CN103900620B - 一种连续制造光纤传感器的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种连续制造光纤传感器的装置及方法，依次包括光纤拉丝机构、储线与裸光纤线速度调节机构、光纤传感器加工机构、光纤保护层涂覆及固化机构和收线机构。通过储线与裸光纤线速度调节机构暂存光纤拉丝机构拉出的裸光纤，使得光纤传感器加工机构在静止的裸光纤上加工光纤传感器。实现在不影响光纤拉丝速度及光纤直径精度以及光纤光学性能及机械强度的前提下，在线连续制造光纤传感器。本发明可以使光纤拉丝、光纤传感器加工、光纤保护涂覆及固化工艺一次完成，大幅提高生产效率。同时，无需离线制造光纤传感器所需的保护涂层剥离，以及保护层再次涂覆的工艺，从而最大限度的降低了因光纤保护层不均匀而造成的对光纤传感器特性的影响。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感器制备领域，涉及光纤拉制过程中同时在线连续加工多种不同种类的分布式光纤传感器。
背景技术
分布式光纤传感器具有良好的应用前景，其核心制备技术要求在一根长距离光纤上的不同位置以尽可能低的损耗加工光纤传感器，使这跟光纤兼具传感与信号传输的功能。传统分布式光纤传感器的制备方法是使用已拉制好的光纤制备单个的光纤传感器，再将这些传感器串联熔接成一根长距离分布式的光传感线路。在制造单个光纤传感器时，必须先采用化学溶剂或机械方法除去光纤原有的树脂保护层，在光纤的石英包层结构上直接进行加工。加工完成后还要使用专用的二次涂覆装置重建树脂保护层结构。使用二次涂覆装置重建的紫外光硬化树脂其材质、结构、厚度、形状均与光纤原有保护层不同。因此会不可避免的影响传感器的光学性能稳定性并降低光纤传感器的机械强度。此外将传感器串联熔接的工艺会因为调芯装置的精度限制导致不可避免的附加损耗并影响到光信号的品质。同时熔接部分还要使用热收缩护套固定，这会降低光纤的可绕性，以及系统的可靠性。在光纤从预制棒拉制成丝后，随即在线制造光纤传感器，并进行保护层涂覆及固化工艺，可以有效的解决上述问题，并大幅提高生产效率，降低成本。
然而，传统光纤传感器例如采用光纤光栅结构的光纤传感器的制造要求在静止状态下进行，而无法实现动态在线制备。英国南安普顿大学的L.Dong等人提出了采用单脉冲全息干涉法实现在光敏光纤的拉制过程中动态在线写入光栅的方法[1]。虽然上述文献资料实现了动态条件下光栅的在线写入，但此成栅方法存在几大难点，造成此方法很难形成成熟的光栅制备技术。光纤始终处于运动状态时，光纤的径向位置随着时间变化，总是不可避免的产生一定量的偏移；光纤轴向的运动速度也会因为为了保持光纤直径在设计误差范围内，不间断的进行调整。这些都会直接影响光栅制作的精度。同时因为光纤始终处于运动状态，对光栅制作设备的光学系统设计与控制精度要求高，导致设备复杂化，高价化并影响设备的稳定性。另外因为光纤处于运动状态，无法使用接触式以及所需加工时间较长的加工方式。所以这种方法只适用于拉制对光非常敏感的例如载氢增敏的特种光纤。
武汉理工大学的姜德生等人提出了先拉制裸光纤再在以恒定速度运动的光纤上动态在线写入光栅并完成保护层涂覆及固化工艺[2]。进一步拓展此方法可以在光栅写入时将光纤移动速度设定为零，完成光栅刻写后，重新移动光纤进行涂覆工艺。这种方法可以解决光纤拉丝速度不稳定状态下以及动态过程中写光栅时存在的问题。但是使用这种先拉制裸光纤再写光栅的方法存在以下问题。将光纤拉制与保护层涂覆分开的工艺不可避免的使裸露的光纤长时间与空气接触。而在普通的光纤拉丝工艺中，裸光纤与空气接触的时间一般不会超过十数秒。因为裸露的光纤直径仅为125微米，其表面极易吸附水蒸汽与细小的悬浮颗粒，产生细小的裂痕与缺陷，这将会影响到光纤的机械强度与光学性能的长期稳定性。严重时光纤还会断裂。另外将拉丝与保护层涂覆这两项工艺都是耗时的工艺。将两者分开不可避免的降低生产效率。虽然拉丝工艺可以在一个相对较快的速度下进行，但因为裸光纤强度有限，拉丝速度会受到很大制约。
[1]LDongetal.,“SinglepulseBragggratingswrittenduringfiberdrawing”,ElectronLett.,29,1577-1578(1993)。
