基于机器视觉的光纤质量参数检测系统的研究与实现

发布时间：2020-06-04 00:13

【摘要】：随着光纤在各行各业的广泛应用,市场对光纤的需求也越来越高,尤其是具有附加效果的特种光纤。比如在医学领域中经常利用光纤制作内窥镜照明从而进行复杂的手术,此时光纤的质量将很大程度上影响手术条件的好坏。通过研究光纤研磨过程中的对光纤质量参数进行快速、准确的自动化检测可以保证光纤质量的同时提高光纤的生产效率,具有重要研究意义。当半导体激光器发出的激光束通过光纤进行传导时,光纤中的模场分布近似为高斯分布。因此可以依据高斯光束分析方法对光纤的发散角、偏轴度等质量参数进行检测。本文针对光纤质量参数的特点,提出基于机器视觉的光纤质量参数检测方案。从检测系统的需求功能出发,对检测系统硬件、图像处理和参数提取算法以及检测系统软件三个关键部分展开研究与设计。研究内容如下:(1)设计基于三维平移台和二维角位台的五维电控台实现对光纤入射角度和位置的调节;实现基于三菱FX3U系列的可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)的电控台定位控制系统;设计计算机与PLC之间的通信方式和协议。(2)针对光斑特征参数的提取,依据高斯光束的检测原理,设计改进的加权重心法提取光斑中心坐标,以像素灰度值作为加权值确保光斑中心更加靠近光强中心。针对束宽参数的提取,提出基于莱特准则优化的光斑曲线拟合法计算光斑束宽,利用莱特准则的统计原理,剔除光斑图像中异常的像素点,重新拟合光斑边缘曲线,实现对光斑束宽的准确提取。得到光斑参数后,本文依据光纤参数计算原理,参考聚类理论,提出了适用于本课题研究的“类聚类”方法进行光纤参数的提取。经过充分测试,此方法可以消除人为的误差,增加光纤参数的测量精度。(3)在Windows平台下,结合OpenCV视觉库利用C++语言对检测系统算法进行编程实现,利用MFC实现上位机进行开发,设计一套自动化光纤参数检测系统。最后对系统的性能和精度进行分析和测试,通过评价重复再现性(Gauge repeatabilityReproducibility,GRR)方法对系统可适用性进行了分析。测试结果表明本文设计的检测系统的检测误差百分比低于2%,满足检测系统的要求。
【图文】：

图 2-2 几种透镜光纤端口图示2.2.1 平面光纤对平面光纤制作时，是在光纤的端面研磨（或者烧结）出一个平整的镜面，并且要求镜面必须与光纤主轴垂直，，其结构如图 2-3 所示。因此从平面光纤的端口出射的高斯激光光束是一个完全对称的圆锥形光束，其横截面的光斑形状是一个圆形光斑。对于平面光纤的检测与激光光束质量参数极为相似，需要检测的参数主要是光纤出射光束的光斑中心、光斑束宽与光束的发散角。对于 M2因子这一激光光束质量参数，其主要作用是衡量实际光束的发散性，而光纤端面出射口的发散角远远大于普通激光光束的发散角的值。因此对于光纤来讲，对其进行 M2因子的检测，得到值往往很大，检测的实际意义不大。光束传播方向平面透光纤θ

则可以计算出 rp和 Pr分别满足：( ) ≥=Δ××=PpixelsmDrrLp16005.92ntanμθη(3-2)本文选择了德国公司 XIMEA 所生产的 MQ042MG-CM 款型的 CMOS 工业相机，如图 3-3 所示。该相机的分辨率为 2048 × 2048，有效感光面积为11. 27mm× 11.27mm，单个像素的尺寸大小为 5 .5μm × 5.5μm，使用 USB3.0 高速接口，带宽高达 5Gb/s，传输速度达到 450Mpix/s，而且其功耗仅仅为 0.9W 到1.8W，相机尺寸为 26 mm× 26mm属于小型低功耗的相机系列，能够在相对较小得多空间中实现对光纤光束的光斑图像采集，并且很大程度上减少因为温度引起的测量误差，满足本文对相机的要求。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN253;TP391.41

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本文编号：2695606