CN101652687B - 多电极系统 - Google Patents

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Abstract

一种多电极系统，包括被配置为支撑至少一个光纤的光纤支架；以及布置在至少一个光纤周围的一组电极，该一组电极被配置为生成邻近电极之间的电弧以产生至少一个光纤的周围外表面的基本均匀的加热场。电极可以被布置在至少部分真空中。

Description

多电极系统
技术领域
本发明涉及光纤领域，更具体地涉及用于接合和剥离(strip)光纤的系统和方法。
背景技术
光纤熔接器通常利用放电来充分地加热光纤以使它们熔合在一起。所述放电在工业中被称为“电弧(arc)”。然而，根据一些资料来源，这种电流级别的放电不是真正的电弧，而是生成热等离子场的电晕放电。
近来，一些类型的电弧已经被用于从光纤剥离包覆层，并从被以机械方式剥离的光纤清除剩余的碎片。电弧一般形成在间隔1mm至10mm的一对电极的锐利的尖端之间，如图1A所示。对于一次接合多个光纤(例如，带状光纤)以及对于较大直径的光纤，需要较大的电极间隔，如图1B所示。一些接合器的光学设计也可以要求电极间隔“间隙”较大以防止电极以物理方式阻塞光纤路径。
电极通常用钨制成。虽然在一些情况下，铈或钍与钨形成合金。这些元素降低了电极的热离子工作性能，导致电极更容易离开电极的表面。这允许用较低的起始电压来启动放电。可替换地，可以提供离子的外部源来帮助启动电弧(例如，3SAE技术公司的离子增强冷等离子体(Ion Enhanced ColdPlasma)技术)。可以用普通的铁电极在没有外部离子化的情况下提供合适的电弧，但是电弧特性的可重复性一般很差。
施加到电极的电压可以是直流电(一般与较小的电极间隔结合)或交流电(允许电极端之间的较大间隔-10mm或更大)。启动放电所需要的电压通过帕邢定律(Paschen′s Law)来确定，帕邢定律把电极之间的间隙的击穿电压与存在于间隙(例如，一般为普通空气)中的间隙的(复杂和非线性)函数、压力、湿度、电极形状、电极材料以及间隙距离联系起来。因为将帕邢定律应用到该系统所需要的许多参数是未知的，所以完成了很少的接合器电弧的定量理论分析。一般地，启动电压经验上被确定为在5kV-30kV的范围内。
一旦电弧被启动，在放电中等离子体的持续离子化需要比初始施加的电压低的电压。作为电路元件的等离子体的阻抗(即，施加的电压与电流的比)很难预测。接合器电弧被怀疑在某些频率和电流级别上呈现出负阻抗。这些特性使得接合器电弧的“恒定电压”操作很难实现。因此，大多数这样的系统被控制来提供恒定的平均电流。这以合理预测的方式关联到被输送至放电的观测功率和所产生的光纤温度。
提供改变被输送至光纤的电弧功率的方法以提供对于不同光纤类型的正确的加热以及补偿不同的条件是很有用的。这可以通过改变被输送至持续电弧的电流(用上面提到的控制电路)或通过脉冲开启(pulse on)和脉冲关闭(pulse off)电弧来实现。
大多数普通光纤直径为80μm至125μm(不包括外部包覆层)，如图1A中所示。然而，诸如高功率光纤激光器的一些应用要求光纤直径为1mm或更大。大多数熔接器不接受光纤直径大于200μm。存在用于大直径光纤(LDF)的专用接合器，根据设计特征而具有不同的最大直径性能。
用于LDF(＞600μm)光谱的较大端的成功的接合器一般使用电阻丝加热或激光加热而不使用电弧。对于这些大的光纤，光纤材料的介电性质可以导致电弧围绕光纤弯曲，而不包围在等离子场中的光纤的周围，如图1B所示。这导致了对光纤的不均匀加热，造成较差的接合质量。
使用电弧来剥离光纤的装置也受到了不均匀的热效应。这些“电弧剥离器”一般将光纤放置在等离子场外面(上面或下面)，从而来自电弧的热量导致包覆层的分解。这必然导致光纤的一边比另一边热。对于大多数包覆层来说，这不是问题。然而，某些包覆层具有用于有效移除的相对较窄的温度窗口(temperature window)，并可以得益于更加均匀的热分布。
发明内容
提供了使用多个电极来生成用于一个或多个光纤的热处理的电弧的系统和方法，包括但不限于：接合、退火、扩散、剥离、锥化(taper)和烧蚀。所述系统和方法还可以用于其它应用和环境，例如用于实现光纤耦合。
根据本发明，多电极系统可以是被配置为在周围环境条件下、或在部分真空或绝对真空中操作的三相系统。所述系统和方法有几个好处。
