High‐power fiber optic cable with integrated active sensors  for live process monitoring 

  

SPIE Photonics West conference in San Francisco, January 2012  

‐  Submitted version  ‐  

  

  

 

Ola Blomster, Mats Blomqvist, Hans Bergstrand, Magnus Pålsson 

OPTOSKAND  

1 

 

ABSTRACT 

In  industrial applications using high‐brilliance  lasers at power  levels up  to and exceeding 20 kW and  similarly direct diode  lasers  of  10  kW,  there  is  an  increasing  demand  to  continuously monitor  component  status  even  in  passive components  such  as  fiber‐optic  cables.  With  fiber‐optic  cables  designed  according  to  the  European  Automotive Industry  fiber standard  interface  there  is room  for  integrating active sensors  inside  the connectors.  In  this paper we present the integrated active sensors in the new Optoskand QD fiber‐optic cable designed to handle extreme levels of power losses, and how these sensors can be employed in industrial manufacturing. The sensors include photo diodes for detection of scattered  light  inside the fiber connector, absolute temperature of the fiber connector, difference  in temperature of incoming and outgoing cooling water, and humidity measurement inside the fiber connector. All these sensors are  connected  to  the  fiber  interlock  system, where  interlock break enable  functions  can be activated when measured signals are higher than threshold levels. It is a very fast interlock break system as the control of the signals is integrated  in the electronics  inside the fiber connector. Also, since all signals can be  logged  it  is possible to evaluate what  happened  inside  the  connector  before  the  interlock  break  instance.  The  communication  to  the  fiber‐optic connectors is via a CAN interface. Thus it is straightforward to develop the existing laser host control to also control the CAN‐messages from the QD sensors. 

Keywords: high power lasers, fiber optic cables, sensors, fiber interlock, closed loop system, automotive standard  * ola.blomster@optoskand.se; phone +46 31 706 27 63; fax +46 31 706 27 78; www.optoskand.se 

 

1 INTRODUCTION 

The optical fiber connector from Optoskand  is designed for best possible transmission through the optical fiber using an  industrial and  robust design. Up  to now  the  state of  the art optical design used by Optoskand  consisting of AR‐coated quartz cylinder, mode stripper and cooling water directly surrounding the optical fiber  is well known and has been on the market since 1993.  

Optoskand  introduced  sensors  inside  the optical  fiber  connector already  in 2001 when  the power  losses  inside  the connector was monitored by measuring the temperature difference between  inlet and outlet of the cooling water to the  connector,  aΔT.  The  temperature  difference  gave  a  direct  feedback  of  the  power  losses  taken  care  of  by  the connector. When the ΔT solution was introduced, the communication interface was also introduced and implemented to the optical fiber connector. The information from the ΔT circuit board was transferred through a bCAN‐bus interface to external accessories like a computer, which processed the results. 

In 2007, Optoskand introduced the auto alignment equipment as a tool for the user to find the best possible alignment position  for  the  optical  fiber.  The  auto  alignment  equipment  used  sensors  inside  the  incoupling  unit  as  feedback information to the regulation system. 

Today Optoskand introduces active sensors implemented inside the QD connector (European automotive standard) for monitoring, quality and safety purposes. The QD fiber itself is proven to handle extreme high power losses, which now  

are possible  to monitor using  the  sensors built  into  the QD  connector. The  sensors  are built  into  the  connector  as standard and can easily be  reached  through  the CANopen  interface. The board hosting  the sensors  is a stand‐alone board,  which  can  supervise  the  safety  and  be  set  up  to  switch  off  the  interlock  function  in  case  of  unexpected circumstances.  

When working with optical fibers with high power lasers and material processing there are different kinds of light in the system  to  detect  and  to monitor  from.  Protective  systems  can monitor  the  light  inside  the  optical  fiber  and  act accordingly.  Process  systems  can  monitor  the  signals  from  the  process  and  give  feedback  to  the  control  and qualification  system  to  compensate  for  changes  in  the process. A  second  step  to  take  is  to build up  a  closed  loop regulation system around the sensors for compensation and active regulation.  

a ΔT (deltaT) was introduced by Optoskand in 2001 and is a differential measurement in temperature between inlet and outlet of the cooling water to the optical fiber connector.  b Controller Area Network, an industrial communication bus protocol

2

2 INTEGRATED ACTIVE SENSORS 

The fiber optical design from Optoskand is complemented with a number of sensors integrated into the connector to secure, maintain and help the user make transmission easy. The sensors used inside the connector are there to identify and  lower  the  losses when coupling  the  laser beam  into  the optical  fiber. The  target  for  the sensors  is  transmission optimization and to reach that target, the sensors primary function is to identify losses in any shape and form. Working with lasers, the losses will manifest as light‐losses or an increase in temperature inside the connector.  

