光纖連接器陶瓷插芯長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器的研究與應(yīng)用

陳明山　何溪　申瑞　裴一

摘 要：通過(guò)對(duì)單模陶瓷插針光纖連接器結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合光學(xué)測(cè)量和圖像處理技術(shù)，研發(fā)出一款專門(mén)針對(duì)陶瓷插芯長(zhǎng)度測(cè)量的光學(xué)檢測(cè)儀器。該儀器的運(yùn)用解決了傳統(tǒng)測(cè)量中接觸性測(cè)量導(dǎo)致插芯端面磨損等問(wèn)題，提高了檢測(cè)精度，具有推廣意義。

關(guān)鍵詞：陶瓷插芯；長(zhǎng)度測(cè)量；光學(xué)測(cè)量?jī)x器

中圖分類號(hào)：TN253 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）15-0173-02

Abstract： By analyzing the structure of single-mode ceramic pin optical fiber connector and combining the optical measurement and image processing technology， a special optical detection instrument for ceramic core length measurement is developed. The application of this instrument solves the problem that the contact measurement in the traditional measurement leads to the wear of the end face of the intercalation core， and improves the precision of the detection. It is of great significance for popularization.

Keywords： ceramic core insertion； length measurement； optical measuring instrument

1 概述

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，光纖通信技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。光纖連接器作為光纖通信網(wǎng)絡(luò)的接插節(jié)點(diǎn)，其性能指標(biāo)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)穩(wěn)定、能耗等有著重大影響。光纖陶瓷插芯是光纖連接器的核心部件，具有定位、緊固等功能，能夠在多次插拔中保持光纖性能穩(wěn)定。光纖連接器生產(chǎn)過(guò)程中，要求每一枚陶瓷插芯的尺寸必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格檢測(cè)。光纖陶瓷插芯屬于小型精密元件，傳統(tǒng)的插芯長(zhǎng)度測(cè)量方式存在效率低、磨損端面等問(wèn)題。為了解決插芯長(zhǎng)度測(cè)量中的難題，現(xiàn)將光學(xué)測(cè)量技術(shù)與計(jì)算機(jī)視覺(jué)、數(shù)字圖像處理技術(shù)交叉、融合，研發(fā)一款新型測(cè)量?jī)x器，解決傳統(tǒng)測(cè)量中的問(wèn)題。

2 設(shè)備研發(fā)分析

2.1 產(chǎn)品分析

光纖連接器是一種常見(jiàn)的連接器，有LC、FC、ST等多種的連接器類型。根據(jù)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T1198-2002《光纖活動(dòng)連接器插針體技術(shù)要求》，將同種類型的連接器插針體按照加工精度分類，又分為單模和多模兩種，分別對(duì)應(yīng)兩種不同的通信連接需求。

光纖連接器對(duì)接時(shí)，插頭與插座的對(duì)接實(shí)質(zhì)上是兩個(gè)插針對(duì)接。為了能有效的防止插針長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，對(duì)接時(shí)頂傷插針端面和插針過(guò)短，導(dǎo)致連接器對(duì)接時(shí)，光纖端面產(chǎn)生一定的空隙，存在光纖端面間隙損耗，接觸不良的問(wèn)題，在制造過(guò)程中需控制插針研磨后的長(zhǎng)度。

2.2 設(shè)備研發(fā)要解決的問(wèn)題

該系列產(chǎn)品原用于以多模陶瓷插芯的生產(chǎn)為主，精度要求較低?，F(xiàn)主需求單模陶瓷插芯產(chǎn)品，精度要求提高。為了保證精度，產(chǎn)品在出產(chǎn)前通常會(huì)經(jīng)歷多次不同階段的檢測(cè)。設(shè)備應(yīng)用前，陶瓷插芯主要測(cè)試方法為比較測(cè)量法，將利用千分尺或電子卡尺多次測(cè)量的測(cè)試針結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)針結(jié)果進(jìn)行比較。傳統(tǒng)的測(cè)量方式具有以下缺陷：分尺測(cè)量不能直接讀出結(jié)果，測(cè)量效率低。電子卡尺測(cè)量精度低，需多次測(cè)量，且接觸式測(cè)量容易損傷研磨端面。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查，光纖連接器陶瓷插芯長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器設(shè)計(jì)中需要解決以下問(wèn)題：