例如，所述系统和方法当在部分真空或绝对真空中被提供时，由于对流的消除(或减少)而提供了等离子场的增强的等温稳定性。与常规的系统和方法相比，在常规的系统和方法中，当来自等离子体的热量上升时(在大气压力下)，会产生汹涌而上的气流(breeze)，这会扰乱等离子体，以及改变等离子体的热平衡或轻微地改变正在被加热的光纤部分的位置。
而且，所述系统和方法当在部分真空或绝对真空中被提供时，由于对流的消除(或减少)而提供了等离子场的增强的等温范围。与常规的系统和方法相比，在常规的系统和方法中，当来自等离子的热量上升时(在大气压力下)，会产生汹涌而上的气流，该气流会扰乱电极之间的离子轨迹。所述扰乱将使空气中的等离子体不稳定和消失，而所述等离子体在真空或部分真空中则是完全稳定的。因为空气是绝缘体，电极之间的电介质在真空或部分真空中实质上减少了。这种电介质的减少允许电弧在远低于在空气中要达到的功率级别下被启动和维持。
而且，所述系统和方法当在部分真空或绝对真空被提供中时，提供了降低的电极氧化。通过在等离子体生成期间降低现有的氧化水平，电极将以基本上较慢的速度退化。
而且，所述系统和方法当在部分真空或绝对真空中被提供时，提供了燃烧的消除。诸如丙烯酸酯(最常用的光纤包覆层)的一些光纤包覆层在大气压力下在空气中是易燃的，并且如果暴露在标准电弧下可以燃烧。当相同的过程在真空或部分真空中被实施时，氧气的缺乏防止了包覆层的燃烧，这允许包覆层热烧蚀(与“突发技术(burst technology)”相似的过程)。
根据本公开的一个方面，提供了一种多电极系统，包括：被配置为支撑至少一个光纤的支架；以及布置在被支架支撑的至少一个光纤周围的一组至少三个电极，所述电极被配置为生成邻近电极之间的电弧以产生围绕至少一个光纤的外表面的基本均匀的加热场。
至少一个光纤可以是至少一个具有至少约125微米的直径的大直径光纤。
电极可以以规则的角度布置在至少一个光纤周围。
电弧可以是等离子电弧，加热场可以是加热等离子场。
所述系统还可以包括：控制器，该控制器被配置为使用脉宽调制、离子注入以及反馈控制中的一个或多个来控制电极的输出。
所述一组至少三个电极可以只有三个电极。
所述一组至少三个电极可以位于基本垂直于至少一个光纤的平面内。
所述一组至少三个电极中的至少两个电极可以位于不同的平面内。
基本均匀的加热场可以产生至少约1600℃的光纤表面温度。
基本均匀的加热场可以产生至少约3000℃的光纤表面温度。
基本均匀的加热场可以产生在约25℃至约900℃的范围内的用于剥离光纤的光纤表面温度。
所述一组至少三个电极可以被布置在部分真空或绝对真空中。
所述电极可以被布置在规格为22″至24″汞的真空中，绝对压力为200-150托(torr)。
部分真空可以是在不高于约400℃的温度下的具有等离子体的富含氧气的部分真空。
均匀的加热场可以是具有至少约65℃的温度的等离子场。
所述系统可以被配置为剥离至少一个光纤。
所述系统可以被配置为通过离子氧化来剥离至少一个光纤。
所述电极可以通过电极支架来支撑，所述电极支架被配置为调节电极相对于至少一个光纤的距离。
所述电极支架可以被配置为根据至少一个光纤的直径来自动调节电极到至少一个光纤的距离。
所述电极支架可以被配置为根据至少一个光纤是被剥离还是被接合来自动调节电极到至少一个光纤的距离。
所述电弧可以以旋转的相位顺序被打开。
用于打开电弧的频率可以足够高，以使得至少一个光纤和周围空气的热时间常数比电弧的振荡周期长得多。
所述系统还可以包括一个或多个变压器，该变压器被配置为给电极提供电压以生成电弧。
所述系统还可以包括一个或多个电流提供器，该电流提供器被配置为将受控电流波形提供到一个或多个变压器以提供电压。
所述受控电流波形可以包括在波形循环周期的约1％-49％的范围内的两个死区，其中，在两个死区中的每一个死区中，基本没有电流流过变压器初级线圈。
所述至少一个光纤可以是多个光纤。
根据本发明的另一个方面，提供了一种多电极系统，包括：被配置为支撑至少一个光纤的光纤支架；以及布置在至少部分真空中从而被分布在被支架支撑的至少一个光纤周围的一组两个或多个电极，其中，该一组两个或多个电极被配置为生成邻近电极之间的等离子电弧以产生围绕至少一个光纤的外表面的基本均匀的加热等离子场。
所述系统可以仅包括两个电极。
所述系统可以仅包括三个电极。
三个电极中的一个电极可以被接地。
所述系统还可以包括一组变压器，该变压器被配置为将电压提供到三个电极以生成等离子电弧；以及一个或多个电流提供器，该电流提供器被配置为将三个受控电流波形提供到所述一组变压器以生成电压，每个波形与其它两个波形的相位相差120度。
等离子电弧可以以旋转的相位顺序被打开，其频率足够维持基本恒定和均匀的加热等离子场。
