專利名稱：塑料光纖傳輸損耗無損檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種對塑料光纖傳輸損耗進行無損實時檢測的方法。
背景技術：
塑料光 纖的傳輸損耗系數(shù)是衡量塑料光纖質(zhì)量的重要參數(shù)，然而目前對其進行測量的手段不多。如文獻“塑料光纖衰減測試方法的探討”中所述，現(xiàn)在主要的測量方法有三種截斷法、插入損耗法和后向散射法。其中市場上有一種基于截斷法的測量儀器(北京萬豐通達公司的FibKey WF6803)，但是以上方法都不能應用到生產(chǎn)線上進行實時測量，而是將生產(chǎn)出的光纖產(chǎn)品進行截斷采樣，然后在樣品光纖的截面上注入和提取光能量，通過處理注入與提取的光功率信息獲得光纖的傳輸損耗系數(shù)。其缺點是一、通過提取產(chǎn)品光纖中的一段樣品進行采樣測量，不能實現(xiàn)在線測量，無法及時獲得生產(chǎn)線上的光纖質(zhì)量信息，實時性很差；ニ、因為是采樣測量，所以需要投入部分人力，還要切除大量樣品光纖，造成了人力、物力的浪費；三、通過測量樣品的損耗系數(shù)，來標定全部產(chǎn)品的損耗信息，準確性和可靠性差。另ー方面，傳統(tǒng)的石英光纖傳輸損耗在線測量系統(tǒng)也無法復制到塑料光纖生產(chǎn)線上，如發(fā)明專利“ Method for using on line optic fiber loss monitor(專利號:US4, 081, 258) ”提出如下方案在固定于拉絲塔上的光纖預制棒一端注入光信號，在光纖產(chǎn)品的接收端提取光信號，通過處理注入與提取的光信號來獲得光纖傳輸損耗系數(shù)。但是這種方案無法應用到塑料光纖生產(chǎn)線上，因為石英光纖傳輸損耗極低，光在纖芯內(nèi)傳輸甚至數(shù)十千米后，在產(chǎn)品接收端依舊可以提取到足夠強度的光信號；然而，塑料光纖傳輸損耗極大，在擠出機處注入光信號，隨著光纖產(chǎn)品擠出到一定長度后(比如200m)，在產(chǎn)品接收端將無法探測到足夠強度的光信號。綜上，目前市場上沒有一種可以應用在生產(chǎn)線上的塑料光纖傳輸損耗實時檢測系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種塑料光纖傳輸損耗無損檢測方法，主要解決了現(xiàn)有檢測方法必須截斷塑料光纖才能檢測，以及無法對塑料光纖傳輸損耗進行在線檢測的問題。本發(fā)明的具體技術解決方案如下該塑料光纖傳輸損耗無損檢測方法，包括以下步驟I]選取塑料光纖中的任意一段作為待測光纖，將待測光纖長度記錄為L，2]將待測光纖的一端彎曲，同時使該彎曲處的光纖整體或其部分表面浸沒在ー種大于或等于光纖包層折射率的外部介質(zhì)環(huán)境中；同樣，將待測光纖的另一端彎曲，同時使該彎曲處的光纖整體或其部分表面浸沒于ー種大于或等于光纖包層折射率的外部介質(zhì)環(huán)境中；3]入射光穿過外部高折射率介質(zhì)環(huán)境，在浸沒于所述外部高折射率介質(zhì)環(huán)境中的待測光纖一端彎曲段的表面處，通過光纖包層實現(xiàn)光信號的注入，使入射光信號進入纖芯傳輸；注入到光纖纖芯的光信號在待測光纖另一端彎曲部分通過光纖包層輻射到外部介質(zhì)環(huán)境中；探測此時輻射出的光信號功率并記錄為P1;4]將待測光纖長度増加至L+AL，即增加了長度為AL的塑料光纖段，重復步驟2和步驟3，探測此時輻射出的光信號功率并記錄為P2。5]通MP1, P2及AL，得到光纖傳輸損耗系數(shù)a。上述步驟3中，入射光應與光信號實現(xiàn)注入后光纖恢復拉直狀態(tài)的平直部分平行或接近平行。 