[2]发明专利申请CN102590929，发明人姜德生武汉理工大学。
发明内容
本发明的目的是针对传统在线光纤传感器的制造方法存在的诸多技术难点和自身难以克服的技术不足，以及以传统在线方法制造的光纤传感器存在可靠性差等问题提出一种在线连续制造光纤传感器的装置及其方法。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种连续制造光纤传感器的装置，其特征在于：该装置依次包括光纤拉丝机构、储线与裸光纤线速度调节机构、光纤传感器加工机构、光纤保护层涂覆及固化机构和收线机构；
所述光纤拉丝机构用于将光纤预制棒连续拉制成裸光纤，并传送至储线与裸光纤线速度调节机构；
所述储线与裸光纤线速度调节机构用于暂存光纤拉丝机构传送的裸光纤，调节输出的裸光纤线速度为0至V’，并传送至光纤传感器加工机构；
所述光纤传感器加工机构用于在静止的裸光纤上加工光纤传感器；
所述光纤保护层涂覆及固化机构用于在加工了光纤传感器的裸光纤上涂覆保护层并固化，形成带保护层光纤；
所述收线机构用于收取带保护层的光纤。
其进一步特征在于：储线与裸光纤线速度调节机构包括一根固定的定轴和一个可调整与定轴距离的动轴，所述定轴和动轴上设置有多个绕线定位轮，裸光纤交替绕在动轴和定轴上的绕线定位轮上。
光纤传感器加工机构可以采用下述多种形式。：
1.所述光纤传感器加工机构包括激光器与光栅模板，在裸光纤的纤芯部分直接刻写光栅。
2.所述光纤传感器加工机构包括波长10微米的二氧化碳激光器或波长3微米的铒掺杂YAG激光器以及退火处理加热装置，在裸光纤的包层上直接刻写长周期光纤光栅，并退火处理。
3.所述光纤传感器加工机构包括机械研磨装置，用于除去光纤一部分的石英包层，制造利用衰逝波传感的D型光纤传感器。
4.所述光纤传感器加工机构包括化学刻蚀装置，用于除去光纤一部分的石英包层，制造利用衰逝波传感的细径光纤传感器。
一种采用上述装置的连续制造光纤传感器的方法，包括两种工作状态：
光纤拉制状态：光纤拉丝机构连续拉制裸光纤，储线与裸光纤线速度调节机构、光纤传感器加工机构不工作，裸光纤经过储线与裸光纤线速度调节机构、光纤传感器加工机构，以线速度V进入光纤保护层涂覆及固化机构进行裸光纤的保护层涂覆并固化，形成带保护层光纤；收线机构以光纤拉丝机构拉制裸光纤速度相同的线速度收取带保护层的光纤；
光纤传感器加工状态：光纤拉丝机构连续拉制裸光纤，储线与裸光纤线速度调节机构的动轴移动，拉大动轴和定轴之间的距离，加大储线与裸光纤线速度调节机构的储线量，使储线与裸光纤线速度调节机构出线端裸光纤线速度为0，即裸光纤静止；光纤传感器加工机构在静止的裸光纤上加工光纤传感器，光纤保护层涂覆及固化机构不工作；光纤传感器加工机构完成一个光纤传感器的加工后停止工作，收线机构以大于光纤拉丝机构拉制裸光纤速度的线速度收线，光纤保护层涂覆及固化机构工作；储线与裸光纤线速度调节机构的动轴移动，减小动轴和定轴之间的距离，减小储线与裸光纤线速度调节机构的储线量，直到动轴回到初始位置，收线机构恢复光纤拉丝机构拉制裸光纤速度相同的线速度收取带保护层的光纤，等待一下个光纤传感器的加工周期；
通过上述两种工作状态的转换，实现带有光纤传感器光纤的连续制造。
本发明特点：在不影响光纤拉丝速度及光纤直径精度以及光纤光学性能及机械强度的前提下，通过调节已完成拉丝工艺的裸光纤的线速度实现在静止状态下在线连续制造光纤传感器。使用这种装置及方法可以使光纤拉丝、光纤传感器加工、光纤保护涂覆及固化工艺一次完成，大幅提高生产效率。同时，光纤传感器部分的保护层与光传输部分光纤的保护层完全相同。无需离线制造光纤传感器所需的保护涂层剥离，以及保护层再次涂覆的工艺，从而最大限度的降低了因光纤保护层不均匀而造成的对光纤传感器特性的影响。另外这种装置与方法与将光纤拉丝和光纤传感器加工、光纤保护涂覆工艺分离的方法相比，能大幅减少光纤与空气接触的时间，从而减少空气中的水分子以及其他悬浮微粒对光纤的机械强度与光学性能的影响，从而保证光纤传感器的质量。除以上优点外，因为是在完全静止状态下加工光纤传感器，所以除了在裸光纤的纤芯部通过激光照射加工光纤光栅型光纤传感器外，还可以直接在光纤石英包层上，使用激光照射、机械研磨、化学蚀刻等方法在线连续制造其他类型的光纤传感器。
