采用新的自動熔接時間控制系統(tǒng)　有效改進光纖纖芯對準式熔接機的熔接質量

     摘要：熔接機用于連接光纖，其接頭損耗小，并保持接
頭長期穩(wěn)定。每個特定的接頭損耗都依賴于某個特定的條件，比
如光纖準備的質量、接續(xù)參數(shù)、光纖自身的結構以及光纖加熱后
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準
式熔接機的新的自動熔接時間控制技術。該新技術彌補了光纖加
熱時的變化，降低平均接頭損耗高達60％，減少接續(xù)失敗率高達7
0％。此外，還可以采用該技術，得到精確的衰減接頭。
　　關鍵詞：光纖、熔接機、纖芯對準系統(tǒng)、輪廓對準系統(tǒng)、自
動熔接時間控制、衰減接頭
　　1、介紹
　　加熱熔接法是當今連接光纖的標準方法。目前有兩種主要的
技術可以提供高質量的接頭。
　　基于光注入探測系統(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)點后端檢測它[1]，[2]。該方法不僅提供了可靠的接頭損耗的測試，還同時允許在接續(xù)
過程中監(jiān)視實際的接頭損耗。因此，在此基礎上，有可能采用實時處理控制系統(tǒng)，來得到很小的接頭損
耗。這種系統(tǒng)叫做自動熔接時間控制（AFC）系統(tǒng)，它在接頭損耗最小時精確地停止熔接進程。
　　另一種技術叫光纖纖芯對準系統(tǒng)（CDS），有時也叫輪廓對準系統(tǒng)（PAS），它采用一種特殊的光學系
統(tǒng)使光纖纖芯可見，在熔接完成后，可以通過分析纖芯的形狀來估算接頭損耗（3）（4）。遺憾的是，在
熔接正在進行的過程中，電弧光和熾熱的光纖都非常明亮，從而導致攝像機芯片的飽和。因此，和LID系統(tǒng)
相比，直到現(xiàn)在也不可能對PAS系統(tǒng)接頭過程實時控制。
　　接頭質量主要依賴于熔接過程中光纖加熱情況。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的位置和大氣壓。熔接過程中主要的機理是已熔化的玻璃表面張力將會有
自動定心效應。特別是熔接偏心光纖時，如果光纖加熱和熔接時間不好的話，自動定心效應會滿足光纖外
層的對準而滿足不了纖芯之間的對準，從而引起纖芯之間的錯位。
　　如上所述，光纖加熱時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)，也會出現(xiàn)同樣的問題。因此，采用一種自動熔接時間控制系統(tǒng)，來補償上述所有影
響，并且還能找出每個獨立接頭的優(yōu)化熔接時間，這種系統(tǒng)對接續(xù)是很有幫助的。
　　在上述系統(tǒng)的基礎上，采用LID系統(tǒng)單元，它根據(jù)LID級別自動控制熔接時間，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到光，
因此不能采用LID來控制熔接時間。
最好、價格昂貴的辦法是將LID系統(tǒng)單元和CDS組合在一臺熔接機內。本文介紹一種用CDS系統(tǒng)控制熔接時間
的更經(jīng)濟有效的解決辦法，這樣，我們就可以克服纖芯對準系統(tǒng)的一個主要缺點。
　　2、常用的纖芯對準系統(tǒng)
　　現(xiàn)代的熔接機使用一些技術來實現(xiàn)高質量的接續(xù)。常用的纖芯對準式熔接機具有特殊的光學系統(tǒng)，它
含有通過兩條光線照射使纖芯可見的系統(tǒng)。它還用一種三向定位系統(tǒng)，可以對準纖芯而實現(xiàn)低的接頭損
耗。在熔接完成后，對圖像進行分析，然后通過纖芯的形狀來計算出接頭損耗。