根据本发明的另一个方面，提供了一种生成围绕至少一个光纤的基本均匀的加热等离子场的方法，包括：将至少一个光纤维持在相对固定的位置并围绕光纤组分布至少三个电极；以及生成在邻近电极之间的等离子电弧以产生围绕至少一个光纤的基本均匀的加热等离子场。
所述至少三个电极可以仅是三个电极。
所述三个电极可以被布置在至少部分真空中。
所述三个电极中的一个电极可以被接地。
所述三个电极中的每一个电极可以由波形驱动，驱动一个电极的波形与驱动其它两个电极的波形的相位相差120度。
根据本发明的另一个方面，提供了一种生成围绕至少一个光纤的基本均匀的加热等离子场的方法，包括：将至少一个光纤维持在相对固定的位置并围绕至少一个光纤分布两个电极；以及生成布置在至少部分真空中的两个电极之间的等离子电弧，其中，等离子电弧产生围绕至少一个光纤的外表面的基本均匀的加热等离子场。
根据本发明的另一个方面，提供了一种多电极系统，包括：被配置为支撑至少一个光纤的支架；以及布置在被支架支撑的至少一个光纤附近的一组至少三个电极，所述电极被配置为生成邻近电极之间的电弧以产生在至少一个光纤的外表面的基本均匀的加热场。
所述系统还可以包括至少部分真空，在该部分真空内布置了所述一组至少三个电极。
附图说明
附图通过示例的方式而非限制的方式描绘了优选实施方式。在附图中，相同的附图标记指代相同或相似的元件。
图1A和图1B是现有技术的用于接合光纤的双电极排列的图，在图1A中用小直径的光纤示出，在图1B中用大直径的光纤示出。
图2A是示出了根据本发明的方面的三电极排列的实施方式的图。图2C是示出了在至少部分真空中的常规的两电极排列的实施方式。
图2B是示出了可以被图2A的实施方式使用的电极支架和光纤支架的框图。
图3是示出了图2的三个电极的相对正弦相位的图示。
图4是示出了实现图3中的结果的用于施加到一组变压器初级线圈的电流的优选波形的图示。
图5是用于驱动图2的三电极排列的电路的实施方式的示意图。
图6是示出了根据本发明的方面的三电极排列的另一个实施方式的图。
图7是用于驱动图6的三电极排列的电路的实施方式的示意图。
图8是描绘了可以由图7的微控制器单元实施的实时控制算法800的实施方式的流程图。
图9A和图9B是示出了根据本发明的方面的三电极排列的另一个实施方式的图。
图10A和图10B是示出了根据本发明的方面的三电极排列的另一个实施方式的图。
具体实施方式
应当理解，虽然术语第一、第二等可以在这里用于描述不同元件，但这些元件不应当被这些术语限制。这些术语被用于区分一个元件与另一个元件，但没有暗示所要求的元件顺序。例如，在不背离本发明的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，类似地，第二元件可以被称为第一元件。如这里所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项的任何和所有组合。
应当理解，当元件被提及为“在”另一个元件上或被“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接在其它元件上或被连接或耦合到其它元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被提及为“直接在”另一个元件上或“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，不存在中间元件。其它用于描述元件之间的关系的词语应当以相似的方式来解释(例如，“在…之间”相对于“直接在…之间”，“邻近”相对于“直接邻近”等)。
这里使用的术语仅用于描述特定实施方式，但不打算限制本发明。如这里所使用的，单数形式“一个”、“一种”以及“所述”意指也包括复数形式，除非上下文以其它方式指出。应当理解，术语“包括”和/或“包含”在这里使用时，表示所述的特征、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。
根据本发明的方面，提供了一种具有多电极排列的系统，该系统具有被配置为输送围绕光纤的基本均匀的热分布的至少三个电极。本领域技术人员将理解到，这里所描述的技术适于提供用于接合和/或剥离光纤的电弧。这种多电极系统还可以用于其它环境和应用中，例如，退火、扩散、锥化和烧蚀。这种系统和方法还可以用于其它应用和环境中，例如用于实现光纤耦合。通常，这样的系统可以被称为多电极系统。
