CN103592723A

CN103592723A - 电加热装置及系统

Info

Publication number: CN103592723A
Application number: CN201310589769.7A
Authority: CN
Inventors: 郑煜; 李文娟; 段吉安; 周剑英; 吕文; 王丽军; 李继攀
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2033-11-20
Also published as: CN103592723B

Abstract

本发明揭示了一种电加热装置及系统，其中该装置包括发热体、两个电极和陶瓷壳体，其中：两个电极连接在发热体两端；陶瓷壳体内部形成有空腔，发热体放置在该空腔中；陶瓷壳体的顶部形成贯穿陶瓷壳体厚度方向并与空腔连通的凹口，发热体为螺旋结构，螺旋结构的位置使得其螺旋轴线与凹口自顶向下延伸的方向大致垂直从而一对在陶瓷壳体厚度方向延伸的扭绞光纤能够从凹口向下进入螺旋结构的两个螺圈之间。本发明的电加热装置采用了电加热的方式，发热体采用螺旋结构并由陶瓷壳体夹持，光纤在螺旋结构的两个螺圈之间加热，加热均匀稳定，避免了火焰加热不够稳定均匀的缺点，同时，温度热应力和结构热应力也得到了合理分布，不会有应力集中的位置。

Description

电加热装置及系统

技术领域

本发明涉及电加热技术，特别是用于熔融拉锥的电加热装置及系统。

背景技术

熔锥型光纤器件是光纤器件中最具代表性也是构成其他器件的一种基础器件，其相应的制造工艺为熔融拉锥技术。熔融拉锥技术可以运用到各类光无源器件，如光纤耦合器、光波分复用器、光纤反射器、光纤偏振分束器、光衰减器等。

目前用于熔融拉锥的加热系统普遍采用火焰加热的方式，其基本工艺过程为：将两根去除涂覆层的单模光纤靠拢，在高温火焰下加热熔融，同时向两侧拉伸，产生一段双向圆锥结构。熔融拉锥技术原理如图1所示，C为经过熔融拉锥后的光纤。

从实验分析来看，要使光纤器件的损耗小，就必须有一个稳定的温度场，要保证光纤器件的性能一致性，也必须保证温度场的稳定。而火焰加热不可避免的存在以下缺点：火焰加热不稳定，受环境的干扰，容易飘移，从而造成光纤器件的性能一致性差，它还受罐内气体压强的影响，需经常调节氢气和氧气的百分比；火焰的温度调节范围狭窄且难以控制，经常达不到预期的要求；火焰加热会产生OH—离子，它进入光纤会造成光纤器件的损耗加大，降低光纤的可靠性；高纯气体不安全，且价格昂贵。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题就是如何克服熔融拉锥采用的火焰加热方式带来的缺陷。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，根据本发明的第一方面，本发明提供了一种电加热装置，该装置包括发热体、两个电极和陶瓷壳体，其中：

两个电极连接在发热体两端；

陶瓷壳体内部形成有空腔，发热体放置在该空腔中；

陶瓷壳体的顶部形成贯穿陶瓷壳体厚度方向并与空腔连通的凹口，发热体为螺旋结构，螺旋结构的位置使得其螺旋轴线与凹口自顶向下延伸的方向大致垂直从而一对在陶瓷壳体厚度方向延伸的扭绞光纤能够从凹口向下进入螺旋结构的两个螺圈之间。

优选地，发热体的螺旋结构只有两个顶点和一个底点，所述的一对扭绞光纤从两个顶点之间进入螺旋结构的两个螺圈之间。

优选地，两个电极平行且长度相等。

优选地，所述发热体的材料为二硅化钼。

优选地，所述陶瓷壳体在厚度方向分为两个半壳，在两个半壳上分别形成凹槽，两个半壳贴合在一起时，两个半壳的凹槽组成所述的空腔。

优选地，所述凹口形成在所述两个半壳之间。

优选地，所述两个电极分别位于一个半壳中的弧底长槽中，并在两个半壳贴合时分别被另一个半壳上形成的表面有弧形长槽的条状突起抵住。

优选地，还包括支架，该支架包括内支架和外支架，内支架夹持陶瓷壳体，外支架夹持内支架，外支架的垂直尾端设置有固定孔。

根据本发明的第二方面，本发明提供了一种电加热系统，包括温控装置、电源和权利要求1至8其中任一项所述的电加热装置，其中：

电源给电加热装置供电，温控装置测量电加热装置的温度，根据温度调节电源的输出电压或电流，以控制电加热装置的温度。

优选地，电源由可控硅和变压器组成，可控硅将交流电整流为直流电，变压器初级侧连接到可控硅，次级侧连接到电加热器，将所述直流电变压后输入到电加热器；温控装置包括热电偶和温控器，热电偶根据电加热器的温度生成电信号发送到温控器，温控器根据该电信号和设定的温度阈值控制可控硅的导通角。

