光纤连接器陶瓷插芯长度测量仪器的研究与应用

陈明山　何溪　申瑞　裴一

摘 要：通过对单模陶瓷插针光纤连接器结构分析，结合光学测量和图像处理技术，研发出一款专门针对陶瓷插芯长度测量的光学检测仪器。该仪器的运用解决了传统测量中接触性测量导致插芯端面磨损等问题，提高了检测精度，具有推广意义。

关键词：陶瓷插芯；长度测量；光学测量仪器

中图分类号：TN253 文献标志码：A 文章编号：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

随着互联网技术的高速发展，光纤通信技术得到广泛应用。光纤连接器作为光纤通信网络的接插节点，其性能指标对通信网络的信号稳定、能耗等有着重大影响。光纤陶瓷插芯是光纤连接器的核心部件，具有定位、緊固等功能，能够在多次插拔中保持光纤性能稳定。光纤连接器生产过程中，要求每一枚陶瓷插芯的尺寸必须经过严格检测。光纤陶瓷插芯属于小型精密元件，传统的插芯长度测量方式存在效率低、磨损端面等问题。为了解决插芯长度测量中的难题，现将光学测量技术与计算机视觉、数字图像处理技术交叉、融合，研发一款新型测量仪器，解决传统测量中的问题。

2 设备研发分析

2.1 产品分析

光纤连接器是一种常见的连接器，有LC、FC、ST等多种的连接器类型。根据通信行业标准YD/T1198-2002《光纤活动连接器插针体技术要求》，将同种类型的连接器插针体按照加工精度分类，又分为单模和多模两种，分别对应两种不同的通信连接需求。

光纤连接器对接时，插头与插座的对接实质上是两个插针对接。为了能有效的防止插针长度过长，对接时顶伤插针端面和插针过短，导致连接器对接时，光纤端面产生一定的空隙，存在光纤端面间隙损耗，接触不良的问题，在制造过程中需控制插针研磨后的长度。

2.2 设备研发要解决的问题

该系列产品原用于以多模陶瓷插芯的生产为主，精度要求较低。现主需求单模陶瓷插芯产品，精度要求提高。为了保证精度，产品在出产前通常会经历多次不同阶段的检测。设备应用前，陶瓷插芯主要测试方法为比较测量法，将利用千分尺或电子卡尺多次测量的测试针结果与标准针结果进行比较。传统的测量方式具有以下缺陷：分尺测量不能直接读出结果，测量效率低。电子卡尺测量精度低，需多次测量，且接触式测量容易损伤研磨端面。

通过现场勘查，光纤连接器陶瓷插芯长度测量仪器设计中需要解决以下问题：

（1）光纤插芯端面为研磨后的完成品，端面不允许接触性测量。

（2）光纤插芯测量时，连接器已完成法兰组装，为测量带来了困难。

（3）提高现光纤插芯的测量精度，根据车间工艺提供的数据计算间隙损耗，最终要求该设备达到0.01mm的测量精度。

3 陶瓷插芯长度测量仪器的研究与应用

3.1 光源选择

选用平行光源测量系统基于机器视觉原理，实现对陶瓷插芯外径的非接触式在线测量。为了得到清晰的陶瓷插芯边缘，测量系统通常选用明场背光照明方式。明场背光照明方式根据照明光源的不同可以分为两种，分别是漫射光源背光照明和平行光源背光照明。由于陶瓷插芯边缘为有倾角的圆弧，且十分光滑，表面反光使插芯边缘取像模糊，所以选用平行光源，并采用背光照明的方式削弱漫反射现象的影响，尽量得到物体边缘尖锐的图像。对光源颜色的选择上，采用蓝光。蓝光波长短，边缘成像更清晰。

3.2 相机选择

本设计中，机器视觉应用场合对精度要求很高。为了解决景深物体成像大小变化的问题，选用综合了物方和像方远心的双重作用的双远心镜头。双远心镜头通过在物体侧和CCD侧的中间位置放置孔径光阑，保证主光线一定通过孔径中心点，使物体侧和成像侧的主光线平行于光轴进入镜头。入射平行光保证足够大的景深范围，从镜头出来的平行光则保证即使工作距离在景深范围内发生大幅度变化，成像的高度也就是放大倍率不会发生变化。

3.3 陶瓷插芯长度测量夹具设计

由图1可知，该类型产品的金属壳体是圆柱阶梯结构，设备需要测量的陶瓷插芯长度是金属壳体第一个端面与陶瓷插芯顶端的距离。在视觉成像系统中，相机位置固定，工作距离固定，为了将不同种类的连接器能够固定在同一位置，设计与同种连接器相匹配的固定模具。

将光纤线从上面放入夹具中，拉动光纤线，使金属法兰进入夹具，光纤的第一个法兰端面会卡在夹具的阶梯孔中，陶瓷插芯悬空，不与夹具接触。设备的测量操作过程满足陶瓷插芯无接触测量的要求。

3.4 图像检测软件的设计

使用Labview作为程序软件开发平台。在相机获得的图像上手动设置检查区域，然后在这些区域中找到可以进行测量的位置。选用边缘检测来定位测量点方法，找到物体边界线。图像中的不连续性通常表示像素强度值的突然变化，这是物体图像边界的特征。利用边缘检测工具来识别和定位尖锐的不连续性。在Labview中，使用IMAQ Find Edge VI找到基于矩形边缘的搜索区域中的直线。如下图所示，IMAQ Find Edge VI发现了图形中连接器端面所形成的直线。

同时程序中使用了两种边缘检测技术来构建一个坐标转换。使用IMAQ Find CoordSy s（Rect）2VI来定义一个使用一个矩形区域的参考坐标系统。然后使用IMAQ找到CoordSys（2个Rects）2 VI来定义一个参考坐标系统，使用两个独立的矩形区域。完成以上步骤，使用边缘检测来构建一个坐标转换。两者坐标系转换后，取陶瓷插芯端面线段截取的中点，计算该中点到法兰端面所在直线的距离。

如图2所示，中间空白部分为图像区域，手动选取插针端面和法兰端面的所在矩形区域，分别找出直线，然后保存图像矩形区域位置。下次进行同种类型光纤陶瓷插芯测量时，软件将自动选中插针端面和法兰端面。工作界面左边为工具栏，分别可以对图像进行放大、光标、移动、定位以及矩形框选取等操作。右图为参数设置栏。操作人员填入光纤研磨后应该具有的标准尺寸、陶瓷插芯的长度上限和下限。当软件开启后，会自动计算测试总量和合格品数量，帮助质量管理人员监控产品。测量中还将记录光纤插芯的测试人员，有利于后期产品的管理。

换算倍率是指拍摄的图片一个像素对应实物多少微米的倍率比。该检测设备为视觉检测，为了保证图像能够更接近实物的大小，消除图像畸变，在设备投入使用前会有专业人员对产品进行计量。

4 准确性检验

计量过程中，使用光学测量仪器对陶瓷插芯长度进行测量。取某种类型插芯样件1件，使用投影仪，分别计量标准插针的长度5次。计量仪器为标准设备，精度为0.1um，高于插芯长度测量仪器精度0.01mm，因此可以确定计量得到的数值是可靠的。计量后，得到的平均数值为4.8976mm。将标准针在插芯长度测量仪器上的五次测量数據为4.978mm，得到的误差为0.004mm，小于0.01mm，由此可知设备的精度满足工艺要求。

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