在图2A的作为示例的实施方式中，多电极光纤剥离器系统200包括三个电极202、204和206，所述三个电极可以布置在至少一个光纤210周围。在一些实施方式中，电极202、204和206还可以布置在至少部分真空中，如虚线220所示。在22″至24″汞规格真空的部分真空中(例如，绝对压力为200-150托)，实现了相当于65℃的等离子体温度。室温的等离子体也可能在较高的真空级别下。对于一些光纤包覆层来说，这个过程可以通过用冷等离子体(小于400℃)在富含氧气的部分真空中剥离光纤来被增强(例如，较好和较快的结果)。这个方法将光纤包覆层腐蚀掉，与高温分解移除不同，高温分解移除会削弱光纤以及在剥离窗口接口处留下碳化(即，碳)。
虽然没有示出，至少一个光纤210由光纤支架所支撑，以使得光纤可以被布置在电极202、204和206之间。如果使用至少部分真空，则光纤的远侧部可以在需要的情况下通过合适的已知的密封装置离开真空包围。
不管电极202、204和206是否被布置在至少部分真空中，通过放置三个尖头电极使得它们的输出形成围绕接合区的等边三角形的顶点，至少一个光纤可以被放置在接合区内，从而可以围绕光纤210的圆周提供非常均匀分布的加热。通过用“三相”配置中的高频(例如30kHz)交流电压来驱动三个电极202、204和206，可以生成三个单独的电弧，参见图2A中的电弧212、电弧214以及电弧216。
在图2A的实施方式中，光纤210被等离子电弧212、214和216完全围绕，从而提供了具有非常均匀的热分布的加热等离子场。应当理解，根据本发明的方面的系统和/或方法能够像使用少于三个电极的系统和方法一样产生光纤表面温度，但这样具有改善的均匀度。例如，根据本发明的系统可以产生等离子场，该等离子场足以生成用于剥离的在约25℃-900℃的范围内的光纤表面温度以及用于接合的高达1600℃或更高的光纤表面温度。例如，可以达到超过3000℃的温度。然而，根据光纤的物理性质、光纤包覆层、环境条件和/或其它相关参数，等离子场可以被生成以达到其它光纤表面温度。
电极202、204和206可以相对地靠近光纤210，从而可以使光纤直接暴露于等离子场。可替换地，电极202、204和206可以更远离，从而来自等离子体的辐射热可以加热光纤——这更适于剥离/清除操作。在不同实施方式中，多电极系统可以具有多种设置，例如，用于接合和/或剥离大光纤以及小的/标准光纤各有一种设置。在不同实施方式中，多电极系统可以被配置为调节位于位置范围内的电极202、204和206之间的距离。在不同实施方式中，多电极设备可以被配置为检测光纤尺寸并根据光纤尺寸和所需操作来自我定位电极202、204和206，所需操作例如接合、退火、扩散、剥离、锥化、烧蚀或实现耦合。
对于剥离某些光纤包覆层来说，例如直接暴露于电弧等离子体是有益的。在等离子场内的离子化的氧原子氧化包覆层并把包覆层烧蚀掉。电极间隔可以被配置为直接将包覆层表面暴露于等离子体。否则，使用这种效应的方法等价于通过热分解来剥离的方法。
电极202、204和206可以以所示出的“一个向下，两个向上”的结构来放置，或根据靠近光纤的其它物品(例如在接合器中的光学系统的透镜)的需要而倒转。可替换地，电极202、204和206可以根据不同应用被放置在水平平面上、或者不规则地被间隔或成一定角度。
已知的用常规的两电极系统改善和控制电弧性能的各种技术也可以被应用到或适用于实施方式，包括脉宽调制、离子注入、反馈控制等等。电极也可以装备有屏蔽或调焦套管或者用于改变电弧分布的其它工艺。也可以使用将电介质插入等离子场附近的已知的电弧弯曲技术。
本发明的原理也可以扩展至4个或更多个电极的系统，但三个电极提供了确定性的电弧顺序以及基本均匀的加热。
图2B示出了可以和上面图2A中所述的系统一起使用的电极支架和光纤支架的实施方式。电极支架232可以被用于将电极202、204和206维持在围绕轴的所需的方向上，在所述轴上，至少一个光纤210可以被布置来用于接合、退火、扩散、剥离、锥化和烧蚀，或用于实现光纤耦合。至少一个光纤通过光纤支架234被支撑和维持在位置上。电极支架232可以被配置为调节电极202、204和206相对于至少一个光纤210的距离。电极支架232也可以被配置为使用例如连接到控制器230的压电制动器来根据至少一个光纤的直径自动调节电极到至少一个光纤的距离。
图2C是示出了在至少部分真空中的双电极排列的实施方式，例如这里所描述的。这样的电极排列也可以根据本发明的方面在这样的真空中从操作中收益。在至少部分真空中，两个电极也可以实现具有基本均匀的热分布的等离子场。
图3是示出了可以被提供到电极202、204和206以创建图2A中所示的三相电弧的电压的示例的图示300。所示出的示例具有约22kHz的总体频率，峰间值电压为20kV。曲线312针对电极202，曲线314针对电极204，以及曲线316针对电极206。
