采用新的自动熔接时间控制系统　有效改进光纤纤芯对准式熔接机的熔接质量

 摘要：熔接机用于连接光纤，其接头损耗小，并保持接头长
期稳定。每个特定的接头损耗都依赖于某个特定的条件，比如光
纤准备的质量、接续参数、光纤自身的结构以及光纤加热后的变
化等等。本文描述了一种用于具有图像处理的光纤纤芯对准式熔
接机的新的自动熔接时间控制技术。该新技术弥补了光纤加热时
的变化，降低平均接头损耗高达60％，减少接续失败率高达7
0％。此外，还可以采用该技术，得到精确的衰减接头。
　　关键词：光纤、熔接机、纤芯对准系统、轮廓对准系统、自
动熔接时间控制、衰减接头
　　1、介绍
　　加热熔接法是当今连接光纤的标准方法。目前有两种主要的
技术可以提供高质量的接头。
　　基于光注入探测系统LID（Local Injection and Detection）单元的弯曲耦合器将光从接头的前端注
入光纤，并在接续点后端检测它[1]，[2]。该方法不仅提供了可靠的接头损耗的测试，还同时允许在接续
过程中监视实际的接头损耗。因此，在此基础上，有可能采用实时处理控制系统，来得到很小的接头损
耗。这种系统叫做自动熔接时间控制（AFC）系统，它在接头损耗最小时精确地停止熔接进程。
　　另一种技术叫光纤纤芯对准系统（CDS），有时也叫轮廓对准系统（PAS），它采用一种特殊的光学系
统使光纤纤芯可见，在熔接完成后，可以通过分析纤芯的形状来估算接头损耗（3）（4）。遗憾的是，在
熔接正在进行的过程中，电弧光和炽热的光纤都非常明亮，从而导致摄像机芯片的饱和。因此，和LID系统
相比，直到现在也不可能对PAS系统接头过程实时控制。
　　接头质量主要依赖于熔接过程中光纤加热情况。电极污染和电极磨损能引起电弧位置和温度的变化。
光纤加热还依赖于光纤在电弧内的位置和大气压。熔接过程中主要的机理是已熔化的玻璃表面张力将会有
自动定心效应。特别是熔接偏心光纤时，如果光纤加热和熔接时间不好的话，自动定心效应会满足光纤外
层的对准而满足不了纤芯之间的对准，从而引起纤芯之间的错位。
　　如上所述，光纤加热时的变化不能完全避免，这些变化主要使偏心光纤的接头损耗变大。如果选择了
不合适的熔接参数，也会出现同样的问题。因此，采用一种自动熔接时间控制系统，来补偿上述所有影
响，并且还能找出每个独立接头的优化熔接时间，这种系统对接续是很有帮助的。
　　在上述系统的基础上，采用LID系统单元，它根据LID级别自动控制熔接时间，这似乎是一种较好的解
决办法。遗憾的是，有一些带有遮光涂料的涂层或涂层很厚的特殊光纤，不能在本地注入光或检测到光，
因此不能采用LID来控制熔接时间。
最好、价格昂贵的办法是将LID系统单元和CDS组合在一台熔接机内。本文介绍一种用CDS系统控制熔接时间
的更经济有效的解决办法，这样，我们就可以克服纤芯对准系统的一个主要缺点。
　　2、常用的纤芯对准系统
　　现代的熔接机使用一些技术来实现高质量的接续。常用的纤芯对准式熔接机具有特殊的光学系统，它
含有通过两条光线照射使纤芯可见的系统。它还用一种三向定位系统，可以对准纤芯而实现低的接头损
耗。在熔接完成后，对图像进行分析，然后通过纤芯的形状来计算出接头损耗
　　然而在熔接过程中，光纤被加热到1700～2000℃，这时，光纤发出热幅射和可见光，可见光的亮度足
以饱和摄像机芯片，这样，导致了既不能在显示屏上看到光纤，也不能在图像中检测到光纤。因此，微处
理器得不到用于计算得出光纤实际位置的反馈信号。然而找出光纤实际位置对现场进程控制是很必要的。
图1给出了常用的纤芯对准熔接机在热熔电极开启时的典型的光纤图像。