上述步驟I中，L的長度決定于被測塑料光纖纖芯內(nèi)的光場模式分布達到穩(wěn)定所需的傳輸距離，以大于20米為佳。上述步驟2中，對于被測塑料光纖，其彎曲的曲率半徑R的選擇須滿足R不能過小以避免永久地改變光纖原有屬性或損傷光纖，R也不能過大以妨礙光能量的高效注入和提取。兩段彎曲的曲率半徑相同，曲率半徑以8mm到16mm為佳。上述步驟3中，入射光射入待測段光纖時的光束直徑大于塑料光纖纖芯直徑。上述步驟2中所述的介質(zhì)，以選擇折射率匹配液為佳，折射率匹配液應與塑料光纖不發(fā)生化學反應、不改變塑料光纖屬性、不腐蝕塑料光纖。上述步驟3中，對輻射出的光信號進行匯聚，將匯聚后的光信號功率進行探測并I■己求。上述步驟5中，將光信號注入后，第一次提取的光信號的功率P1作為第二次提取的光功率所對應的輸入光功率，將第二次提取的光信號的功率P2作為第一次提取的光功率所對應的輸出光功率，將Pp P2分別視為AL段塑料光纖兩端的輸入光功率與輸出光功率，結合長度AL并代入公式求得傳輸損耗系數(shù)。上述步驟3中，入射光應由650nm的半導體激光光源發(fā)出，通過光準直系統(tǒng)并經(jīng)步驟2所述的介質(zhì)進入塑料光纖纖芯中。該塑料光纖傳輸損耗無損檢測方法還可應用于在線檢測，在線進行檢測時，包括以下步驟I]從塑料光纖拉制系統(tǒng)中選取塑料光纖任意一段作為待測光纖段，將待測光纖長度記錄為L ；2]將待測光纖的一端彎曲，同時使該彎曲處的光纖整體或其部分表面浸沒在ー種大于或等于光纖包層折射率的外部介質(zhì)環(huán)境中；同樣，將待測光纖的另一端彎曲，同時使該彎曲處的光纖整體或其部分表面浸沒于ー種大于或等于光纖包層折射率的外部介質(zhì)環(huán)境中；3]入射光穿過外部高折射率介質(zhì)環(huán)境，在浸沒于所述外部高折射率介質(zhì)環(huán)境中的待測光纖一端彎曲段的表面處，通過光纖包層實現(xiàn)光信號的注入，使入射光信號進入纖芯傳輸；注入到光纖纖芯的光信號在待測光纖另一端彎曲部分通過光纖包層輻射到外部介質(zhì)環(huán)境中；探測此時輻射出的光信號功率并記錄為P1 ;4]將待測光纖長度増加至L+AL，即增加了長度為A L的塑料光纖段，重復步驟2和步驟3，探測此時輻射出的光信號功率并記錄為P2 ；5]通MP1, P2及AL，得到光纖傳輸損耗系數(shù)a。上述步驟I中，L的長度決定于被測塑料光纖纖芯內(nèi)光場模式達到穩(wěn)定分布所需的傳輸距離，以大于20米為佳。上述步驟2中，被測塑料光纖彎曲的曲率半徑R的選擇須滿足R不能過小以避免永久地改變光纖原有屬性或損傷光纖，R也不能過大以妨礙光能量的高效注入和提取。兩段彎曲的曲率半徑相同，曲率半徑以8mm到16mm為佳。
上述步驟3中，入射光射入待測段光纖時的光束直徑大于塑料光纖纖芯直徑。上述步驟2中所述的介質(zhì)，以選擇折射率匹配液為佳，折射率匹配液應與塑料光纖不發(fā)生化學反應、不改變塑料光纖屬性、不腐蝕塑料光纖。上述步驟3中，對輻射出的光信號進行匯聚，將匯聚后的光功率進行探測并記錄。上述步驟5中，將光信號注入后，第一次提取的光信號的功率P1作為第二次提取的光功率所對應的輸入光功率，將第二次提取的光信號的功率P2作為第一次提取的光功率所對應的輸出光功率，將Pp P2分別視為AL段塑料光纖兩端的輸入光功率與輸出光功率，結合長度AL并代入公式求得傳輸損耗系數(shù)。上述步驟3中，入射光應由650nm的半導體激光光源發(fā)出，通過光準直系統(tǒng)并經(jīng)步驟2所述的介質(zhì)進入塑料光纖纖芯中。