CN100427296C - 聚合物光子晶体光纤拉丝塔控制系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

聚合物光子晶体光线拉丝塔控制系统及其控制方法，属于光子晶体光纤制造领域，其特征在于，该系统包括主控制计算机，测量光纤直径用的告诉设备，测量炉温及控制炉温和步进电机控制速度用的低速设备，主控计算机从高速设备测到光纤直径实时值后，通过预设光纤直径-转速对照表得到转速控制值，把它送入低速设备中的MCU去控制步进电机转速；主控计算机从MCU测得炉温实时值后，通过MCU去控制可调电压源来调节流过热电阻丝的电流以把炉温控制在预定值上。在本发明所述控制系统的综合控制下聚合物光子晶体光纤拉丝塔可以拉制直径最小为100μm的聚合物光子晶体光纤，直径起伏小于5μm。

Description

聚合物光子晶体光纤拉丝塔控制系统及其控制方法
技术领域
本发明属于光子晶体光纤制造设备领域。
背景技术
聚合物光子晶体光纤，是一种包层具有周期性排列的沿光纤轴线平行伸展的空气小孔结构的新型聚合物光纤。由于聚合物光子晶体光纤结构精细，制造技术复杂，因此目前的聚合物光纤拉制设备在拉制聚合物光子晶体光纤时无法精确控制拉制的温度和速度，无法保证拉制出的光子晶体光纤的结构特征。我们针对这点开发了聚合物光子晶体光纤拉丝塔，并根据拉制光子晶体光纤的需要制作融合传感和控制为一体的综合控制系统及其控制方法，使得拉制聚合物光子晶体光纤成为可能。
发明内容
本发明提出了一种新型拉制聚合物光纤拉丝塔的控制系统及其控制方法。
所述聚合物光子晶体光线拉丝塔控制系统，其特征在于，含有主控制计算机，低速设备和高速设备，其中：
上控制计算机，控制所述低速设备和高速设备；
低速设备，包含：
MCU，采用C8501F021芯片，设有USB接口和串行接口RS232，与所述主控制计算机各相应接口相连；
加热炉炉温传感器和室温传感器，分别依次经过信号处理电路，A/D转换器与MCU各相应端相连；
控制加热炉温度的热电阻丝以及控制该热电阻丝中流过电流大小的可调电压源，该可调电压源经过D/A转换器后与所述MCU的相应输出端相连；
可调拉丝速度的步进电机(1)和步进电机(2)，所述步进电机(1)和(2)分别与所述MCU的两个串行接口RS232相连；各步进电机的转速通过串口经MCU接受主机控制；
高速设备，包括：
DSP，采用Motorola的56800芯片，与所述主控制计算机的另一个串行接口RS232相连；
CCD光纤直径测量器，采用东芝公司的TCD1305P电荷耦合器件，该CCD光纤直径测量器与所述DSP的相应输入/输出端口相连；
在所述主控制计算机内，设有：加热炉炉温设定值，光纤直径设定值以及光纤直径值与步进电机(1)与步进电机(2)的转速控制值对照表。
所述聚合物光子晶体光纤拉丝塔拉丝控制方法，其特征在于，该控制方法依次含有以下步骤：
步骤1：主控制计算机初始化，设定：加热炉炉温设定值，光纤直径设定值以及光纤直径与步进电机转速控制值对照表；
步骤2：所述主控制计算机分别为MCU和DSP设定串口通信频率，为MCU设定：加热炉炉温初始值，为DSP设定光纤直径初始值；
步骤3：加热炉炉温传感器和室温传感器分别把炉温和室温经过信号处理，模/数变换后送往所述MCU，该MCU通过串口把所述各温度值送给所述主控制计算机；同时把当前步进电机转速值送至主控制计算机；
步骤4：CCD光纤直径测量器把测得的光纤直径图传送至所述DSP，该DSP把图像进行处理，得到光纤直径值，送至所述主控制计算机；
步骤5：所述主控制计算机把当前的炉温温度值和所设定的炉温值比较，得到温度差；同时，从当前光纤直径值得到步进电机转速控制值，把该转速控制值与步进电机当前转速值相比较后得到转速差值显示出来；
步骤6：所述主控制计算机根据步骤5得到的温度差、转速差计算出新的步进电机转速值和加热炉可调电源控制值并送至所述MCU；
步骤7：所述MCU按照步骤6由所述主控制计算机通过串行接口送来的加热炉可调电源控制值后，通过数/模转换器调节可控电压源，改变热电阻丝的温度，从而把加热炉炉温调至设定值；
步骤8：所述MCU按照步骤6由所述主控制计算机通过串行接口送来的光纤直径对应步进电机转速控制值后，把步进电机调节至该转速值；
步骤9：重复步骤3～步骤8，一直到把光纤直径拉伸到设定值时停止。
在该控制系统及其控制方法的综合控制下聚合物光子晶体光纤拉丝塔可以拉制直径最小为100um的聚合物光子晶体光纤，起伏小于为5um。
附图说明
图1控制系统连接示意图；
图2MCU控制流程图；
图3DSP控制流程图；
图4主机软件流程图；
图5聚合物光子晶体光纤样品横截面图；
图6聚合物光子晶体光纤通光示意图。
具体实施方式
本发明设计了一种新型的聚合物光纤拉制塔控制系统及其控制方法。
在此控制系统及其控制方法的作用下，这种聚合物光纤拉丝塔不但可以拉制普通的聚合物光纤，而且可以拉制聚合物光子晶体光纤。
