【单模光纤缺陷检测方法分析3500字】

单模光纤缺陷检测方法分析1.1单模光纤缺陷检测原理1.1.1单模光纤缺陷分析光纤拉丝技术经过多年发展，已达到较成熟的阶段。现代工艺条件下的光纤预制棒直径一般为150～200mm，拉丝速度为2000～3000m/min，光纤直径为125±1μm，涂覆层直径为245±10μm。拉丝开始前，在调速系统的控制下将光纤预制棒缓缓送入光纤拉丝塔[58]，拉丝塔结构如图1.1所示。图1.1光纤拉丝塔结构示意图拉丝塔主要分为三个区域：加热区，冷却区和涂覆区。拉丝开始前，光纤预制棒的一端被夹持，垂直放置在加热区。拉丝开始时，预制棒下端在加热炉中被加热到2000℃，端部开始熔融，粘度减小，在表面张力作用下由收丝轮以合适的张力拉成光纤。涂覆区主要通过涂覆树脂对光纤进行保护，同时减小光纤的微弯损耗，一般包括两次涂覆，涂覆完成后即完成了光纤的生产。单模光纤生产过程中一般较常见的缺陷是气线，混融以及气线混融并存缺陷，如图1.2所示。预制棒生产过程中棒体内可能会有小气泡等缺陷，尤其是在预制棒锥部，经高温拉丝制成光纤时，这种缺陷在纤芯内会形成一根细线，称为气线，具体如图1.2（a）所示。裸光纤表面会涂覆两层涂料做为保护层，目前单模光纤涂覆采用两层涂覆完成后再进行固化的方式，因此在切换涂料、涂覆器内有杂物、涂覆器未装配好等情况下可能会出现两层涂料混杂的情况，称为混融，具体见图1.2（b）所示。还有一种气线与混融缺陷并存的情况，称为气线混融并存缺陷，如图1.2（c）所示。气线缺陷存在于玻璃层，而混融缺陷存在于涂覆层，两种缺陷都会影响光纤的使用，特别是气线缺陷，会对光纤芯层中光的传输造成影响。因此为保证单模光纤质量，需要能够检测出缺陷。下面对气线，混融以及气线混融并存缺陷的特征进行分析，具体如表1.1所示。（a）气线缺陷（b）混融缺陷（c）气线混融并存缺陷图1.2光纤生产中的各种缺陷表1.1各类缺陷特征分析缺陷特征气线混融气线混融并存存在位置芯层或包层涂覆层芯层或包层+涂覆层可检测角度第1个角度某个角度第1个角度+某个角度1.1.2单模光纤缺陷检测原理从表1.1可知，气线缺陷位于光纤玻璃层，混融缺陷位于涂覆层，故无法使用第二章介绍的光学系统进行缺陷检测。想同时检测玻璃层的气线缺陷和涂覆层的混融缺陷，则必须同时对整根光纤（含涂覆层）进行检测。基于以上分析，我们基于机器视觉技术设计以下检测系统进行缺陷检测，如图1.3所示。图1.3单模光纤缺陷检测系统示意图此系统由光学单元，控制系统，计算机和显示单元组成，其中光学单元包括光源，油槽，旋转单元，透镜和相机。其中光学单元各部分的作用如下：光源，透镜和相机的作用主要是获得单模光纤的图像信息。考虑到光源的稳定性、均匀性、光照亮度以及使用寿命等因素，本文选择中心波长为760nm的LED做为照明光源，采用正面照射的方式照射。相机的选型可遵循第2章的选型原则进行，考虑到缺陷检测的精度要求没有几何参数检测的精度要求高，本章选择CMOS相机，如大恒工业相机MER-500-14GM-P。油槽的作用是使单模光纤处于匹配液浸泡的环境，以保证在光学成像时光纤的外涂覆层边界清晰可见。考虑到涂覆层材料的折射率，匹配液可选择折射率为1.50～1.60的匹配液。旋转单元的作用是将单模光纤按预定的角度旋转，便于检测出可能存在于某个角度上的缺陷，此项检测主要针对混融缺陷。系统检测原理如下：当待检光纤插入油槽开始检测时，LED发光并照亮单模光纤与匹配液所在区域，光纤的图像经光学单元成像后被相机采集，如图1.4所示。然后旋转单元会将光纤自动旋转到下一个预设角度并再次采集图像信息，直到所有角度的图像信息都被采集后停止旋转，并对所获得图像进行分析、处理和判断。考虑到生产效率，一般可旋转5～7个角度。图1.4相机捕获的单模光纤图像当收集完所有角度的光纤图像后，开始处理光纤图像，光纤图像处理流程如图1.5所示。由于图像处理技术在上一章已经介绍过，本章只进行简单介绍。图1.5光纤图像处理流程图像滤波光纤端面图像在放大和采集过程中会引入一些噪声，这些噪声会对图像的特征信息造成干扰，因此在图像处理时常常需使用一些滤波技术来处理图像。图像增强图像增强是将图像中感兴趣但不清晰的部分变得清晰或者抑制图像中不需要的部分，目的是为了改善图像的视觉效果。特征提取特征提取是将感兴趣的原始特征转换为一组具有明显物理意义或者统计意义的特征，便于后续分析。