（三）有益效果

本发明的电加热装置采用了电加热的方式，发热体采用螺旋结构并由陶瓷壳体夹持，光纤在螺旋结构内部加热，从而使得加热均匀稳定，避免了火焰加热不够稳定均匀的缺点，同时，温度热应力和结构热应力也得到了合理分布，不会有应力集中的位置。另外，电加热系统还采用温控系统控制温度，能够方便的控制发热体的发热功率，获得理想的温度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为制作熔锥型光纤器件的原理示意图；

图2为根据本发明一个实施例的发热体和电极的正视图；

图3为根据本发明一个实施例的发热体和电极的侧视图；

图4为根据本发明一个实施例的电加热装置的主视图；

图5为根据本发明一个实施例的电加热装置的剖视图。

图6为根据本发明一个实施例的陶瓷壳体一部的立体视图；

图7为根据本发明一个实施例的陶瓷壳体另一部的立体视图；

图8为根据本发明一个实施例的电加热装置的立体视图；

图9为包括在图8的电加热装置中的支架的立体视图；

图10为包括在图9的支架中的一个外支架的立体视图；

图11为包括在图9的支架中的一个内支架的立体视图；

图12为根据本发明一个实施例的电加热系统的结构组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

图2至图8示出了本发明一个较佳实施例的电加热装置的结构。如图所示，本发明的电加热装置包括发热体1、两个电极2和陶瓷壳体3，两个电极2连接在发热体1两端；陶瓷壳体3内部形成有空腔31，发热体1放置在空腔31中；陶瓷壳体3的顶部形成贯穿陶瓷壳体3厚度方向并与空腔31连通的凹口32，发热体1为螺旋结构，螺旋结构的位置使得其螺旋轴线与凹口32自顶向下延伸的方向大致垂直从而一对在陶瓷壳体3的厚度方向延伸的扭绞光纤能够从凹口32向下进入螺旋结构的两个螺圈之间。

本发明的电加热装置采用了电加热的方式，发热体采用螺旋结构并由陶瓷壳体夹持，光纤在螺旋结构的两个螺圈之间加热，从而使得加热均匀稳定，避免了火焰加热不够稳定均匀的缺点，同时，温度热应力和结构热应力也得到了合理分布，不会有应力集中的位置。陶瓷壳体的夹持使得发热体得以稳定放置，凹口和空腔的设置使得温度分布更加均匀。

图2和图3示出了发热体1和电极2的结构，两个电极2平行且长度相等，连接在发热体1的两端，连接点也处于同一高度。发热体1和电极2例如为一体的结构，但是两者的材料是不同的，电极2例如为导电性能优越的金属。发热体1的材料为二硅化钼，该材料是一种高温下抗氧化的金属陶瓷材料，是由高纯硅、钼采用陶瓷工艺制造的特种功能陶瓷元件。其工作特点是：耐高温、使用寿命长，在氧化气氛中表面生成一层致密的能自封的保护膜，阻止氧气与发热材料的进一步氧化。具有较小的电阻，但随着温度的升高而增加，使其在高温下保护发热元件在不超负荷的情况下正常运行。该材料的机械性能与加工性能良好，抗拉强度和弯曲强度不低于一般金属和氧化物材料。综上所述，该材料在力学性能以及电学性能上都能很好的满足要求，是理想的发热材料。

从图3和图4可以看出，发热体2的螺旋结构只有两个顶点和一个底点，一对扭绞光纤是从两个顶点之间进入螺旋结构的两个螺圈之间。当然，螺旋结构也可以延长，但那样不够经济。

从图4-7可以看出，陶瓷壳体3为两个半壳组成的结构，即在厚度方向分为两个半壳，在两个半壳上分别形成凹槽33，两个半壳贴合在一起时，两个半壳的凹槽33组成所述的空腔31。从图6可以看出，空腔31的形状与发热体2的形状相适应。凹口32形成在所述两个半壳之间。即将两个半壳的顶部去掉一部，两个半壳贴合在一起即形成凹口32。两个电极2分别位于一个半壳中的弧底长槽34中，并在两个半壳贴合时分别被另一半壳上形成的表面有弧形长槽35的条状突起36抵住。这样就能限定住电极2的位置进而限定发热体2的位置，同时，通过将条状突起36进入弧形长槽35，可以避免两个半壳贴合时相对滑动。