在示例中，在时间0μs时在电极204与206之间存在电弧，见曲线314和316。在大约6μs时，电弧转移至电极202与206之间的空间，见曲线312和316。在13μs时，电弧移向电极312和314，见曲线312和314，等等。在任何给定时间，电弧应当存在于具有最大电势差的两个电极之间。旋转的相位顺序变化很快，使得电弧看起来是连续开启的，并提供了基本恒定的加热，因为光纤和周围空气的热时间常数基本上比电弧的振荡周期长。
如在背景技术中所述，实际上控制在电极处的电压非常困难。然而，控制到升压变压器的初级线圈的电流的更加实用的方法可以应用于示出的实施方式中。图4示出了具有用于施加到变压器初级线圈的电流的优选波形的图示400。驱动电流的系统将产生大体上对应于图3所示的波形的输出电压波形，从而产生可控的三相电弧。
用于变压器的初级线圈驱动电流要求三个波形被布置在0度相位、120度相位和240度相位。这些可以由诸如环形计数器的已知的数字或模拟装置来生成。在图示400中，曲线412针对电极202，曲线414针对电极204，以及曲线416针对电极206。
图5是被配置为驱动图2A中的三个电极202、204和206排列的电路500的实施方式的示意图。6个D型触发器D1-D6被配置为实现循环移位寄存器。短的启动脉冲502被施加以启动电路500。开始，电极202是正的，电极204是负的，但之后每一个按顺序经历各种相位状态。作为示例，在该实施方式中，总体频率可以是132KHz的时钟频率的1/6。这在其它实施方式中可以改变，优选地维持基本均匀或均衡的加热等离子场。电流控制电路(未示出)可以取代CD4050缓冲器510、512、514、516、518和520。
所需电压可以从三个单独的10CT：780高压变压器522、524和526生成，或者从缠绕在单个铁心上的调谐LC结构生成。三个变压器522、524和526的次级线圈还可以以“三角形(delta)”结构来连接，其中次级线圈连接在相邻的电极对之间，而不是像图5中那样以地为参照。
在图5中，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)530、532、534、536、538和540驱动变压器522、524和526。根据本发明的不同方面，多电极系统可以包括死区特征以通过防止在“正驱动”和“负驱动”装置之间的传导的重叠来提高效率并减少在驱动晶体管/MOSFET 530、532、534、536、538和540中的损耗。死区特征也可以提供用于调节电弧功率的机制(例如，通过改变死区的宽度)。死区特征也可以通过在建立下一个电弧之前允许现有的电弧按相位顺序立刻熄灭来实现电弧状态之间的更清楚的转换。
死区特征可以通过产生受控电流波形以包括循环周期的1％-49％的两个死区来被实施，其中基本没有电流流过变压器初级线圈。
三电极系统的另一个实施方式可以生成基本与上面关于图2A所述的三电极系统的电弧性质相同的电弧，但是具有一个接地电极和仅有两个供电电极。
图6示出了具有也可以布置在至少部分真空中的一个接地电极和两个供电电极的三电极光纤剥离器系统600的示例性实施方式。在这种情况下，用图6的实施方式可以像上面关于图2A所述的那样有相应的好处。
在如关于图2A所述的三相电弧系统200中，电极202、204和206中的每一个由电压波形驱动，其中三个电压波形在相位上分离120°。这样产生了电弧212、214和216。在该实施方式中，电极602和604位于公共轴上，以与电极606形成“T”结构。性能基本上与图2A的实施方式中的相互分离120°的电极的情况相同。然而，对于该实施方式，结构更加紧凑，例如，在不影响性能的情况下更适合集成在熔接器中。知道本公开的好处的本领域技术人员将理解到可以使用其它的电极方向。
在图6的当前实施方式中，电极602接地。如果电极602和电极604中每一个由同一波形驱动，相对相位为0°，则不会形成电弧612，因为在电极602与603之间不存在电势差。两个相同的电弧将被形成，即形成“V”形的电弧614和616。
如果电极606保持接地，电极602和604由相反极性的电压波形驱动(即，180°相对相位)，则只形成电弧612。这是因为电极602与604之间的电势差是电极602和604中的任一电极与接地电极606之间的电势的两倍。