　　用一种临时减少熔接中电弧电流的办法可以克服上述问题，这样可以进行图像分析。但是电弧电流的
减少会同时导致光纤受热程度的减少，这也会影响接续质量。除此之外，这种方法还不是实时控制的方
法。
图1．常用的纤芯对准熔接机在热熔电极开启时的典型的光纤图像
　　3、AFCi：由图像控制的自动熔接时间控制系统（Automatic Fusion time Control by image）
　　3．1光学装置原理
　　我们提出一种新型CDS熔接机，它是根据一根发光光纤发射出的光的光谱宽度比用于照亮光纤的光电二
极管LED的光谱宽度要大的原理，因此，我们用一个窄带干扰滤波器来滤掉发热光纤发出的光而让发光LED
的光通过滤波器几乎不受任何影响。安装这种装置后，在整个接续过程中，光纤就一直清晰可见了。
图2．发热光纤的光谱,发光二极管以及窄带干涉滤波器的传输光谱
　　发热光纤的发射光谱和照明发光二极管的发射光谱如图2所示，热光纤发射出从可见光到红外光这种很
宽的光谱，而LED光谱相对来说就很窄，摄像机芯片在整个可见光波长范围内都很敏感。光纤图像的亮度是
由光谱在整个可见光波长范围内的积分来决定的，在我们举的例中，虽然LED光谱的波峰强度要大一些，但
是光纤发射光的积分是LED光谱积分的2倍，结果造成光纤图像由于光纤发光而被照亮。
　　图2中也画出了一种较合适的窄带的滤波器的光谱。该滤波器有一个和发光LED一样的中心波长，但又
比LED的光谱窄，大量发光光纤的光谱被滤波器过滤掉，因此，热光纤幅射也自然减少。所以，光纤的发光
对光纤图像在成像片中的成像质量影响很小，同时，在整个接续过程中，光纤仍然清晰可见。
　　这样，在发光LED的光通过系统时，能滤除发热光纤发出光。要用特殊的窄带干扰滤波器，才能过达到
该装置所需的滤波器的性能。这些滤波器可以放在光纤和摄像机之间的任何位置，图3给出了光学装置的原
理图。实际上，使用了两个以上的系统,一个被用于是X视图方向，另一个被用于Y视图方向。典型的兰色LE
D产生了较高的光学分辨率，照亮了光纤，并且，通过光学透镜系统将光纤图像传送到摄像机芯片上，熔接
电弧加热光纤，而发光光纤的发射光被窄带干扰滤波器滤掉，因此，光纤在整个熔接过程中清晰可见。
图4．在光纤熔接过程中，带窄带干扰滤波器的图象
　　图4是用我们的新型光学系统进行熔接时的照片。图片左边是X视图，右边是Y视图。该照片是在电弧开
启状态下拍摄的，光纤纤芯和光纤边缘都清晰可见，这样便于观察两根光纤相互之间的移动以及由于表面
张力引起玻璃熔化时的流动状态。
　　3．2进程控制
　　为了连续地控制熔接进程，必须采用一种快速的运算方法。要达到真正的实时控制，估算的时间周期
必须小于最小的熔接时间。在每一个周期内，每个光学视图的图像必须数字化。熔接时间的典型值大约3秒
左右。但如上所述，光纤熔接时间随着光纤加热的变化而大大改变。那么，有必要缩短光纤熔接时间（缩
短到半秒）。我们采用小于是100ms的时间周期，可以使熔接时间降到半秒。因此，我们的新型自动图像控
制熔接时间系统AFCi的熔接时间是从0.5s到熔接时间的最大值。还必须考虑在熔化过程中光纤温度的影
响，原则上，用窄带干扰滤波器不能滤掉热光纤的所有幅射，较高的光纤温度会使光纤图像更亮。为了测
试AFCi 工作时光纤的温度范围，我们改变了熔接机的熔接电流。图5表示了不同熔接电流在一个特定的图
像中的强度分布。一般熔接电流在14.5mA左右。我们的AFCi系统在整个熔接电流范围内工作，并能补偿光
纤受热的变化，甚至能补偿最坏的条件下的变化