缺陷检测和判断上一步处理得到的图像包含了缺陷信息，对其中的缺陷信息进行标记，并提取不同缺陷的相应信息，最后根据图像不同区域的标准进行判断。从上面流程可以看出，整个图像处理中最重要的是特征提取和缺陷信息的识别与判断，下面重点介绍缺陷的提取、识别和判断。1.2单模光纤缺陷检测流程单模光纤检测过程中需要检测的缺陷是气线，混融以及气线混融并存缺陷，三者的区别是缺陷分别位于单模光纤的不同层中。一般来说，质量良好的光纤其灰度分布是均匀的，当有缺陷出现时，其灰度分布会出现突变，因此可利用正常光纤和缺陷光纤的灰度直方图进行区分[59]，图1.6～1.9为使用NIVisionAssistant处理得到的灰度直方图。（a）正常光纤（b）正常光纤灰度直方图图1.6正常光纤及其灰度直方图分布（a）气线光纤(b)气线光纤灰度直方图图1.7气线光纤及其灰度直方图分布（a）混融光纤（b）混融光纤灰度直方图图1.8混融光纤及其灰度直方图分布（a）气线和混融并存光纤（b）气线和混融并存光纤灰度直方图图1.9气线和混融并存光纤及其灰度直方图分布通过上面分析可知，灰度值分布原理可用于单模光纤缺陷检测，但使用直方图的方式不容易区分缺陷类型。本章主要根据图像边缘处灰度的变化规律，对经过滤波去噪处理的图像使用边缘算子提取边缘图像，然后根据图像边缘信息进行缺陷判断，具体缺陷检测过程如图1.10所示。图1.10缺陷检测过程中值滤波和阈值分割中值滤波法是指将每一点的像素值使用该点领域范围内各点值的中值进行替代，此方法能够有效除去图像中的噪声，有很好的滤波作用。阈值分割是指根据图像的灰度级别，设置特定阈值T，将图像中所有的像素点分为两类，设原始图像为f(u,v)，则经过阈值分割后的图像g(u,v)为：（5-1）经过上述处理，即完成了图像的二值化处理，图1.11(a)，(b)，(c)，(d)分别为正常光纤，气线缺陷光纤，混融缺陷光纤和气线混融并存缺陷光纤经中值滤波和阈值分割后的图像。（a）正常光纤二值化图像（b）气线缺陷光纤二值化图像（c）混融缺陷光纤二值化图像（d）气线和混融并存光纤二值化图像图1.11正常和缺陷光纤的二值化图形边缘特征提取边缘检测是图像处理中用于边缘特征信息提取的一个重要手段，一般使用微分算子进行边缘检测，常用的空间微分算子包括Roberts算子、Prewitt算子、Sobel算子、拉普拉斯算子和Canny算子。这些算子在上一章进行过介绍，本章不再单独介绍。本章使用Roberts算子进行边缘信息提取，提取后的边缘图像如图1.12。（a）正常光纤边缘提取图像（b）气线缺陷光纤边缘提取图像（c）混融缺陷光纤边缘提取图像（d）气线混融缺陷光纤边缘提取图像图1.12正常光纤和缺陷光纤的边缘提取图像缺陷检测区域划分获得光纤的边缘图像信息后，根据图像左右两边边缘的最外边界线的中心值作为X方向上零点，根据垂直方向上的中心值做为Y方向的零点，以此做为坐标系的原点建立坐标系，如图1.13所示。坐标系建立以后，将检测区域划分为两部分：一部分为包层区域，即X方向坐标在QUOTE-Rclad2-Rclad2～QUOTERclad2Rclad2，另一部分为包层到涂覆层范围，即X方向坐标在QUOTERclad2Rclad2～QUOTERcoat2图1.13检测区域坐标系缺陷识别与判断本文采用的方法是通过光纤边缘信息中边界线的数量进行缺陷识别，根据多余边界线位于的区域进行缺陷判断。获得图像的边缘信息后，从原点往两边寻找边界线，根据边界线数量和位置进行缺陷识别与判断。当光纤无缺陷时边界数量为12，当存在气线或者混溶缺陷时边界数量为14，如图1.14所示，当存在气线和混溶缺陷时边界线数量为16，此时可直接判定缺陷类型。确认缺陷后根据缺陷位置确定缺陷类型，具体识别与判断原则见表1.2所示。图1.14混融缺陷光纤边界数量表1.2单模光纤缺陷判断原则边界线数量/条多余边界线位置正常光纤12———气线缺陷光纤14芯层或包层混融缺陷光线14涂覆层气线混融光纤16涂敷层，芯层（或包层）1.3实验结果与分析本文利用上述缺陷检测方法，基于Labview软件开发了一个缺陷检测程序，分别对混融，气线以及气线混融并存缺陷光纤进行检测，检测结果如图1.15，1.16和1.17。（a）混融光纤样品（b）混融样品检测结果图1.15混融光纤检测