从图8、9可以看出，可以采用支架来固定陶瓷壳体3的两个半壳，支架包括两个对称的外支架4和两个对称的内支架5，例如均可以由不锈钢材料制成。从图9-11可以看出，内支架5夹持陶瓷壳体3，外支架4夹持内支架5，外支架4和内支架5分别对应设置有安装孔43和52，以通过螺纹件（图中未示出）固定在一起。由于陶瓷壳体的材料特性，所以其和不锈钢金属内支架呈过盈配合关系，因而能被牢固夹持。同时，外支架4的尾端41垂直所述侧面延伸，并设置有固定孔42。从而可以将电加热装置固定到别的器件诸如底座上，使得电加热装置稳定。

制作光纤耦合器时根据其他的工艺参数如拉锥速度调节电加热装置的工作电压和功率，得到合适的温度场。将两根扭绞的光纤从凹口32置于发热体1的螺旋结构内部预热2-3秒，达到一定温度后，例如以0.15mm/s的拉伸速度将光纤向两端拉伸。

图9示出了本发明的加热系统的一个较佳实施例，该加热系统包括温控装置、电源和电加热装置，电源由可控硅和变压器组成，可控硅将交流电整流为直流电，变压器初级侧连接到可控硅，次级侧连接到电加热器，将所述直流电变压后输入到电加热器；温控装置包括热电偶和温控器，热电偶根据电加热器的温度生成电信号发送到温控器，温控器根据该电信号和设定的温度阈值控制可控硅的导通角，温度超过高阈值则导通角变小，从而可控硅输出的直流电的压降低，变压器的输出电压降低，施加在电加热装置的电压也相应降低，使得通过发热体的电流变小，温度降低；若温度低于低阈值则导通角变大，从而可控硅的输出的直流电的电压升高，变压器的输出电压升高，施加在电加热装置的电压也相应升高，使得通过发热体的电流变大，温度升高。该实施例中，电加热系统采用温控系统控制温度，能够方便的控制发热体的发热功率，获得理想的温度。这样，也实现了加热系统的自动反馈控制，控制精度高。通过实验验证，控制温度的误差在1度左右，形成的光纤耦合器的附加损耗也由火焰加热制作的产品的0.15dB降为0.108dB。

以上实施例仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和范围当中。

Claims

1.一种电加热装置，其特征在于，该装置包括发热体、两个电极和陶瓷壳体，其中：

两个电极连接在发热体两端；

陶瓷壳体内部形成有空腔，发热体放置在该空腔中；

2.根据权利要求1的电加热装置，其特征在于，发热体的螺旋结构只有两个顶点和一个底点，所述的一对扭绞光纤从两个顶点之间进入螺旋结构的两个螺圈之间。

3.根据权利要求1的电加热装置，其特征在于，两个电极平行且长度相等。

4.根据权利要求1至3其中任一项的电加热装置，其特征在于，所述发热体的材料为二硅化钼。

5.根据权利要求1至3其中任一项的电加热装置，其特征在于，所述陶瓷壳体在厚度方向分为两个半壳，在两个半壳上分别形成凹槽，两个半壳贴合在一起时，两个半壳的凹槽组成所述的空腔。

6.根据权利要求5所述的电加热装置，其特征在于，所述凹口形成在所述两个半壳之间。

7.根据权利要求5或6所述的电加热装置，其特征在于，所述两个电极分别位于一个半壳中的弧底长槽中，并在两个半壳贴合时分别被另一个半壳上形成的表面有弧形长槽的条状突起抵住。

8.根据权利要求5或6所述的电加热装置，其特征在于，还包括支架，该支架包括内支架和外支架，内支架夹持陶瓷壳体，外支架夹持内支架，外支架的垂直尾端设置有固定孔。

9.一种电加热系统，其特征在于，包括温控装置、电源和权利要求1至8其中任一项所述的电加热装置，其中：

10.根据权利要求9所述的电加热系统，其特征在于，电源由可控硅和变压器组成，可控硅将交流电整流为直流电，变压器初级侧连接到可控硅，次级侧连接到电加热器，将所述直流电变压后输入到电加热器；温控装置包括热电偶和温控器，热电偶根据电加热器的温度生成电信号发送到温控器，温控器根据该电信号和设定的温度阈值控制可控硅的导通角。