（1）光纖插芯端面為研磨后的完成品，端面不允許接觸性測(cè)量。

（2）光纖插芯測(cè)量時(shí)，連接器已完成法蘭組裝，為測(cè)量帶來(lái)了困難。

（3）提高現(xiàn)光纖插芯的測(cè)量精度，根據(jù)車(chē)間工藝提供的數(shù)據(jù)計(jì)算間隙損耗，最終要求該設(shè)備達(dá)到0.01mm的測(cè)量精度。

3 陶瓷插芯長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器的研究與應(yīng)用

3.1 光源選擇

選用平行光源測(cè)量系統(tǒng)基于機(jī)器視覺(jué)原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷插芯外徑的非接觸式在線測(cè)量。為了得到清晰的陶瓷插芯邊緣，測(cè)量系統(tǒng)通常選用明場(chǎng)背光照明方式。明場(chǎng)背光照明方式根據(jù)照明光源的不同可以分為兩種，分別是漫射光源背光照明和平行光源背光照明。由于陶瓷插芯邊緣為有傾角的圓弧，且十分光滑，表面反光使插芯邊緣取像模糊，所以選用平行光源，并采用背光照明的方式削弱漫反射現(xiàn)象的影響，盡量得到物體邊緣尖銳的圖像。對(duì)光源顏色的選擇上，采用藍(lán)光。藍(lán)光波長(zhǎng)短，邊緣成像更清晰。

3.2 相機(jī)選擇

本設(shè)計(jì)中，機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)精度要求很高。為了解決景深物體成像大小變化的問(wèn)題，選用綜合了物方和像方遠(yuǎn)心的雙重作用的雙遠(yuǎn)心鏡頭。雙遠(yuǎn)心鏡頭通過(guò)在物體側(cè)和CCD側(cè)的中間位置放置孔徑光闌，保證主光線一定通過(guò)孔徑中心點(diǎn)，使物體側(cè)和成像側(cè)的主光線平行于光軸進(jìn)入鏡頭。入射平行光保證足夠大的景深范圍，從鏡頭出來(lái)的平行光則保證即使工作距離在景深范圍內(nèi)發(fā)生大幅度變化，成像的高度也就是放大倍率不會(huì)發(fā)生變化。

3.3 陶瓷插芯長(zhǎng)度測(cè)量夾具設(shè)計(jì)

由圖1可知，該類型產(chǎn)品的金屬殼體是圓柱階梯結(jié)構(gòu)，設(shè)備需要測(cè)量的陶瓷插芯長(zhǎng)度是金屬殼體第一個(gè)端面與陶瓷插芯頂端的距離。在視覺(jué)成像系統(tǒng)中，相機(jī)位置固定，工作距離固定，為了將不同種類的連接器能夠固定在同一位置，設(shè)計(jì)與同種連接器相匹配的固定模具。

將光纖線從上面放入夾具中，拉動(dòng)光纖線，使金屬法蘭進(jìn)入夾具，光纖的第一個(gè)法蘭端面會(huì)卡在夾具的階梯孔中，陶瓷插芯懸空，不與夾具接觸。設(shè)備的測(cè)量操作過(guò)程滿足陶瓷插芯無(wú)接觸測(cè)量的要求。

3.4 圖像檢測(cè)軟件的設(shè)計(jì)

使用Labview作為程序軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。在相機(jī)獲得的圖像上手動(dòng)設(shè)置檢查區(qū)域，然后在這些區(qū)域中找到可以進(jìn)行測(cè)量的位置。選用邊緣檢測(cè)來(lái)定位測(cè)量點(diǎn)方法，找到物體邊界線。圖像中的不連續(xù)性通常表示像素強(qiáng)度值的突然變化，這是物體圖像邊界的特征。利用邊緣檢測(cè)工具來(lái)識(shí)別和定位尖銳的不連續(xù)性。在Labview中，使用IMAQ Find Edge VI找到基于矩形邊緣的搜索區(qū)域中的直線。如下圖所示，IMAQ Find Edge VI發(fā)現(xiàn)了圖形中連接器端面所形成的直線。