Inside the connector Optoskand has integrated four sensors to detect these kinds of losses. The four sensors are: 

1. Photodiodes that will detect what intensity and wavelength of light is inside the connector. A wide spectrum can be detected using photodiodes in the range UV, visible light and IR. 

2. ΔT sensors, which measure the difference in water temperature between inlet and outlet cooling water to the connector. An  increase  in coolant  temperature will  indicate an  increase of  losses  inside  the connector. The sensor can measure temperature differences down to 0.01°C. 

3. Absolute temperature, which gives status information about general condition of the connector.  

4. Humidity sensor, which gives information about environmental climate inside the connector. 

Apart from using the sensors for optimization when coupling the light into the optical fiber, the sensors also have the advantage of giving good feedback from the application to the control system. This feedback can either be used as a quality control or be implemented into the system as a closed loop.  

To  understand  and  argue  for  the  philosophy  behind  implementing  active  photo‐sensors  inside  the  optical  fiber connector, the type of light existing in a system during action needs to be presented.  

2.1 Light‐signals to be detected 

To distinguish between different  types of  light  in  this  report, a nomenclature  is needed. The  light generated by  the laser source and going in the forward direction away from the laser source is called the “beam‐light”. The light going in the  other  direction  towards  the  laser  source  from  the  application  is  called  the  “process‐light”.  The  process‐light consists of a wide spectrum of light, which is more or less limited by the transmission cut‐off from the quartz material used  in the  lens design and in the optical fiber. The wide spectrum  is due to the material used  in processes and how well the application is set up. Laser light not absorbed by the process will be reflected back through the optics and back into the optical fiber cable. This light is part of the so‐called process‐light but originates straight from the beam‐light, which is not absorbed in the application. 

 

Figure 1. Schematic view of an optical fiber cable with two connectors in a process where light path is shown. 

 

3 

 

2.2 Alignment and Protective system 

It  is difficult  to arrange a perfect coupling of  light  into  the  fiber.  In practice  there are always  losses associated with coupling  and  these  losses  can  be  detected  either  primary  as  light  or  secondarily  as  heat  as  soon  as  the  power  is absorbed by the surrounding material. These losses can be used when aligning the fiber and they can also be used to protect the system  in case a failure occurs. During alignment a minimum signal from the  light sensors will  indicate a “well‐aligned fiber”, whereas a high signal will  indicate  losses around the  in‐coupling. Apart from the signal from the photodiodes, there  is also a ΔT sensor  (see figure 2)  implemented to detect the power absorbed by the surrounding 

material and the cooling water. This ΔT sensor has got a resolution of 0.01C, which  is  in practice means that  losses around 0.7 W are visible for the sensor using the flow rate 1.0 l/min. 

 

 

Figure 2. Sensors inside the optical fiber connector. 

 

By monitoring the losses in the connector, a protective system can be built up around the optical fiber. Light, which is not expected can be detected quickly and used to shut down the system before an accident occurs or to protect the system from damage. The four different sensors are all mounted on a circuit board together with a micro controller. The micro  controller  is  able  to  switch  off  the  safety  system  if  any  of  the  sensor  signals  should  rise  above  the  set threshold level. (See further chapter 3.) 

2.3 Process feedback to the system 

The active  sensor  signals  can also be used  for process monitoring. The process  light  returning  from  the application contains useful  information, which can be used for quality control or to be  implemented for a closed  loop regulating system. Raw data values can either be sent out via the communication  interface or be stored at the board  inside the connector for future analysis. Through the communication interface, the signals from the sensors can be analyzed on the fly and compared with previous results. The quality of the process can be secured by using the sensor information implemented as a standard inside the Optoskand QD fiber. 

4

3 COMMUNICATION WITH INTEGRATED FIBER SENSORS 

A threshold level can be set and stored on the board via a simple CANopen interface. Because the board is responsible for the comparison between the measured levels from the sensors and the threshold levels, the response time to shut down the interlock and the system is very fast and is done without any surrounding components. 

The threshold levels can be set as absolute values or derivative levels. If signals from the sensors change too fast, the system can react to that change and switch off the system. (See figure 3) 

  

 

Figure 3. Communication to the electronic board inside the optical fiber connector and threshold levels. 

