CN102206040A - 一种光纤预制棒的水平延伸装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单模光纤预制棒的水平延伸装置及其方法，就是将大直径预制棒延伸成小直径预制棒的一种方法和装置。其装置包括左侧卡盘、右侧的延伸卡盘、测径仪、高温炉和控制器；左侧卡盘设置在高温炉左侧，右侧的延伸卡盘设置在高温炉右侧，测径仪安装在预制棒母材两侧，测径仪通过导线与控制器相连，控制器通过控制线与右侧的延伸卡盘相连。预制棒母材由左侧驱动部分送棒卡盘和右侧驱动部分延伸卡盘抓持；测径仪测量预制棒母材的实际外径并记录测试每个外径值时当前棒的位置，高温炉将预制棒母材的加热部成为熔融状态时，延伸开始，由控制器来对延伸卡盘的速度进行控制，进而控制拉伸后棒的直径，使母材拉伸后的棒径非常接近于目标直径。

Description

一种光纤预制棒的水平延伸装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种单模光纤预制棒的水平延伸装置及其方法，具体的说就是将大直径预制棒延伸成小直径预制棒的一种装置和方法。使用该方法延伸光纤预制棒，一方面能使拉伸后棒体的棒径均匀性得到提高，另一方面能提高预制棒的合格率。

背景技术

随着光纤预制棒技术的发展，现阶段光纤预制棒的制造基本上都采用两步法，即先制造芯棒，然后在芯棒外面采取沉积包层或套管的方式而制得光纤预制棒。两步法不但能够提高预制棒的制造效率，也能提高成品棒的合格率。

光纤预制棒芯棒的制造方法主要有轴向气相沉积法（VAD）、改进的化学气相沉积法（MCVD）、等离子体化学气相沉积法（PCVD）和管外气相沉积法（OVD）。其中，轴向气相沉积法（VAD）制备低水峰光纤预制棒近年来得到了广泛的开发应用。

为了有更高的沉积速率，预制棒制备一般都采取先制备大尺寸的芯棒，再将芯棒拉细，然后在芯棒外面再沉积包层的方法。这样制备的预制棒中，部分位置会存在某些瑕疵，成为不合格点。为了提高预制棒的利用率，就需要将大尺寸的棒延伸成为较小尺寸的棒，然后在小尺寸的棒上去除不合格点。

现有的水平延伸技术中，存在两个较明显的缺陷。

1、  由于拉伸前对预制棒有一段时间的加热，导致锥体的熔融区偏软，拉伸后直径偏小；在拉伸将结束时，会有大量的热量从棒尾端外漏，锥体熔融不充分，导致拉伸后直径偏大。这样的直径不均匀部分降低了预制棒的合格率；

2、  现有水平延伸时，拉伸锥头都比较长，这样不容易实时精确的控制拉伸速度，导致拉伸后棒体的棒径波动较大，最终也使得预制棒的合格率降低。

在CN200910096090专利中，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。但实际应用中最佳位置的精确跟踪很难，涉及到的跟踪设备价格也较昂贵；另一方面，棒体在高温时有较大的红外辐射，这会对采用红外测径的仪器有较强的干扰。

发明内容

本发明是针对上述不足之处提供一种光纤预制棒的水平延伸装置及其方法，对棒始端和末端的外径进行外径补偿，即通过修改棒体的外径值，进而改变延伸速度，使延伸后的棒更均匀；同时改变炉体石墨导体沿炉体轴向的截面积分布，来改变炉体内的炉温分布。从加热炉进口到出口的轴向，炉内温度呈线性增加的趋势，在接近出口处稍作保温，然后温度锐减。

一种光纤预制棒的水平延伸装置及其方法是采取以下技术方案实现：

一种光纤预制棒的水平延伸装置包括左侧卡盘、右侧的延伸卡盘、测径仪、高温炉和控制器。左侧卡盘设置在高温炉左侧，右侧的延伸卡盘设置在高温炉右侧，测径仪安装在预制棒母材两侧，测径仪通过导线与控制器相连，控制器通过控制线与右侧的延伸卡盘相连，由控制器来对延伸卡盘5的速度进行控制。