考虑到上述情况，看起来合理的是，在施加到电极602和604的电压波形之间的相位分离的某些特定角度(在0°与180°之间)且电极606接地的情况下，三个电弧612、614和616将全部形成基本相等的强度。理论分析(基于矢量数学)提出这将在60°相对相位处发生。在实施中，取决于诸如驱动波形的频率和功率以及电极的间隔和条件的不同实施因素，发现有必要改变在大约40°与160°之间的相位。
图7是用于驱动图6的三电极600排列的电路700的实施方式的示意图。图7中的实施方式与图5的实施方式在缓冲器、MOSFET以及变压器方面类似，但不同于图5，在图7中，第三电极被接地并且不包括缓冲器、MOSFET以及变压器电路。
在图7的实施方式中，用于打开和关闭驱动MOSFET 732、734、736以及738的信号可以由可编程微控制器单元750生成并通过缓冲器710、712、714以及716被提供。作为示例，MOSFET驱动器732、734、736以及738可以是MC34151(或类似的)MOSFET，以及微控制器750可以是由微芯公司(Microchip，Inc)制造的PAL18F2520。该实施方式的电路允许驱动信号的持续时间和相位关系的实时控制和调节。实时调节的目标是维持电弧612、614和616在强度上基本相等或故意改变它们的相对强度来用于不同目的。
为了使微控制器750能够感测电弧强度，小值电阻R1(例如，100欧姆的电阻)可以与地串联连接以返回每个驱动信号。电压在电阻R1两端产生，该电压与由电极602输送的电弧电流成正比。对于每个电极都提供了感测电阻R1。例如，来自电极602的20mA的电流将导致在100欧姆的感测电阻R1两端的2V信号。
感测电阻信号是高频交流电压的形式。可以对这些信号进行整流和滤波以产生直流电压，这更适于被微控制器单元750测量。
所示出的简单的整流/滤波网络包括二极管D、两个电阻R2和R3以及电容C，并被提供给三个电极中的每一个电极。该网络产生正比于感测电阻电压的绝对值的算术平均值(即平均值)的电压。如果要求更高的精确度，则已知的装置可以用于产生与感测电阻电压的均方值(例如，均方根或RMS)成比例的电压。RMS值是输送至电弧的功率的较好的测量，RMS值在一些应用中可能是非常重要的。
对实施方式的一个附加改进可以是使得电源可调节，在图7中被示为“12V”。在本领域中已知的可调节的“降压调节器(buck regulator)”电路可以将电压从12V向下调节至非常低的电压(例如，1V)或任何所需要的中间电压。这在需要非常低的功率的电弧时是有用的，因为已经发现对于MOSFET的非常低的脉宽(获得低功率操作的先前的方法)可以导致不稳定的电弧操作。可替换地，可以结合升压型调节器(boost-type regulator)使用较低的输入电压和/或较低的变压器升压比来提供相等范围的电压。
图8是描绘了可以由图7的微控制器单元750实施的实时控制算法800的实施方式的流程图。控制算法800执行对于电极602、604和606中的每一个电极的被感测电流的评估，在图7和图8中表示为电流I1、I2和I3。在该方法中，基于被感测电流I1、I2和I3是否基本等于表示初始电流设置的电流Iset，电极602、604和606的脉宽被微控制器单元调节。
具体地，在步骤802，输入对于电极602、604和606的初始电路设置，包括初始电流Iset。在步骤804，确定是否I1＝I2。如果答案是“是”，则方法继续到步骤810。如果在步骤804中I1＜I2，则过程继续到步骤806，其中，对于电极602的脉宽被增大。如果在步骤804中I1＞I2，则过程继续到步骤808，其中，对于电极604的脉宽被增大。与步骤804一样，在步骤806、808之后，过程继续到810。
在步骤810中，确定是否I3＝I1，I2。如果答案是“是”，则过程继续到步骤816。如果在步骤810中13＞I1，12，则过程继续到步骤812，其中，相位差被增大。如果在步骤810中13＜I1，12，则过程继续到步骤814，其中，相位差被减小。与步骤810一样，在步骤812、814之后，过程继续到步骤816，其中确定是否I1，12，13＝Iset。如果答案是“是”，则过程继续到步骤804并重复。如果在步骤816中I1，12，13＞Iset，则在步骤818中对于电极602和604的脉宽被减小。如果在步骤816中I1，12，13＜Iset，则在步骤820中对于电极602和604的脉宽被增大。在每种情况下，过程之后继续到步骤804并重复。
显而易见的是，在本发明的精神和范围内可以有其它可能的电极排列。这些可替换的排列在需要改变光纤的加热模式或者可替换的排列便于在较大的系统中相对于其它设备来放置电极的情况下可以是优选的。
