标曲线。

2.按权利要求1所述的光纤预制棒测量装置的校准方法，其特征在于光电位置探测器探测面的扫描区域为一条直线，直线的中点为位置零点，中点的一侧为正位移，中点的另一侧为负位移。

3.按权利要求1或2所述的光纤预制棒测量装置的校准方法，其特征在于所述的比对过程为：记录扫描激光光源和光电位置探测器沿平行间隔面方向相对移动时探测器的输出信号，记录相对移动的距离，将输出信号与相对移动的距离进行比对。

4.按权利要求1或2所述的光纤预制棒测量装置的校准方法，其特征在于在扫描激光光源或光电位置探测器侧安设有平行移动装置，所述的平行移动装置与扫描激光光源或光电位置探测器相连。

5.按权利要求4所述的光纤预制棒测量装置的校准方法，其特征在于所述的平行移动装置为丝杆滑座装置，丝杆由电机驱动。

6.按权利要求1或2所述的光纤预制棒测量装置的校准方法，其特征在于所述光电位置探测器为模拟或数字信号输出的一维或二维光电位置探测器。

7.按权利要求1或2所述的光纤预制棒测量装置的校准方法，其特征在于扫描激光光源和光电位置探测器平行间隔的距离为60mm~220mm。

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