 

5 

 

4 EXPERIMENTAL 

The experiments presented below will show how the photo sensor signal can give feedback to the system depending on the parameters set for an application and its properties.  

The tests made in this report were performed together with Permanova Lasersystem AB in their application lab. A QD fiber (European automotive standard) from Optoskand was installed into an optical tool from Permanova. The optical tool consisted the following: Collimating lens with focus f=200 mm, focus lens with focus f=200 mm mounted inside a motorized focus unit, crossjet. 

The tool was mounted on an ABB robot and the QD fiber was installed into a 2‐way beam switch, which was connected to a 6 kW IPG laser.  

By adjusting focus positions in Z‐direction and adjusting power from the laser as well as speed from robot, the sensors are expected to give good feedback to the system with reference to the adjustments made. 

Two tests were performed and during both these tests, the results from the photo diodes are of main interest for fast process feedback. The water flow inside the fiber connector at the output side was during the tests always 2.4 l/min. 

4.1 Welding sheet metal together with a straight line 

The first test made consisted welding two metal sheets together with a linear weld seam. Several trials were executed with different materials and the parameters to vary during the experiment were: 

Power from the laser, 1 kW to 2 kW 

Speed on the robot, 2 m/min up to 12 m/min 

Focus position on the two sheets, 0 mm (in focus) to +12 mm 

Different materials to process; galvanized steel sheet, black steel sheet and UC‐bor‐steel sheet. 

4.2 Welding sheet metal together using a sophisticated pattern 

The second trial a specific pattern (see figure 4) was used to weld the two sheets together. The pattern consists of eight corners, long and short straight lines and turns. Similar to the first experiment, the same parameters could be changed to achieve different results, which will give variations  in the signals back to the sensors. When the robot follows the pattern presented in figure 4, it will have to reduce speed in order to turn around the corners. In the last straight line between point 8 and STOP position, the speed will increase. The change in speed along the pattern is expected to be visible in the photo sensor signal. 

 

Figure 4. Pattern used in the second experiment. 

 

6

5 RESULTS 

The  results  from  the experiments described above will prove how  the sensors can be used. The  results below show clearly  how  the  signals  from  the photodiodes  give  a  good  feedback  to  the  system where  the  performance  can be concluded. 

5.1 Welding sheets together with a straight line 

The figures below (figure 5 and figure 6) show two results where: 

Figure 5  shows  two  sheets welded  together. The material  is UC‐bor‐sheet 1.3 mm and  they were bonded  together using 2000 W  from  the  laser. The  robot  speed was  set  to 2 m/min and  the  focus position was adjusted  to  the  top surface of the top sheet (perfect in focus). From the backside it is possible to see good constant penetration.  

The  feedback  signal  from  the  photodiodes  located  inside  the  both  connectors  (input  side  and  output  side)  are presented in the diagram (see figure 7). The signal from the diode on the circuit board inside the output side connector is stable around 0.13 during the welding process.  

Figure 6 also  shows  two  sheets welded  together. The  same material  is used  (UC‐bor‐sheet 1.3 mm) and  they were bonded together using the same parameters except the focus position, which in this case changed to +6 mm over the sheet. The result shows no penetration to the backside. 

Looking at the diagram in figure 8 and the photodiode signal from the output side connector it has increased compared to the signal  in diagram  in figure 7. The same parameters were used for these two experiments except for the focus position in Z, which has change +6 mm. The photodiode signal has increased from 0.13 to 0.15 where it is stable during the process. No penetration is found on the backside of the sheet. 

 

   

Figure 5. Good penetration. Sheets bonded well together.  Figure 6. Not penetrating. Weak bonding between sheets. 

 

The  signals  from  the diodes  are of  great  interest  and when  the welding  results  from  above  are  compared  there  is clearly a difference between the feedback from the photodiodes referring to the penetration in the welding between the two experiments. Similar results were achieved for the other steel sheet metal materials. 

7 

 

 

 

Figure 7. Result from figure 5    Figure 8. Result from figure 6 

     

5.2 Welding buckled sheets together with a straight line 

To evaluate  if  the photodiodes were able  to  see  imperfections  in  the welding, a buckle was made on purpose. The sheets have some distance between them due to this buckle. During this experiment the two galvanized buckled steel sheets were welded together with a straight line. The power from the laser was 2000W, the robot speed was 2 m/min and the focus position was placed +3mm.  