　　然而在熔接過程中，光纖被加熱到1700～2000℃，這時，光纖發(fā)出熱幅射和可見光，可見光的亮度足
以飽和攝像機芯片，這樣，導致了既不能在顯示屏上看到光纖，也不能在圖像中檢測到光纖。因此，微處
理器得不到用于計算得出光纖實際位置的反饋信號。然而找出光纖實際位置對現(xiàn)場進程控制是很必要的。
圖1給出了常用的纖芯對準熔接機在熱熔電極開啟時的典型的光纖圖像。
　　用一種臨時減少熔接中電弧電流的辦法可以克服上述問題，這樣可以進行圖像分析。但是電弧電流的
減少會同時導致光纖受熱程度的減少，這也會影響接續(xù)質量。除此之外，這種方法還不是實時控制的方
法。
圖1．常用的纖芯對準熔接機在熱熔電極開啟時的典型的光纖圖像
　　3、AFCi：由圖像控制的自動熔接時間控制系統(tǒng)（Automatic Fusion time Control by image）
　　3．1光學裝置原理
　　我們提出一種新型CDS熔接機，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，我們用一個窄帶干擾濾波器來濾掉發(fā)熱光纖發(fā)出的光而讓發(fā)光LED
的光通過濾波器幾乎不受任何影響。安裝這種裝置后，在整個接續(xù)過程中，光纖就一直清晰可見了。
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)射出從可見光到紅外光這種很
寬的光譜，而LED光譜相對來說就很窄，攝像機芯片在整個可見光波長范圍內都很敏感。光纖圖像的亮度是
由光譜在整個可見光波長范圍內的積分來決定的，在我們舉的例中，雖然LED光譜的波峰強度要大一些，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。該濾波器有一個和發(fā)光LED一樣的中心波長，但又
比LED的光譜窄，大量發(fā)光光纖的光譜被濾波器過濾掉，因此，熱光纖幅射也自然減少。所以，光纖的發(fā)光
對光纖圖像在成像片中的成像質量影響很小，同時，在整個接續(xù)過程中，光纖仍然清晰可見
這樣，在發(fā)光LED的光通過系統(tǒng)時，能濾除發(fā)熱光纖發(fā)出光。要用特殊的窄帶干擾濾波器，才能過達到
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之間的任何位置，圖3給出了光學裝置的原
理圖。實際上，使用了兩個以上的系統(tǒng),一個被用于是X視圖方向，另一個被用于Y視圖方向。典型的蘭色LE
D產(chǎn)生了較高的光學分辨率，照亮了光纖，并且，通過光學透鏡系統(tǒng)將光纖圖像傳送到攝像機芯片上，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，光纖在整個熔接過程中清晰可見。
圖4．在光纖熔接過程中，帶窄帶干擾濾波器的圖象
　　圖4是用我們的新型光學系統(tǒng)進行熔接時的照片。圖片左邊是X視圖，右邊是Y視圖。該照片是在電弧開
啟狀態(tài)下拍攝的，光纖纖芯和光纖邊緣都清晰可見，這樣便于觀察兩根光纖相互之間的移動以及由于表面
張力引起玻璃熔化時的流動狀態(tài)。
　　3．2進程控制
　　為了連續(xù)地控制熔接進程，必須采用一種快速的運算方法。要達到真正的實時控制，估算的時間周期
必須小于最小的熔接時間。在每一個周期內，每個光學視圖的圖像必須數(shù)字化。熔接時間的典型值大約3秒
左右。但如上所述，光纖熔接時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間（縮
短到半秒）。我們采用小于是100ms的時間周期，可以使熔接時間降到半秒。因此，我們的新型自動圖像控
制熔接時間系統(tǒng)AFCi的熔接時間是從0.5s到熔接時間的最大值。還必須考慮在熔化過程中光纖溫度的影