本發(fā)明的優(yōu)點是I、該塑料光纖傳輸損耗無損檢測方法，主要通過由折射率匹配塊、折射率匹配液、光纖彎曲夾持器三者構成的光注入模塊和光提取模塊在生產(chǎn)線上任意一段適當長度的光纖兩節(jié)點處分別實現(xiàn)光信號注入和光信號提取，通過處理探測到的光功率信息獲得光纖傳輸損耗系數(shù)，進而實現(xiàn)生產(chǎn)線上的傳輸損耗系數(shù)實時測量，實現(xiàn)全天候在線監(jiān)測生產(chǎn)過程。2、該塑料光纖傳輸損耗無損檢測方法的核心是提出了一種新穎的光注入與光提取方法，即提出了ー種新式的光注入模塊和光提取模塊的方案。所述光注入模塊和光提取模塊均使光纖彎曲，并且使彎曲處的光纖整體或其部分表面浸沒在高折射率介質(zhì)環(huán)境中。在所述的浸沒于高折射率介質(zhì)環(huán)境中的光纖彎曲部分的表面處，實現(xiàn)光信號的注入與提取。該方法無需截斷光纖，在光注入和光提取過程中不會對光纖產(chǎn)生任何損壞、損傷，從而可實現(xiàn)無損傷測量。3、上文提及的新式光注入與光提取方法的光耦合效率較高，理論模擬表明，在光注入節(jié)點處將光能量耦合到光纖纖芯以及在光提取節(jié)點處將纖芯內(nèi)光能量耦合到光纖包層外的光I禹合效率均可達50%以上。4、上文提到的光注入方法和光提取方法，其設計結構簡單，對環(huán)境要求不高，有較好的穩(wěn)定性和可靠性。


圖I是塑料光纖傳輸損耗在線檢測系統(tǒng)示意圖；圖2是注入(提取)模塊的三維結構線框圖；圖3是用相關軟件進行仿真的光注入能量分布；圖4是整合注入與提取模塊的三維結構線框圖。
具體實施例方式本發(fā)明的原理如下
選取塑料光纖中的任意一段作為待測光纖，在其兩節(jié)點處分別高效地注入和提取光能量，并保證有足夠強度的光功率信息可以被光功率計探測到，利用提取出的光功率信息獲得光纖的傳輸損耗系數(shù)；同時，該方案將光纖包層外的光能量經(jīng)由光纖包層耦合到光纖纖芯，之后將纖芯內(nèi)的光信號通過包層提取出光纖，整個測量過程中不必截斷光纖，也就不會損傷、損壞塑料光纖，從而實現(xiàn)了光纖傳輸損耗的無損測量；由于該方法可以實現(xiàn)對塑料光纖的無損檢測，故可以應用在連續(xù)運轉(zhuǎn)的塑料光纖生產(chǎn)線上，進行在線無損實時檢測。以下結合附圖對本發(fā)明進行詳述該塑料光纖傳輸損耗無損檢測方法，包括以下步驟I]選取塑料光纖中的任意一段作為待測光纖，將待測光纖長度記錄為L ;其中L的長度決定于被測塑料光纖纖芯內(nèi)的光場模式分布達到穩(wěn)定所需的傳輸距離，以大于20米為佳，因為長度過長將無法在提取過程中獲得足夠強度的光功率，而光纖長度過短將導致纖芯內(nèi)的光場模式從而光功率分布不穩(wěn)定；2]將待測光纖的一端彎曲，同時使該彎曲處的光纖整體或其部分表面浸沒在ー種大于或等于光纖包層折射率的外部介質(zhì)環(huán)境中；同樣，將待測光纖的另一端彎曲，同時使該彎曲處的光纖整體或其部分表面浸沒于ー種大于或等于光纖包層折射率的外部介質(zhì)環(huán)境中；對于被測塑料光纖，其彎曲的曲率半徑R的選擇須滿足R不能過小以避免永久地改變光纖原有屬性或損傷光纖，R也不能過大以妨礙光能量的高效注入和提取，兩段彎曲的曲率半徑相同，曲率半徑以8mm到16mm為佳；其具體方案是將待測光纖的一端彎曲，同時使該彎曲處的光纖整體或其部分表面浸沒在一種大于或等于光纖包層折射率的外部介質(zhì)環(huán)境中；入射光穿過外部高折射率介質(zhì)環(huán)境，在浸沒于所述外部高折射率介質(zhì)環(huán)境中的光纖彎曲段的表面處，通過光纖包層實現(xiàn)光信號的注入，使入射光信號進入纖芯傳輸；3]該步驟主要利用光注入法和光提取法完成，其具體是入射光穿過外部高折射率介質(zhì)環(huán)境，在浸沒于所述外部高折射率介質(zhì)環(huán)境中的待測光纖一端彎曲段的表面處，通過光纖包層實現(xiàn)光信號的注入，使入射光信號進入纖芯傳輸；注入到光纖纖芯的光信號在待測光纖另一端彎曲部分通過光纖包層輻射到外部介質(zhì)環(huán)境中；探測此時輻射出的光信號功率并記錄為P1 ;采取光注入法進行光信號注入，入射光一般選擇由650nm的半導體激光光源發(fā)出，通過光準直系統(tǒng)并經(jīng)步驟2所述的介質(zhì)進入塑料光纖纖芯中，入射光在光纖彎曲處通過光纖包層注入到光纖纖芯中后，由于大部分光線滿足全內(nèi)反射條件，在纖芯內(nèi)形成穩(wěn)定的纖芯模式，即完成了光能量的注入；理論模擬了光注入節(jié)點之后IOcm處的光纖纖芯截面光功率分布(如圖3)，實際注入功率達到了入射光功率的50%以上；其中，入射光應與光信號實現(xiàn)注入后光纖恢復拉直狀態(tài)的平直部分平行或接近平行；光注入法具體可以采取光注入模塊的結構形式來實現(xiàn)，但并不限于該結構光注入模塊由折射率匹配塊、折射率匹配液、光纖彎曲夾持器組成，其中折射率匹配塊和折射率匹配液的折射率要求大于或等于光纖包層材料折射率，并且它們是透明材料，另外，要求折 射率匹配液與塑料光纖不發(fā)生化學反應、不改變塑料光纖屬性、不腐蝕塑料光纖，通過折射率匹配液和折射率匹配塊，可以將光纖彎曲部分的整體或其部分表面浸入高折射率介質(zhì)環(huán)境中。光纖彎曲夾持器和折射率匹配塊配合使用，二者將光纖固定夾持，并使得塑料光纖以一定曲率半徑彎曲；光提取方法用到的器件以及器件的使用方法與光注入方法相似，當光信號在待測光纖內(nèi)傳輸距離L(単位m)后，在提取節(jié)點處通過光纖彎曲夾持器、折射率匹配塊和折射率匹配液，將光纖彎曲，并且使彎曲處的光纖整體或其部分表面浸沒在高折射率介質(zhì)環(huán)境中；在實際測量中，光纖的彎曲處會有大量光能量通過光纖包層輻射出光纖，并通過折射率匹配塊傳輸?shù)酵鈧?cè)空氣中，用光束匯聚透鏡組將這部分能量匯聚到光功率計探頭上，記錄此時光功率P1 ;4]將待測光纖長度増加至L+AL，即增加了長度為A L的塑料光纖段，重復步驟2和步驟3，探測此時輻射出的光信號功率并記錄為P2 ；5]由兩次光功率值及兩次測量對應的光纖長度間隔AL及PpP2可求出光纖傳輸 損耗系數(shù)a (単位dB/m)
10, 「乃)CC = -^-Iog10 — o圖4給出了整合光注入模塊和光提取模塊的三維結構線框圖。在不考慮光纖傳輸損耗的簡單情形下，理論模擬了圖4所示結構的光傳輸過程，獲得了高達25%以上的光能量利用率，表明該方法可完全滿足塑料光纖傳輸損耗系數(shù)測量的要求。同時，由于該方法無損檢測的特性，使得該方法可以進行在線檢測，在線檢測吋，僅需增加光纖存儲機構即可。
權利要求
1.一種塑料光纖傳輸損耗無損檢測方法，其特征在于，包括以下步驟 1]選取塑料光纖中的任意一段作為待測光纖，將待測光纖長度記錄為L； 2]將待測光纖的一端彎曲，同時使該彎曲處的光纖整體或其部分表面浸沒在一種大于或等于光纖包層折射率的外部介質(zhì)環(huán)境中；同樣，將待測光纖的另一端彎曲，同時使該彎曲處的光纖整體或其部分表面浸沒于ー種大于或等于光纖包層折射率的外部介質(zhì)環(huán)境中； 3]入射光穿過外部高折射率介質(zhì)環(huán)境,在浸沒于所述外部高折射率介質(zhì)環(huán)境中的待測光纖一端彎曲段的表面處，通過光纖包層實現(xiàn)光信號的注入，使入射光信號進入纖芯傳輸；注入到光纖纖芯的光信號在待測光纖另一端彎曲部分通過光纖包層輻射到外部介質(zhì)環(huán)境中；探測此時輻射出的光信號功率并記錄為P1 ； 4]將待測光纖長度増加至L+AL，即增加了長度為AL的塑料光纖段，重復步驟2和步驟3，探測此時輻射出的光信號功率并記錄為P2 ； 5]通MP1,P2及AL，得到光纖傳輸損耗系數(shù)a。