图9A和图9B是示出了根据本发明的方面的电极排列的另一个实施方式的图。在这些图中示出了三电极光纤系统900，该三电极光纤系统900包括放置在水平面上的电极902、904和906，从而在该同一平面内产生电弧912、914和916。光纤910被布置在平面上方，从而通过来自电弧区域的向上的对流的热量流被充分加热。在该实施方式中，平面之间的距离范围为1mm-10mm。电极可以被布置成“Y”结构、“T”结构、或者应用所需要的或可能方便的这样的其它结构。例如，可以放置4个电极以形成矩形电弧阵列，或5个电极可以被排列成五角形。
图10A和图10B是示出了根据本发明的方面的三电极排列的另一个实施方式的图。在这些图中示出了三电极光纤系统1000，包括产生电弧1012、1014和1016的电极1002、1004和1006。光纤1010可以被布置在与电极1002、1004和1006相同的平面上(例如，垂直平面)。在该排列中，光纤1010贯穿电弧1012、1014和1016中的至少两个电弧。用这种方式，光纤将沿着其长度的较大部分被加热，虽然周围的热分布不像其它实施方式中那样均匀。
这些仅是电极和光纤的可能的可替换排列的示例。本发明因为其维持多个受控电弧放电的独特能力而适用于多种排列。
在三电极实施方式中的任一实施方式中，图5或图7中的电路可以被用于驱动所述电极。
虽然上面已经描述了被认为是最好模式的实施方式和/或其它优选实施方式，但应当理解可以对本发明做出各种修改，且本发明可以以各种形式和实施方式来被实施，这些实施方式可以被应用于多种应用中，而这里仅描述了某些实施方式。通过所附权利要求要求了字面描述的及其所有等价方式的权利，包括落入每个权利要求的范围的所有修改和变化。

Claims (37)

1.一种多电极系统，该系统包括：
支架，该支架被配置为支撑至少一个光纤；以及
至少三个电极，该至少三个电极被布置在被所述支架支撑的所述至少一个光纤周围，所述电极被配置为生成邻近电极之间的电弧以产生围绕所述至少一个光纤的外表面的实质上均匀的加热场，其中第一电弧在第一电极与第二电极之间生成，且第二电弧在所述第二电极与第三电极之间生成。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个光纤是具有至少125微米的直径的至少一个大直径光纤。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电极以均匀的角度布置在所述至少一个光纤周围。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电弧是等离子电弧，所述加热场是加热等离子场。
5.根据权利要求1所述的系统，该系统还包括：
控制器，该控制器被配置为使用脉宽调制、离子注入以及反馈控制中的一者或多者来控制所述电极的输出。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少三个电极是三个电极。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少三个电极位于实质上垂直于所述至少一个光纤的平面内。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少三个电极中的至少两个电极位于不同的平面内。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述实质上均匀的加热场产生至少1600℃的光纤表面温度。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述实质上均匀的加热场产生至少3000℃的光纤表面温度。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述实质上均匀的加热场产生在25℃至900℃的范围内的光纤表面温度以用于剥离光纤。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电极被布置在部分真空或绝对真空中。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述电极被布置在规格为22″至24″汞的真空中，绝对压力为200-150托。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述部分真空是在不高于400℃的温度下的具有等离子体的富含氧气的部分真空。