 

 

Figure 9. Buckled galvanized  steel  sheets welded together with a straight line 

  Figure  10.  Photodiode  signals  when  welding  two  buckled  galvanized  steel sheets welded together with a straight line. 

 

Figure 10 shows how  the  imperfection  from  the steel plate affects  the signal  from  the photodiode. The photodiode inside the exit side connector is far from stable and gives a good feedback of the imperfection from the welding result.  

8

5.3 Welding sheets together using a sophisticated pattern 

The  third experiment was  carried out  to  see  if  it was possible  to  record a pattern  from  the photodiode  signal and compare this to the robot program. The same pattern was executed twice using the same parameters except for the focus position, which in the second experiment changed from 0 mm to +3 mm. 

1. UC‐bor‐sheet, 1.3 mm, 2000 W, 12 m/min, Focus position = 0 mm 

2. UC‐bor‐sheet, 1.3 mm, 2000 W, 12 m/min, Focus position = +3 mm 

During  the  first  trial  above,  the  penetration was  good  all  the way  through  the  pattern.  The  second  trial  however showed only  limited penetration around  the corners. Figure 11 and  figure 12 below shows  the  result of  the second trial.  Figure  12  shows  the backside of  the metal  sheet  and  it  is possible  to  see only  some penetration  around  the corners. 

Figure 11. Front side of the metal sheet. 

 

Figure 12. Back side of the metal sheet. Weak penetration in the corners. 

The signals from the photodiodes in both trials are presented in the diagram in figure 13. The difference between the two trials is obvious. The first trial, which consistently penetrated the metal sheets, shows a stable, flat and low signal. The second trial however is very different. Lots of information can be drawn from this trail. For example, it is possible to calculate the number of corners in the pattern used. 

Between point 3 and point 4, there is a long turn in the pattern, which is clearly visible in the diagram below. Between point 8 and the STOP position, it is possible to see the robot increasing and then decreasing speed while processing the long straight line. 

9 

 

 

Figure 13. Shows two trials. The first in focus with good penetration and the second with only weak penetration, +3mm out of focus. 

 

6 CONCLUSIONS 

Above  Optoskand  has  presented  a  solution with  active  sensors  integrated  inside  the  optical  fiber  connector.  The sensors  are monitoring  the  light, differential  temperature,  absolute  temperature  and  humidity  and  communicating these  values  through  a  CANopen  interface.  The  board  inside  the  connector  is  a  stand‐alone  board,  which  works independently from any external accessories.  

An important task for the circuit board is the possibility to shut down the interlock circuit for the optical fiber in case of abnormal values from the sensors.  It  is possible to download threshold values from the CANopen  interface to board inside the connector. The board can compare the threshold values against the sensor values. If the sensor values are higher than the threshold values, the board can be set to switch off the interlock system. 

It  is above  clearly  shown  that  the  sensor values  communicated  through  the CANopen  interface  can be analyzed by external accessories and give a very good feedback to the system for quality control. The sensor values can also be a part of a closed loop regulating system, which then can secure the process for the user. The feedback from the sensors gives  a  good  feedback  to  the  system  even  if  the process  result  shows  very  small differences.  If  a welding  is made slightly out of focus, the sensors will give a good feedback about the situation. If there are imperfections between two welded parts, this will be visible for the sensors as well as welded patterns, which can be recorded and later compared with similar applications made over time.  

When aligning the optical  fiber  in a  laser system, the sensor values will detect any  losses around the  incoupling and help the user to optimize the fiber for best possible position. This is part of the low losses and industrial optical fiber design introduced by Optoskand. 

 

10

Authors: Ola Blomster, Mats Blomqvist, Hans Bergstrand, Magnus Pålsson ” High‐power fiber optic cable with integrated active sensors for live process monitoring”, 

Proceedings of SPIE (2012)  

Copyright 2012 Society of Photo‐Optical Instrumentation Engineers. One print or electronic copy may be made for personal use only. Systematic reproduction and distribution, duplication of any material in this paper for a fee or for commercial purposes, or 

modification of the content of the paper are prohibited.  

 

      

       

 Article authors: 

  

Ola Blomster*, Mats Blomqvist, Hans Bergstrand, Magnus Pålsson Optoskand AB 

Aminogatan 30, SE‐431 53 Mölndal, Sweden 

* ola.blomster@optoskand.se; phone +46 31 706 27 63; fax +46 31 706 27 78; www.optoskand.se