CN101481210A - 一种光纤母材拉伸的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤母材拉伸的控制方法，属于光纤制造技术，现有技术的测径仪及炉体固定，导致测径点不在拉伸锥体部分的最佳位置而无法实现精确反馈控制、最终无法正常精确延伸光纤母材，本发明是通过上下调节测径仪的位置使测径仪的测量点处于延伸过程中光纤母材拉伸锥体部分的最佳位置，测得该处的实际外径，根据该实际外径和设定外径的差值通过PID控制器控制下夹具的拉伸速度，从而保证对拉伸后外径的精确控制。本发明实现了对光纤母材的正常延伸并保证了对拉伸外径的精确控制。

Description

一种光纤母材拉伸的控制方法

技术领域

本发明属于光纤制造技术，具体的说是一种光纤母材拉伸的控制方法。

背景技术

对光纤母材的拉伸加工，通常是利用加热组件对原始光纤母材进行加热软化处理，进而拉伸出所需要的外径。作为加热装置，使用例如以氧气、氢气、丙烷的可燃气体来燃烧的加热器或者使用电阻加热器的电炉。

随着工艺技术的提高，光纤母材呈现大型化的趋势，对于外侧直径超过100mm的光纤母材，难以采用火焰燃烧进行加热拉伸加工，因此，在多数情况下使用具有电阻加热器的电炉对光纤母材进行拉伸加工。

将光纤用光纤母材拉伸至所需外径的方法通常使用如下的方法：利用电阻加热炉等加热装置对光纤母材进行加热，将光纤母材顺序软化，同时施加拉伸应力，一边测量延伸后的拉伸外径一边改变所施加的拉伸应力，使测量的拉伸外径与设定外径一致，并控制光纤母材上端和下端的抓持装置的移动速度。

98808485.1号专利申请中，利用电炉来对光纤母材进行加热，对于处于拉伸过程中的光纤母材的拉伸锥体部分(拉伸过程中位于光纤母材与拉伸后部分之间的被加热软化的部分)的特定位置的外径设定为基准值R1，并测定此处实际外径值R2，根据基准值R1及实测值R2得出的值(R2/R1)控制上夹具和下夹具的速度。在该方法中，测径仪的位置是固定的，测径仪及炉体在制造完成时已经固定，但是不同光纤母材在延伸过程中，原始外径、目标外径、延伸温度等条件的不同会引起拉伸锥体部分长度的不同，这就会出现在某些情况下测径点不在拉伸锥体部分而无法实现反馈控制，最终光纤母材无法正常延伸。

同时，为了提高完工后的目标外径的精度，需要使测径仪的测量位置尽可能的靠近完工后外径，但是在靠近完工后外径的位置进行的外径控制，由于加热部分与外径测量部分的间隔较长而使得响应时间变长，从而很难利用外径控制将外径调整到一定的值，因此测径点要在拉伸锥体部分的最佳位置才能很好的实现光纤母材的精确拉伸。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是克服现有技术存在的因测径仪及炉体固定所致的测径点不在拉伸锥体部分的最佳位置而无法实现精确反馈控制、最终无法正常精确延伸光纤母材的缺陷，提供一种光纤母材拉伸的控制方法，以将不同直径的光纤母材精确的拉伸成具有所需外径的拉长体。为此，本发明采用以下技术方案：

一种光纤母材拉伸的控制方法，其特征是：通过上下调节测径仪的位置使测径仪的测量点处于延伸过程中光纤母材拉伸锥体部分的最佳位置，测得该处的实际外径，根据该实际外径和设定外径的差值通过PID控制器控制下夹具的拉伸速度，从而保证对拉伸外径的精确控制。

本发明的有益效果是：

1、通过上下调节测径仪的位置使测量点处于延伸过程中光纤母材拉伸锥体部分的最佳位置，从而使得在对不同光纤母材的延伸过程中，消除原始外径、目标外径、延伸温度等条件的不同而引起拉伸锥体部分长度不同所造成的在测径点不在拉伸锥体部分而无法实现反馈控制的缺陷，实现对光纤母材的正常延伸。