拉丝塔的控制部分包括硬件系统和软件系统。硬件系统的组成和连接方式如图1所示，硬件系统由一台电脑作为主机进行综合。主机控制低速部分和高速部分。低速部分包括低速控制MCU，炉温及室温传感器，步进电机1和2，可调电压源及加热电阻丝。MCU采用C8051F021芯片，温度传感器采用热电偶，MCU与步进电机驱动器之间采用RS232接口通信，MCU通过DA控制加热炉的可调电源，MCU与主机通讯采用RS232接口，调试采用USB接口。高速部分的核心是DSP，采用Motorola的56800，CCD采用东芝公司的TCD1305P，DSP接受主机的控制信号并返回测得的直径值，DSP和主机间采用RS232通信。其温度控制的原理为：由热电偶得到的加热炉中的温度经温度变送器进行信号放大和线性处理后，得到0-2V的电压信号。然后再将电压信号送到A/D转换器，把反映炉温高低的模拟量转换为数字量，然后转换成摄氏度经MCU送给主机，主机根据此时的温度值判定如何调整温度。温度的调整与检测过程刚好相反，由主机通知MCU按所需调整的数字量执行。MCU调整值的数字量传给D/A转换器，经过放大后变化成0-5V的直流信号来控制可调电源的功率输出。步进电机控制部分采用白山机电的WM224M两相混合式步进电机驱动器，最高64细分，最高反应频率200Kps，有良好的数据接口，接受MCU控制。光纤直径测量设备用来测量拉伸后光纤的直径，测量后的光纤直径值经DSP输出主机，主机通过查询试验获得的牵伸后的光纤直径与牵伸电机转速对照表，可以将直径测量值转换为速度值，此速度值和电机转速控制系统的速度反馈值比较后得到偏差值，根据此值修正拉丝速度，保证拉制出的聚合物光纤直径均匀。
软件部分实现温度控制，通信协议，拉丝速度控制。通信协议规定了硬件系统远程接受主机指令的格式，温度控制和拉丝速度控制采用其专门算法，控制加热、传感和拉丝有关设备，实现恒温加热和均匀拉丝，以保证拉制的聚合物光纤质量。软件部分由MCU，DSP内的算法和主机的控制软件构成。
MCU内算法流程如图2所示，上电后先初始化各模块，给定温度初始值，温度初始值根据材料而定，设置串口通信频率为115200bps，然后等待串口通信中断，当中断到来后判断中断类型。如果是接收中断，则接受数据，判断接收到的数据类型。如果是无效数据则返回等待，如果是有效数据则判断数据类型。如果是数据发送命令则从温度传感电路返回的信号计算出温度值并通过串口发送中断发送给主机，然后进入等待下一个命令状态。温度传感电路返回的信号值Temp1为0～65536的整数，其换算成温度T(℃)的公式为：
T＝Temp1*0.01220703125     (1)
如果是主机发送的步进电机控制命令则根据命令中的数值直接改变步进电机的转速，然后返回等待。如果是温度控制命令则先改写温度控制变量Temp2(℃)，根据此变量计算DA的输出电压U(V)，然后返回等待，其计算公式为：
U＝Temp2/44                (2)
DSP内算法流程如图3所示，上电后先初始化各模块，设置串口通信频率为115200bps，然后等待通信中断。当中断到来后判断中断类型，如果是接受中断则转入数据接收，如果收到无效数据则返回等待，如果是有效数据则提取直径值d(μm)，然后通过串口中断进行数据发送，发送完成后继续等待。直径值d通过对CCD象素值的处理得到，处理算法如下：首先获得当前CCD象素值矩阵，然后做差分，对差分结果进行平滑处理，去处毛刺然后进行极值点的查找，找到的两个最明显的极值点坐标的差值就是光纤的直径d。
主机软件根据当前的光纤直径计算出是否达到标准，对步进电机进行速度调整，对加热温度进行调整，使得光纤直径达到所需的标准，其流程图如图4所示。软件开始运行后，先进行初始化，根据需要设置光纤直径，加热温度等值，PID算法系数，设置串口通信频率为115200bps，然后开始发送数据要求和控制命令，等待数据返回。当返回的数据引起串口中断后，对返回数据进行接收，判断返回数据类型，如果是无效数据则进行新的一次发送数据要求和控制命令，如果是有效数据则存储当前数据。将当前数据与设定的目标数据进行比较，如果符合则进入下一轮的数据要求和控制命令发送。如果不符合则根据PID算法公式计算本次温度输出值ui，根据公式(4)计算电机速度值。
本次温度输出值ui计算公式为：
Figure C20051008647900071
其中ui为本次温度输出值，ui-1为上次的温度输出值；Δei为上次采样值与设定值之差；Δ2ei为上上次采样值与设定值之差；P、I、D分别为比例、积分、微分系数，为经多次实验而确定的设定值。
本次电机速度值计算公式如下：
Vi＝Vi-1+V0(Δdi/D)(4)
其中Vi本次电机速度输出值，Vi-1为上次电机速度值，V0为电机速度预设值，Δdi为当前测量直径值与标准值之差，D为直径标准值。
当系统启动主机控制各部分初始化设定初始值，然后由热电偶得到的加热炉中的温度经温度变送器进行信号放大和线性处理后，得到0-2V的电压信号。然后再将电压信号送到A/D转换器，把反映炉温高低的模拟量转换为数字量，然后送给MCU，MCU通过串口将温度值送给主机。CCD测量光纤直径把图像送给DSP，DSP处理后得到直径值然后送给主机。主机根据当前的直径值、温度值和电机速度值计算出下一步的温度值和电机速度值，发送给MCU然后分别控制加热电源和步进电机进行调整，从而保证拉制出的聚合物光纤直径均匀。
我们采用据甲基丙烯酸甲脂材料，设定加热温度为103℃，电机速度为1000转/分，拉制出的聚合物光子晶体光纤横界面图如图5所示，其导光图如图6所示。空气孔按三角晶格排列。孔间距(晶格常数)Λ＝15.3μm。孔直径d＝10.6μm，光纤直径为125μm，最大起伏为4.3μm。