在高温炉炉体进口和出口之间石墨导体的截面积呈线性变化，炉体温度的分布随炉体的轴向，温度从初始的1900 ℃线性增加到2200 ℃，在最高温处有一小段的保温距离，然后出炉口后温度直线锐减。

所述左侧卡盘为左右移动卡盘。所述右侧的延伸卡盘为左右移动卡盘，最大行程为10m。

所述测径仪采用非接触式，型号为：LDM 305 H-SP，量程为0~300mm。

所述高温炉采用石墨炉，型号为：A00817，加热范围为室温~3000℃。

所述控制器包括PLC、伺服驱动器、伺服电机以及一些检测单元。由PLC采集测径仪测试的外径数据，并根据目标直径对外径数据做出相应处理，这些处理过的数据转换为指令由伺服驱动器驱动伺服电机执行，检测单元检测伺服电机的转速并反馈给PLC形成控制闭环。所述控制器为市售服电机控制器，控制精度较高。

所述延伸卡盘安装有延伸牵引电机，其延伸速度由上述控制器根据测径数据控制。

一种光纤预制棒的水平延伸装置的延伸方法：

预制棒母材由左侧驱动部分送棒卡盘和右侧驱动部分延伸卡盘抓持；测径仪6测量预制棒母材的实际外径并记录测试每个外径值时当前棒的棒位；测径仪测得的预制棒母材的实际外径和棒位的关系输入控制器中; 高温炉作为热源对预制棒母材进行加热；预制棒母材的加热部成为熔融状态时，延伸开始，送棒卡盘向右的移动速度固定，移动速度可为2~30mm/min（具体值根据实际情况而定）；根据设定的目标直径以及外径补正，由控制器将预制棒母材的实际外径和棒位的关系转换为延伸卡盘的延伸速度和棒位的关系，进而由控制器对延伸卡盘的速度进行控制，从而控制拉伸后棒的直径，使母材经过拉伸后的棒径非常接近于设定的目标直径。

所述目标直径为所需要的延伸后预制棒的棒径，而外径为延伸前的预制棒母材直径。例如：如果欲将大约150mm的预制棒母材延伸为50mm的预制棒，则150mm为外径，50mm为目标直径。

本发明所提到的方法和装置有三个优点：一是实现方法比较简单，外径补偿是靠经验和数据逐渐摸索规律，而高温炉加热体的改造只需把加热体的尺寸告知厂家即可，这两条都是比较容易实现的；二是外径补偿的方法和高温炉加热体的改造都能使拉伸后棒体的棒径更加均匀，；三是成品棒的合格率有较大的提高，这正是因为棒径更加均匀，不需要切除更多不符合棒径要求的棒段。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是一种光纤预制棒的水平延伸装置结构示意图。

图2是采用实施例1前后的棒径分布示意图。

图3和图4分别是采用实施例2前的炉内加热体和炉温分布示意图。

图5和图6分别是采用实施例2后的炉内加热体和炉温分布示意图。

图7是采用实施例2前后的棒径分布示意图。

图8是采用实施例3前后的棒径分布示意图。

图9为采用实施例3前后棒的合格率图。

图中：1、光纤母材 ，2、拉伸时形成的拉伸锥体部分，3、拉伸后形成的拉伸体，4、左侧卡盘，5、延伸卡盘 ，6、测径仪，7、高温炉，8、尾柄

9、控制器。

具体实施方式

参照附图1～9，一种光纤预制棒的水平延伸装置包括左侧卡盘4、右侧的延伸卡盘5、测径仪6、高温炉7和控制器9。左侧卡盘4设置在高温炉7左侧，右侧的延伸卡盘5设置在高温炉7右侧，测径仪6安装在预制棒母材1两侧，测径仪6通过导线与控制器9相联，控制器9通过控制线与右侧的延伸卡盘5相连，由控制器9来对延伸卡盘5的速度进行控制。所述延伸卡盘5安装有延伸牵引电机？。