2、通过测得该处的实际外径，根据该实际外径和设定外径的差值通过PID控制器控制下夹具的拉伸速度，从而保证对拉伸外径的精确控制。

附图说明

图1示意了本发明实施方式的拉伸装置；

图2示意了测径仪与炉体之间的结构关系，它揭示了本发明中测径仪在一定范围内可上下调节。

图中：1a-光纤母材；1b-拉伸时形成的拉伸锥体部分分；1c-拉伸后形成的拉伸体；1d-测径点；

2-上夹具；3-下夹具；4-电阻炉加热体；5-测径仪；6-PID控制器；7-电阻炉炉体；8-测径透明玻璃窗。

具体实施方式

下面参照附图具体说明本发明光纤母材拉伸方法的实施方式。

如图1所示，使用的拉伸装置包括：抓持光纤母材1a的上侧驱动部分上夹具2和下侧驱动部分下夹具3；作为热源对拉伸前光纤母材1a进行加热的电阻炉加热体4；测量光纤母材1a的拉伸锥体部分1b外径的测径仪5；以及控制单元PID控制器6，它根据由测径仪5获得的光纤母材1a的拉伸锥体部分1b的测量的实际外径与该处的设定外径，对拉伸条件进行反馈控制。

图2示意了测径仪与炉体之间的关系，它揭示了本发明中测径仪在高度H的范围内可上下调节，在该高度H的范围内，测径仪没有超出测径透明玻璃窗8的范围。

本发明光纤母材拉伸的控制方法，是通过上下调节测径仪的位置使测径仪的测量点处于延伸过程中光纤母材拉伸锥体部分的最佳位置，测得该处的实际外径(D3)，根据该实际外径(D3)和设定外径(D0)的差值(D3-D0)通过PID控制器控制下夹具的拉伸速度，从而保证对拉伸外径的精确控制。

进一步的，

测径仪是非接触式激光测径仪。

通过伺服电机的运动来对所述的测径仪进行上下调节。

测径仪的调节范围在0mm-100mm之间。

所述的最佳位置为在高度方向上偏离设定的基准点一定距离的位置，作为一种具体的设定的基准点，其为测径透明玻璃窗8的上端缘，该距离通过如下公式求得：

$d=40+0.75D1-1.58D2+(5.52-0.85*\frac{D1}{D2})V1$

其中：D1为光纤母材原始外径，D2为光纤母材延伸目标外径，V1为上夹具延伸速度。

所述的PID控制器基于如下所示的PID控制公式在自动延伸过程中控制下夹具的拉伸速度：

$V2={\left(\frac{D1}{D2}\right)}^{2}V1+K_{P}E\left(t\right)+1/T_I{\∫}_0^{t}E\left(u\right)d\left(u\right)+T_D\mathrm{dE}\left(t\right)/d\left(t\right)$

其中：D1为光纤母材原始外径，D2为光纤母材延伸目标外径，V1为上夹具延伸速度，E(t)为当前时刻实际外径(D3)和设定外径(D0)的差值(D3-D0)，K_P、T_I、T_D为系数。

本发明的延伸过程包括如下的顺序：

1、测量光纤母材的原始外径D1；

2、根据测得的光纤母材的原始外径D1和光纤母材的延伸目标外径D2并由如下经验公式估算锥体部的长度；

$L=200+0.833D_1-1.76D_2+(6.13-0.941*\frac{D_1}{D_2})V_1$

其中：D1为光纤母材原始外径，D2为光纤母材延伸目标外径，V1为上夹具延伸速度；

3、用上夹具2抓持光纤母材1a的上端，将其缓缓伸入电阻炉炉体7内；

4、调整测径仪的上下位置，原始直径、目标外径、拉伸速度等参数，通过如下公式使测径仪的测径点处于延伸过程中光纤母材拉伸锥体部分的最佳位置：

$d=40+0.75D1-1.58D2+(5.52-0.85*\frac{D1}{D2})V1;$

5、通过电阻炉加热体4对光纤母材1a加热升温，当光纤母材的温度达到1500℃时下夹具3开始夹紧光纤母材1a的下端，上下夹具带动光纤母材1a旋转；

6、达到设定拉伸温度时，上夹具开始以给定的速度V1匀速下降，同时测径仪测得该最佳位置的实际外径D3，根据该实际外径D3和设定外径D0得出的差值D3-D0通过PID控制器按照下述公式在自动延伸过程中控制下夹具的拉伸速度：

$V2={\left(\frac{D1}{D2}\right)}^{2}V1+K_{P}E\left(t\right)+1/T_I{\∫}_0^{t}E\left(u\right)d\left(u\right)+T_D\mathrm{dE}\left(t\right)/d\left(t\right)$