2.根據(jù)權利要求I所述的塑料光纖傳輸損耗無損檢測方法，其特征在于所述步驟3中，入射光應與光信號實現(xiàn)注入后光纖恢復拉直狀態(tài)的平直部分平行或接近平行。
3.根據(jù)權利要求2所述的塑料光纖傳輸損耗無損檢測方法，其特征在于所述步驟I中，L的長度決定于被測塑料光纖纖芯內(nèi)的光場模式分布達到穩(wěn)定所需的傳輸距離。L的長度以大于20米為宜。
4.根據(jù)權利要求3所述的塑料光纖傳輸損耗無損檢測方法，其特征在于所述步驟2中，對于被測塑料光纖，其彎曲的曲率半徑R的選擇須滿足R不能過小以避免永久地改變光纖原有屬性或損傷光纖，R也不能過大以妨礙光能量的高效注入和提取。曲率半徑以8mm到16mm為宜。
5.根據(jù)權利要求4所述的塑料光纖傳輸損耗無損檢測方法，其特征在于入射光應由650nm的半導體激光光源發(fā)出，通過光準直系統(tǒng)并經(jīng)步驟2所述的介質(zhì)進入塑料光纖纖芯中。入射光射入待測光纖時的光束直徑大于塑料光纖纖芯直徑。
6.根據(jù)權利要求5所述的塑料光纖傳輸損耗無損檢測方法，其特征在于所述步驟2中所述的介質(zhì)，為折射率匹配液，折射率匹配液應與塑料光纖不發(fā)生化學反應、不改變塑料光纖屬性、不腐蝕塑料光纖。
7.根據(jù)權利要求6所述的塑料光纖傳輸損耗無損檢測方法，其特征在于所述步驟3中，對輻射出的光信號進行匯聚，將匯聚后的光信號功率進行探測并記錄。
8.根據(jù)權利要求7所述的塑料光纖傳輸損耗無損檢測方法，其特征在于所述步驟5中，將光信號注入后，第一次提取的光信號的功率P1作為第二次提取的光功率所對應的輸入光功率，將第二次提取的光信號的功率P2作為第一次提取的光功率所對應的輸出光功率，-Pp P2分別視為AL段塑料光纖兩端的輸入光功率與輸出光功率，結合長度AL井代入公式求得傳輸損耗系數(shù)。
9.根據(jù)權利要求I至8任一所述的塑料光纖傳輸損耗無損檢測方法，其特征在于所述步驟I中，所選取塑料光纖是從運行的塑料光纖拉制系統(tǒng)中直接引入檢測。
10.根據(jù)權利要求9所述的塑料光纖傳輸損耗無損檢測方法，其特征在于所述從運行的塑料光纖拉制系統(tǒng)中選取待測塑料光纖后，將該段光纖固定，而測量過程中生產(chǎn)的光纖要存放到光纖臨時暫存單元上。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種塑料光纖傳輸損耗無損檢測方法，該塑料光纖傳輸損耗無損檢測方法，主要通過由折射率匹配塊、折射率匹配液、光纖彎曲夾持器三者構成的光注入模塊和光提取模塊在生產(chǎn)線上任意一段適當長度的光纖兩節(jié)點處分別實現(xiàn)光信號注入和光信號提取，通過處理探測到的光功率信息獲得光纖傳輸損耗系數(shù)，進而實現(xiàn)生產(chǎn)線上的傳輸損耗系數(shù)實時測量，實現(xiàn)全天候在線監(jiān)測生產(chǎn)過程。同時，該方法無需截斷光纖，在光注入和光提取過程中不會對光纖產(chǎn)生任何損壞、損傷，從而還可實現(xiàn)無損傷測量。
文檔編號G01M11/02GK102645320SQ20121010708
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月12日 優(yōu)先權日2012年4月12日
發(fā)明者任立勇, 林霄 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所, 陜西翰威科技發(fā)展有限公司