同時(shí)程序中使用了兩種邊緣檢測(cè)技術(shù)來(lái)構(gòu)建一個(gè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。使用IMAQ Find CoordSy s（Rect）2VI來(lái)定義一個(gè)使用一個(gè)矩形區(qū)域的參考坐標(biāo)系統(tǒng)。然后使用IMAQ找到CoordSys（2個(gè)Rects）2 VI來(lái)定義一個(gè)參考坐標(biāo)系統(tǒng)，使用兩個(gè)獨(dú)立的矩形區(qū)域。完成以上步驟，使用邊緣檢測(cè)來(lái)構(gòu)建一個(gè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。兩者坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后，取陶瓷插芯端面線段截取的中點(diǎn)，計(jì)算該中點(diǎn)到法蘭端面所在直線的距離。

如圖2所示，中間空白部分為圖像區(qū)域，手動(dòng)選取插針端面和法蘭端面的所在矩形區(qū)域，分別找出直線，然后保存圖像矩形區(qū)域位置。下次進(jìn)行同種類型光纖陶瓷插芯測(cè)量時(shí)，軟件將自動(dòng)選中插針端面和法蘭端面。工作界面左邊為工具欄，分別可以對(duì)圖像進(jìn)行放大、光標(biāo)、移動(dòng)、定位以及矩形框選取等操作。右圖為參數(shù)設(shè)置欄。操作人員填入光纖研磨后應(yīng)該具有的標(biāo)準(zhǔn)尺寸、陶瓷插芯的長(zhǎng)度上限和下限。當(dāng)軟件開(kāi)啟后，會(huì)自動(dòng)計(jì)算測(cè)試總量和合格品數(shù)量，幫助質(zhì)量管理人員監(jiān)控產(chǎn)品。測(cè)量中還將記錄光纖插芯的測(cè)試人員，有利于后期產(chǎn)品的管理。

換算倍率是指拍攝的圖片一個(gè)像素對(duì)應(yīng)實(shí)物多少微米的倍率比。該檢測(cè)設(shè)備為視覺(jué)檢測(cè)，為了保證圖像能夠更接近實(shí)物的大小，消除圖像畸變，在設(shè)備投入使用前會(huì)有專業(yè)人員對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)量。

4 準(zhǔn)確性檢驗(yàn)

計(jì)量過(guò)程中，使用光學(xué)測(cè)量?jī)x器對(duì)陶瓷插芯長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量。取某種類型插芯樣件1件，使用投影儀，分別計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)插針的長(zhǎng)度5次。計(jì)量?jī)x器為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，精度為0.1um，高于插芯長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器精度0.01mm，因此可以確定計(jì)量得到的數(shù)值是可靠的。計(jì)量后，得到的平均數(shù)值為4.8976mm。將標(biāo)準(zhǔn)針在插芯長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器上的五次測(cè)量數(shù)據(jù)為4.978mm，得到的誤差為0.004mm，小于0.01mm，由此可知設(shè)備的精度滿足工藝要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]江小峰，李亞?wèn)|，張繼燕，等.微型銑刀外徑視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)的照明設(shè)計(jì)[J].機(jī)電技術(shù)，2015（03）：21-23.

[2]田魁，管庶安，胡堯俊.基于圖像分析的瓷磚角點(diǎn)快速定位[J].武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，32（02）：58-61.

[3]雷巧利.基于LabView的機(jī)器視覺(jué)測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用[D].西安電子科技大學(xué)，2011.

[4]劉國(guó)陽(yáng).基于機(jī)器視覺(jué)的微小零件尺寸測(cè)量技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

[5]王建財(cái)，文敏，宋杰，等.光纖陶瓷插芯同心度的測(cè)試技術(shù)[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2013（02）：4-6.