響，原則上，用窄帶干擾濾波器不能濾掉熱光纖的所有幅射，較高的光纖溫度會使光纖圖像更亮。為了測
試AFCi 工作時光纖的溫度范圍，我們改變了熔接機的熔接電流。圖5表示了不同熔接電流在一個特定的圖
像中的強度分布。一般熔接電流在14.5mA左右。我們的AFCi系統(tǒng)在整個熔接電流范圍內工作，并能補償光
纖受熱的變化，甚至能補償最壞的條件下的變化
3．3　偏心光纖的接續(xù)
　　當熔接偏心光纖時，由于光纖表面張力使光纖的幾何參數(shù)變化，因此，由圖像控制自動熔接系統(tǒng)有助
于在優(yōu)化時間點停止熔接進程。
　　3．3．1　原理：“偏心光纖是指纖芯相對包層偏離了包層的中心。在按照光纖的邊緣對齊時，纖芯之
間并不匹配，與之相反，在光纖熔接在一起之間當纖芯對齊了，包層之間又對不齊了。熔接過程中熔化的
玻璃不會減少對不齊出現(xiàn)的偏差，這是由于
　　表面張力的影響，這就引起纖芯之間對不齊，從而造成接頭損耗很大。所以，要開始熔接時需要有一
個附加的纖芯偏差作參考（如圖6a中所示），
　　在熔接過程中，這個偏差隨著邊緣的對齊而連續(xù)地變小。圖像控制自動熔接時間系統(tǒng)通過編程來實現(xiàn)
了將熔接進程停止在纖芯對齊。以及接頭最小的時候（圖6b ）。
　　
圖6．熔接偏心光纖
　　3．3．2　測試結果
　　為了測試這種新式AFCi系統(tǒng),我們將偏心光纖處于最壞情況的條件中，即當光纖邊緣對齊時纖芯差1um,
熔點電流在優(yōu)化值14.5mA從-0.5mA+0.5mA變動，當遇到電極磨損和其它類似影響時,電流的變化范圍。圖7
給出了用我們的新的帶有圖像控制的自動熔接時間控制系統(tǒng)檢測，纖芯對準系統(tǒng)CDS熔接機的是典型的接續(xù)
結果，并與一個固定熔接時間為3秒的常用分布式系統(tǒng)PAS熔接機的接續(xù)結果進行對比。用一臺光時域反射
儀來測出的接續(xù)得出的接續(xù)損耗。
　　采用AFCi系統(tǒng)的熔接機接續(xù)，對100個接頭采樣，其平均接頭損耗為0.03dB，由此可見，平均接頭損耗
最高可減少60％，而接頭失敗率也最多可減少70％。AFCi系統(tǒng)的標準偏差為2％，而PAS熔接方式則為6％。
這些測試結果說明我們的這種新方法可以補償光纖受熱時甚至惡劣條件下的變化。
　　3．4衰減接頭
　　我們的這種AFCi新系統(tǒng)的另一應用為產(chǎn)生衰減接頭。這是一種專門預計了接頭損耗的特殊接頭。其主
要的應用領域是模擬分配系統(tǒng)。要避免接收器信號溢出。必須要將輸入信號的功率調節(jié)到接收器的動態(tài)范
圍內。各個用戶線的不同，其衰減不同，這可以由匹配的衰減（損耗）接頭來補償它。
圖8．衰減接頭的光纖圖象
　　圖8給出了一個衰減接頭的光纖圖像。它通過在一個光學方向上的一個特殊的纖芯偏差來達到需要的接
頭損耗。在圖8中可清晰看到纖芯彎曲了，這主要是由于光纖熔化時的表面張力使光纖移動而引起的纖芯彎
曲也影響接頭損耗，并且在計算光纖偏差的最終結果時，必須給予考慮。在熔接電弧開始前，設定一個附
加的結芯偏差（結合最終偏差）。當達到最終偏差時，AFCi系統(tǒng)停止熔接進程。如果需要的話，再給出并
修正實際的接頭損耗。衰減接頭可能的衰減范圍為0.1dB到10.0dB。
　　4、結論
　　本文介紹了纖芯（對準）系統(tǒng)（CDS）熔接機的圖像自動控制熔接時間系統(tǒng)，在成像系統(tǒng)的光通路中，
添加一個窄帶干擾濾波器，使在整個熔過程中光纖都是可見的。同時，該系統(tǒng)采用了一種快速的圖像處理
算法，使實時控制熔接進程得以實現(xiàn)。測試結果表明，當熔接偏心光纖時接頭損耗得到明顯改善，除此之
外，該方法可以用來做出精確的衰減接頭。