在高温炉7炉体进口和出口之间石墨导体的截面积呈线性变化，炉体温度的分布随炉体的轴向，温度如图6所示，从初始的大约1900 ℃线性增加到大约2200 ℃，在最高温处有一小段的保温距离，然后出炉口后温度直线锐减。

所述左侧卡盘4为左、右移动卡盘。所述右侧的延伸卡盘5为左、右移动卡盘，最大行程为10m。

所述测径仪6采用非接触式，型号为：LDM 305 H-SP，量程为0~300mm。

所述高温炉7采用石墨炉，型号为：A00817，加热范围为室温~3000℃。

所述控制器9包括PLC、伺服驱动器、伺服电机以及一些检测单元。由PLC采集测径仪测试的外径数据，并根据目标直径对外径数据做出相应处理，这些处理过的数据转换为指令由伺服驱动器驱动伺服电机执行，检测单元检测伺服电机的转速并反馈给PLC形成控制闭环。所述控制器9为市售伺服电机控制器，控制精度较高。

一种光纤预制棒的水平延伸装置的延伸方法：预制棒母材1由左侧驱动部分送棒卡盘4和右侧驱动部分延伸卡盘5抓持；测径仪6测量预制棒母材1的实际外径并记录测试每个外径值时当前棒的棒位；测径仪6测得的预制棒母材1的实际外径和位置的关系输入控制器9中; 高温炉7作为热源对预制棒母材1进行加热；预制棒母材的加热部成为熔融状态时，延伸开始，送棒卡盘4向右的移动速度固定，移动速度为2~30mm/min（具体值根据实际情况而定）；根据设定的目标直径以及外径补正，由控制器9将预制棒母材1的实际外径和棒位的关系转换为延伸卡盘5的延伸速度和棒位的关系，进而由控制器9来对延伸卡盘5的速度进行控制，进而控制拉伸后棒的直径，使母棒拉伸后的棒径非常接近于目标直径。

所述目标直径为所需要的延伸后预制棒的棒径，而外径为延伸前的预制棒母材直径。例如：如果欲将大约150mm的预制棒母材延伸为50mm的预制棒，则150mm为外径，50mm为目标直径。

以下结合实施例对本发明作进一步说明：

实施例一：采用VAD工艺制备出直径为100mm的光纤预制棒母棒，将母棒置于如图1所示的水平延伸机，延伸成直径为80mm的光纤预制棒。在此本发明光纤预制棒的水平延伸装置上输入控制器9的外径数据是经过了外径补偿的数据。

外径补偿，具体的说，就是以一组没有经过任何外径补偿的母棒拉伸前后棒径的相应对比作为基准，对以后母棒拉伸前的棒径做补偿，进而利用补偿后的外径值来控制延伸卡盘的延伸速度，使母棒拉伸后的棒径非常接近于目标直径？。其中需要注意的是：由于在延伸母棒中间一段时，各项外部条件基本保持稳定，延伸后的棒径也基本保持稳定，所以中间一段不需要进行外径补偿

延伸前母棒沿长度方向上的直径数据见表1，根据本发明对外径数据进行补偿，补偿后的直径数据见表1。

表1  母棒首尾段延伸前补偿前后的外径（单位：mm）

延伸后光纤预制棒沿长度方向上的直径分布见表2和图2，从表和图中可以看出延伸后的预制棒在首尾两端的直径都非常接近平均直径。

表2  经过补偿前后延伸后棒的外径（单位：mm）

实施例二：采用VAD工艺制备出直径为120mm的光纤预制棒母棒，将母棒置于本发明光纤预制棒的水平延伸装置上，延伸成直径为80mm的光纤预制棒，此光纤预制棒的水平延伸装置上的高温炉中的加热体装置经过了改造，其温度分布如图6所示。