由此通过上夹具的速度V1与下夹具的拉伸速度V2的速度差拉伸光纤母材。

以下通过具体的例子予以说明。

准备外径为80mm的光纤母材，将上下部分具有尾棒的光纤母材安装在图1所示的拉伸装置中。

在该状态下给电阻炉加热体4通电，将炉内温度从常温升到2050℃，在此过程中，光纤母材温度达到1500℃时，下夹具3夹紧光纤母材1a的下端，上下夹具开始带动光纤母材1a以设定的速度(如30r/min)旋转。

这样，当升至目标温度2050℃后(目标温度为根据光纤玻璃的软化和拉伸的经验设定的温度)，在系统操作界面上设置本次延伸参数：即原始直径为80mm，目标直径为40mm，延伸长度1500mm，上夹具2延伸速度10mm/min，通过计算得d＝37.2mm，将测径仪5移动到最佳位置37.2mm处，设定径设为43.2mm，开始拉伸。

在延伸过程中，通过PID控制器按照下述公式在自动延伸过程中控制下夹具的拉伸速度：

$V2={\left(\frac{D1}{D2}\right)}^{2}V1+K_{P}E\left(t\right)+1/T_I{\∫}_0^{t}E\left(u\right)d\left(u\right)+T_D\mathrm{dE}\left(t\right)/d\left(t\right)$

在本实施例中，K_P、T_I、T_D参数分别为9999、1000、10，下夹具3初始速度 $V0={\left(\frac{D1}{D2}\right)}^{2}V1=40\mathrm{mm}/\min .$

当拉伸到达设定的拉伸长度1500mm之后，拉伸进入结尾阶段，此时，过PID控制器停止作用，上夹具2停止，下夹具3以40mm/min继续拉伸，3min之后，下夹具3停止，整个拉伸过程完成。

最后，对延伸后的光纤母材进行外径测量，测得外径波动范围为40±0.2mm，满足了高精度控制的要求。

在本实施例中，通过测径仪5位置的改变，使测径点处于最佳位置，保证了PID控制的精确执行。

需要说明的是，本发明不局限于上述实施例展示的方式，本领域的技术人员可在不脱离本发明的范围内方便的进行修饰，因此本发明的范围应包括本发明所揭示的原理和特征的最大范围。

Claims (6)

1、一种光纤母材拉伸的控制方法，其特征是：通过上下调节测径仪的位置使测径仪的测量点处于延伸过程中光纤母材拉伸锥体部分的最佳位置，测得该处的实际外径(D3)，根据该实际外径(D3)和设定外径(D0)的差值(D3-D0)通过PID控制器控制下夹具的拉伸速度，从而保证对拉伸后外径的精确控制。

2、根据权利要求1所述的一种光纤母材拉伸的控制方法，其特征是所述的测径仪是非接触式激光测径仪。

3、根据权利要求1所述的一种光纤母材拉伸的控制方法，其特征是通过伺服电机的运动来对所述的测径仪进行上下调节。

4、根据权利要求1所述的一种光纤母材拉伸的控制方法，其特征是所述测径仪的调节范围在0mm-100mm之间。

5、根据权利要求1所述的一种光纤母材拉伸的控制方法，其特征是所述的最佳位置为在高度方向上偏离设定的基准点一定距离的位置，该距离通过如下公式求得：

$d=40+0.75D1-1.58D2+(5.52-0.85*\frac{D1}{D2})V1$

其中：D1为光纤母材原始外径，D2为光纤母材延伸目标外径，V1为上夹具延伸速度。

6、根据权利要求1所述的一种光纤母材拉伸的控制方法，其特征是所述的PID控制器基于如下所示的PID控制公式在自动延伸过程中控制下夹具的拉伸速度：

$V2={\left(\frac{D1}{D2}\right)}^{2}V1+K_{P}E\left(t\right)+1/T_I{\∫}_0^{t}E\left(u\right)d\left(u\right)+T_D\mathrm{dE}\left(t\right)/d\left(t\right)$

其中：D1为光纤母材原始外径，D2为光纤母材延伸目标外径，V1为上夹具延伸速度，E(t)为当前时刻实际外径(D3)和设定外径(D0)的差值(D3-D0)，K_P、T_I、T_D为系数。

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