Claims (2)

1.聚合物光子晶体光线拉丝塔控制系统，其特征在于，含有主控制计算机，低速设备和高速设备，其中：
主控制计算机，控制所述低速设备和高速设备；
低速设备，包含：
MCU，采用C8501F021芯片，设有USB接口和串行接口RS232，与所述主控制计算机各相应接口相连；
加热炉炉温传感器和室温传感器，分别依次经过信号处理电路，A/D转换器后与MCU各相应端相连；
控制加热炉温度的热电阻丝以及控制该热电阻丝中流过电流大小的可调电压源，该可调电压源经过D/A转换器后与所述MCU的相应输出端相连；
可调拉丝速度的第一步进电机和第二步进电机，所述第一步进电机和第二步进电机分别与所述MCU的两个串行接口RS232相连；各步进电机的转速通过串口经MCU接受主机控制；
高速设备，包括：
DSP，采用Motorola的56800芯片，与所述主控制计算机的另一个串行接口RS232相连；
CCD光纤直径测量器，采用东芝公司的TCD1305P电荷耦合器件，该CCD光纤直径测量器与所述DSP的相应输入/输出端口相连；
在所述主控制计算机内，设有：加热炉炉温设定值，光纤直径设定值以及光纤直径值与第一步进电机与第二步进电机的转速控制值对照表。
2.聚合物光子晶体光纤拉丝塔拉丝控制方法，其特征在于，该控制方法依次含有以下步骤：
步骤1：主控制计算机初始化，设定：加热炉炉温设定值，光纤直径设定值以及光纤直径与步进电机转速控制值对照表；
步骤2：所述主控制计算机分别为MCU和DSP设定串口通信频率，为MCU设定：加热炉炉温初始值，为DSP设定光纤直径初始值；
步骤3：加热炉炉温传感器和室温传感器分别把炉温和室温经过信号处理，模/数变换后送往所述MCU，该MCU通过串口把所述各温度值送给所述主控制计算机；同时把当前步进电机转速值送至主控制计算机；
步骤4：CCD光纤直径测量器把测得的光纤直径图传送至所述DSP，该DSP把图像进行处理，得到光纤直径值，送至所述主控制计算机；
步骤5：所述主控制计算机把当前的炉温温度值和所设定的炉温值比较，得到温度差；同时，从当前光纤直径值得到步进电机转速控制值，把该转速控制值与步进电机当前转速值相比较后得到转速差值显示出来；
步骤6：所述主控制计算机根据步骤5得到的温度差、转速差计算出新的步进电机转速值和加热炉可调电源控制值并送至所述MCU；
步骤7：所述MCU按照步骤6由所述主控制计算机通过串行接口送来的加热炉可调电源控制值后，通过数/模转换器调节可控电压源，改变热电阻丝的温度，从而把加热炉炉温调至设定值；
步骤8：所述MCU按照步骤6由所述主控制计算机通过串行接口送来的光纤直径对应步进电机转速控制值后，把步进电机调节至该转速值；
步骤9：重复步骤3～步骤8，一直到把光纤直径拉伸到设定值时停止。
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