光纖連接器陶瓷插芯長度測量儀器的研究與應用

陳明山　何溪　申瑞　裴一

摘 要：通過對單模陶瓷插針光纖連接器結構分析，結合光學測量和圖像處理技術，研發(fā)出一款專門針對陶瓷插芯長度測量的光學檢測儀器。該儀器的運用解決了傳統(tǒng)測量中接觸性測量導致插芯端面磨損等問題，提高了檢測精度，具有推廣意義。

關鍵詞：陶瓷插芯；長度測量；光學測量儀器

中圖分類號：TN253 文獻標志碼：A 文章編號：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

隨著互聯網技術的高速發(fā)展，光纖通信技術得到廣泛應用。光纖連接器作為光纖通信網絡的接插節(jié)點，其性能指標對通信網絡的信號穩(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。光纖連接器生產過程中，要求每一枚陶瓷插芯的尺寸必須經過嚴格檢測。光纖陶瓷插芯屬于小型精密元件，傳統(tǒng)的插芯長度測量方式存在效率低、磨損端面等問題。為了解決插芯長度測量中的難題，現將光學測量技術與計算機視覺、數字圖像處理技術交叉、融合，研發(fā)一款新型測量儀器，解決傳統(tǒng)測量中的問題。

2 設備研發(fā)分析

2.1 產品分析

光纖連接器是一種常見的連接器，有LC、FC、ST等多種的連接器類型。根據通信行業(yè)標準YD/T1198-2002《光纖活動連接器插針體技術要求》，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，分別對應兩種不同的通信連接需求。

光纖連接器對接時，插頭與插座的對接實質上是兩個插針對接。為了能有效的防止插針長度過長，對接時頂傷插針端面和插針過短，導致連接器對接時，光纖端面產生一定的空隙，存在光纖端面間隙損耗，接觸不良的問題，在制造過程中需控制插針研磨后的長度。

2.2 設備研發(fā)要解決的問題

該系列產品原用于以多模陶瓷插芯的生產為主，精度要求較低?，F主需求單模陶瓷插芯產品，精度要求提高。為了保證精度，產品在出產前通常會經歷多次不同階段的檢測。設備應用前，陶瓷插芯主要測試方法為比較測量法，將利用千分尺或電子卡尺多次測量的測試針結果與標準針結果進行比較。傳統(tǒng)的測量方式具有以下缺陷：分尺測量不能直接讀出結果，測量效率低。電子卡尺測量精度低，需多次測量，且接觸式測量容易損傷研磨端面。

通過現場勘查，光纖連接器陶瓷插芯長度測量儀器設計中需要解決以下問題：

（1）光纖插芯端面為研磨后的完成品，端面不允許接觸性測量。

（2）光纖插芯測量時，連接器已完成法蘭組裝，為測量帶來了困難。

（3）提高現光纖插芯的測量精度，根據車間工藝提供的數據計算間隙損耗，最終要求該設備達到0.01mm的測量精度。

3 陶瓷插芯長度測量儀器的研究與應用

3.1 光源選擇

選用平行光源測量系統(tǒng)基于機器視覺原理，實現對陶瓷插芯外徑的非接觸式在線測量。為了得到清晰的陶瓷插芯邊緣，測量系統(tǒng)通常選用明場背光照明方式。明場背光照明方式根據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象的影響，盡量得到物體邊緣尖銳的圖像。對光源顏色的選擇上，采用藍光。藍光波長短，邊緣成像更清晰。

3.2 相機選擇

本設計中，機器視覺應用場合對精度要求很高。為了解決景深物體成像大小變化的問題，選用綜合了物方和像方遠心的雙重作用的雙遠心鏡頭。雙遠心鏡頭通過在物體側和CCD側的中間位置放置孔徑光闌，保證主光線一定通過孔徑中心點，使物體側和成像側的主光線平行于光軸進入鏡頭。入射平行光保證足夠大的景深范圍，從鏡頭出來的平行光則保證即使工作距離在景深范圍內發(fā)生大幅度變化，成像的高度也就是放大倍率不會發(fā)生變化。

3.3 陶瓷插芯長度測量夾具設計

由圖1可知，該類型產品的金屬殼體是圓柱階梯結構，設備需要測量的陶瓷插芯長度是金屬殼體第一個端面與陶瓷插芯頂端的距離。在視覺成像系統(tǒng)中，相機位置固定，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，設計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，拉動光纖線，使金屬法蘭進入夾具，光纖的第一個法蘭端面會卡在夾具的階梯孔中，陶瓷插芯懸空，不與夾具接觸。設備的測量操作過程滿足陶瓷插芯無接觸測量的要求。

3.4 圖像檢測軟件的設計

使用Labview作為程序軟件開發(fā)平臺。在相機獲得的圖像上手動設置檢查區(qū)域，然后在這些區(qū)域中找到可以進行測量的位置。選用邊緣檢測來定位測量點方法，找到物體邊界線。圖像中的不連續(xù)性通常表示像素強度值的突然變化，這是物體圖像邊界的特征。利用邊緣檢測工具來識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)現了圖形中連接器端面所形成的直線。

同時程序中使用了兩種邊緣檢測技術來構建一個坐標轉換。使用IMAQ Find CoordSy s（Rect）2VI來定義一個使用一個矩形區(qū)域的參考坐標系統(tǒng)。然后使用IMAQ找到CoordSys（2個Rects）2 VI來定義一個參考坐標系統(tǒng)，使用兩個獨立的矩形區(qū)域。完成以上步驟，使用邊緣檢測來構建一個坐標轉換。兩者坐標系轉換后，取陶瓷插芯端面線段截取的中點，計算該中點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。下次進行同種類型光纖陶瓷插芯測量時，軟件將自動選中插針端面和法蘭端面。工作界面左邊為工具欄，分別可以對圖像進行放大、光標、移動、定位以及矩形框選取等操作。右圖為參數設置欄。操作人員填入光纖研磨后應該具有的標準尺寸、陶瓷插芯的長度上限和下限。當軟件開啟后，會自動計算測試總量和合格品數量，幫助質量管理人員監(jiān)控產品。測量中還將記錄光纖插芯的測試人員，有利于后期產品的管理。

換算倍率是指拍攝的圖片一個像素對應實物多少微米的倍率比。該檢測設備為視覺檢測，為了保證圖像能夠更接近實物的大小，消除圖像畸變，在設備投入使用前會有專業(yè)人員對產品進行計量。

4 準確性檢驗

計量過程中，使用光學測量儀器對陶瓷插芯長度進行測量。取某種類型插芯樣件1件，使用投影儀，分別計量標準插針的長度5次。計量儀器為標準設備，精度為0.1um，高于插芯長度測量儀器精度0.01mm，因此可以確定計量得到的數值是可靠的。計量后，得到的平均數值為4.8976mm。將標準針在插芯長度測量儀器上的五次測量數據為4.978mm，得到的誤差為0.004mm，小于0.01mm，由此可知設備的精度滿足工藝要求。

參考文獻：

[1]江小峰，李亞東，張繼燕，等.微型銑刀外徑視覺測量系統(tǒng)的照明設計[J].機電技術，2015（03）：21-23.

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

[3]雷巧利.基于LabView的機器視覺測量技術及應用[D].西安電子科技大學，2011.

[4]劉國陽.基于機器視覺的微小零件尺寸測量技術研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2014.

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