具体的说，延伸前对加热炉的发热体结构进行改造，使炉温要随炉体轴向长度而逐渐增加，到炉体的末端达到最大温度。

加热炉内的温区分布由炉体内加热体的发热量分布决定，而发热量分布由加热体的电阻分布决定，电阻分布则由加热体的截面积分布决定，故改变加热体的截面积分布就可以改变加热炉内的温区分布。

没有采用本发明前，发热体的石墨导体剖面示意图如图3所示，炉体内的温度分布如图4所示，在炉体轴向中心位置炉温达到最高2200℃，而在炉体的两端，由于热量有外泄，炉温分别有所下降，降为2000℃。

经过本发明改造后，在炉体进口处加热体的石墨导体剖面示意图如图5所示。在炉体进口和出口之间石墨导体的截面积呈线性变化，炉体温度的分布随炉体的轴向温度如图6所示，从初始的1900 ℃线性增加到2200 ℃，在最高温处有一小段的保温距离，然后出炉口后温度直线锐减。

采用这样的装置延伸后，预制棒的拉伸锥头由大约150 mm减小到大约30 mm，拉伸后棒体的直径变化情况见图5，从图中可见棒径波动大幅减小，预制棒的合格率也有所提高。

实施例三：采用VAD制备出直径为120mm的光纤预制棒，同时采用外径补偿方法和高温炉装置改造延伸成直径为80mm的预制棒。

从图6可以看出，在采用本发明后，延伸后预制棒外径的均匀性有了很大的改善。从图7和表3中也可以看到，延伸后预制棒的合格率从大约75%提高到大约85%。

表3  发明前后棒体的合格率表

Claims (6)

1.一种光纤预制棒的水平延伸装置，其特征在于包括左侧卡盘、右侧的延伸卡盘、测径仪、高温炉和控制器；左侧卡盘设置在高温炉左侧，右侧的延伸卡盘设置在高温炉右侧，测径仪安装在预制棒母材两侧，测径仪通过导线与控制器相连，控制器通过控制线与右侧的延伸卡盘相连，由控制器来对延伸卡盘的速度进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种光纤预制棒的水平延伸装置，其特征在于所述延伸卡盘安装有延伸牵引电机，其延伸速度由控制器根据测径数据控制。

3.根据权利要求1所述的一种光纤预制棒的水平延伸装置，其特征在于在高温炉炉体进口和出口之间石墨导体的截面积呈线性变化，炉体温度的分布随炉体的轴向，温度从初始的1900 ℃线性增加到2200 ℃，在最高温处有一小段的保温距离，然后出炉口后温度直线锐减。

4.权利要求1所述的光纤预制棒的水平延伸装置的延伸方法，其特征在于：预制棒母材由左侧驱动部分送棒卡盘和右侧驱动部分延伸卡盘抓持；测径仪测量预制棒母材的实际外径并记录测试每个外径值时当前棒的位置；测径仪测得的预制棒母材的实际外径和位置的关系输入控制器中；高温炉作为热源对预制棒母材进行加热；预制棒母材的加热部成为熔融状态时，延伸开始，送棒卡盘向右的移动速度固定，移动速度为2~30mm/min，根据设定的目标直径以及外径补正，由控制器将预制棒母材的实际外径和棒位的关系转换为延伸卡盘的延伸速度和棒位的关系，进而由控制器来对延伸卡盘的速度进行控制，进而控制拉伸后棒的直径，使母材拉伸后的棒径非常接近于设定的目标直径。

5.根据权利要求4所述的光纤预制棒的水平延伸装置的延伸方法，其特征在于在光纤预制棒的水平延伸装置上输入控制器的外径数据是经过了外径补偿的数据，所述外径补偿，就是以一根没有经过任何外径补偿的母棒拉伸前后棒径的相应对比作为基准，对以后母棒拉伸前的棒径做补偿，进而利用补偿后的外径值来控制延伸卡盘的延伸速度，使母棒拉伸后的棒径非常接近于目标直径。

6.根据权利要求4所述的光纤预制棒的水平延伸装置的延伸方法，其特征在于所述目标直径为所需要的延伸后预制棒的棒径。

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