15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述均匀的加热场是具有至少65℃的温度的等离子场。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统被配置为剥离所述至少一个光纤。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述系统被配置为通过离子氧化来剥离所述至少一个光纤。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电极被电极支架支撑，所述电极支架被配置为调节所述电极相对于所述至少一个光纤的距离。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述电极支架被配置为根据所述至少一个光纤的直径来自动调节所述电极到所述至少一个光纤的距离。
20.根据权利要求18所述的系统，其中，所述电极支架被配置为根据所述至少一个光纤是被剥离还是被接合来自动调节所述电极到所述至少一个光纤的距离。
21.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电弧以旋转的相位顺序被打开。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，用于打开所述电弧的频率足够高，以使得所述至少一个光纤和周围空气的热时间常数比所述电弧的振荡周期长得多。
23.根据权利要求1所述的系统，该系统还包括一个或多个变压器，该变压器被配置为给所述电极提供电压以生成所述电弧。
24.根据权利要求23所述的系统，该系统还包括一个或多个电流提供器，该电流提供器被配置为将受控电流波形提供到所述一个或多个变压器以提供电压。
25.根据权利要求24所述的系统，其中，所述受控电流波形包括在波形循环周期的1%-49%的范围内的两个死区，其中，在所述两个死区中的每一个死区中，实质上没有电流流过变压器初级线圈。
26.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个光纤是多个光纤。
27.一种多电极系统，该系统包括：
光纤支架，该光纤支架被配置为支撑至少一个光纤；以及
三个电极，该三个电极被布置在至少部分真空中以被分布在被所述光纤支架支撑的所述至少一个光纤周围，其中，所述电极被配置为生成邻近电极之间的等离子电弧以产生围绕所述至少一个光纤的外表面的实质上均匀的加热等离子场。
28.根据权利要求27所述的系统，其中，所述三个电极中的一个电极被接地。
29.根据权利要求27所述的系统，该系统还包括：一组变压器，该变压器被配置为将电压提供到所述三个电极以生成等离子电弧；以及一个或多个电流提供器，该电流提供器被配置为将三个受控电流波形提供到所述一组变压器以生成电压，每个波形与其它两个波形的相位相差120度。
30.根据权利要求27所述的系统，其中，所述等离子电弧以旋转的相位顺序被打开，打开所述电弧的频率足够维持实质上恒定和均匀的加热等离子场。
31.一种生成围绕至少一个光纤的实质上均匀的加热等离子场的方法，该方法包括：
将所述至少一个光纤维持在相对固定的位置并围绕至少一个光纤分布至少三个电极；以及
生成在第一电极与第二电极之间的等离子电弧以及生成在该第二电极与第三电极之间的第二等离子电弧以产生围绕所述至少一个光纤的实质上均匀的加热等离子场。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述至少三个电极是三个电极。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述三个电极被布置在至少部分真空中。
34.根据权利要求32所述的方法，其中，所述三个电极中的一个电极被接地。
35.根据权利要求32所述的方法，其中，所述三个电极中的每一个电极由波形驱动，驱动一个电极的波形与驱动其它两个电极的波形的相位相差120度。
36.一种多电极系统，该系统包括：
支架，该支架被配置为支撑至少一个光纤；以及
至少三个电极，该至少三个电极被布置在被所述支架支撑的所述至少一个光纤附近，所述电极被配置为生成邻近电极对之间的电弧以产生在所述至少一个光纤的外表面的实质上均匀的加热场，其中第一电弧在第一电极对之间生成以及第二电弧在包含所述第一电极对中的一个电极的第二电极对之间生成。
37.根据权利要求36所述的系统，该系统还包括至少部分真空，在该部分真空内布置所述至少三个电极。
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