附图说明
图1为本发明连续制造光纤传感器的装置示意图。
图2为储线与裸光纤线速度调节装置的示意图。
图3为在裸光纤的纤芯部分直接刻写光栅的示意图。
图4为在裸光纤的石英包层部分直接刻写光栅的示意图。
图5为在裸光纤的石英包层部分直接机械加工D形光纤传感器的示意图。
图6为使用化学刻蚀方法除去裸光纤一部分石英包层制作细径光纤传感器的示意图。
具体实施方式
如图1所示一种连续制造光纤传感器的装置，依次包括光纤拉丝机构、储线与裸光纤线速度调节机构108、光纤传感器加工机构111、光纤保护层涂覆及固化机构和收线机构。
所述光纤拉丝机构包括光纤预制棒送料装置101、光纤拉丝炉102和裸光纤抽丝装置107；所述光纤拉丝炉102和裸光纤抽丝装置107之间设有裸光纤光纤测径仪104和裸光纤张力测量仪106。光纤拉丝炉102将光纤预制棒103拉制成裸光纤105，通过计算机处理裸光纤光纤测径仪104接收到的信号自动调节裸光纤抽丝装置107的的抽丝速度V（米/秒）从而精确地控制裸光纤105的直径。
所述储线与裸光纤线速度调节机构108用于暂存光纤拉丝机构传送的裸光纤，调节输出的裸光纤线速度为0至V（米/秒），并经光纤导向定位轮110传送至光纤传感器加工机构111；所述储线与裸光纤线速度调节机构108出线端设置有速度调节装置后部张力测量仪109。
所述光纤传感器加工机构111用于在静止的裸光纤105上加工光纤传感器。
所述光纤保护层涂覆及固化机构包括光纤保护层涂覆装置112和保护层固化装置113，其后部设置有光纤保护层测径仪114和带保护层光纤张力测量仪116。光纤传感器加工机构111传送来的光纤经过光纤保护层涂覆装置112涂覆保护层和保护层固化装置113固化保护层后形成带保护层光纤115，送至收线机构收线。
所述收线机构依次包括带保护层光纤抽线装置117、收线盘速度匹配装置118和光纤收线盘119，用于收取加工好的带保护层光纤115。
图2是储线与裸光纤线速度调节装置的示意图。该装置设有一个定轴204和一个动轴203。定轴204和动轴203上设置有定位盘203和绕线定位轮201。根据安放场地的布局，定轴204和动轴203可以采用上下、水平或倾斜的方向设计。裸光纤的最大储线量Lmax（米）以及使光纤保持静止状态的最大时间tmax（秒），可以通过改变动轴203的最大移动距离Dmax（米）以及改变绕线定位轮201的数量N来设计。拉丝时，将动轴203调到离定轴204最近的初始位置，并将裸光纤按照定轴204、动轴203交替的顺序绕在绕线定位轮201上。在未达到传感器制造节点处前，动轴203位置不变，通过储线与裸光纤线速度调节装置后的裸光纤的线速度与拉丝速度V（米/秒）也保持一致，储线装置的储线量L（米）保持最小。当光纤拉制经过设计的长度间隔，达到需要进行光纤传感器加工的位置节点时，通过计算机程序控制动轴203与定轴204间的距离以及动轴203的移动速度来改变储线量L（米），使裸光纤在离储线与裸光纤线速度调节装置时的线速度在进行光纤传感器加工的时间间隔t（秒）内，保持为0（米/秒）。在完全静止的状态下加工光纤传感器。当光纤传感器加工结束后，在带保护层光纤抽线装置117的牵引下，裸光纤线速度从0逐渐加速到大于拉丝速度的一个线数度V1（米/秒），储线装置的储线量L经过设计的时间间隔t2(秒)，逐渐减少至最小，同时控制带保护层光纤的线速度逐渐回到V（米/秒）。从新达到平衡状态，为下一处光纤传感器的加工做好准备。在储线量L（米）保持最小的状态下继续拉制光纤。整个裸光纤线速度调节的过程中，采用计算机监测裸光纤张力测量仪106、速度调节装置后部张力测量仪109、带保护层光纤张力测量仪116的信号，使各部位光纤张力保持在设定范围内的前提下，调节动轴203移动速度改变时的加速度。
光纤传感器加工机构111可以采用下述多种形式。
如图3所示，本发明可以通过选用适合的光纤预制棒并通过在光纤传感器加工装置内配置波长适合的激光器301与光栅模板302，在裸光纤纤芯部分304直接刻写布拉格光栅、啁啾光栅和长周期光栅。裸光纤石英包层303包覆在裸光纤纤芯部分304外部。
如图4所示，本发明可以通过在光纤传感器加工装置内配置波长10微米的二氧化碳激光器或波长3微米的铒掺杂YAG激光器以及退火处理加热装置405，使激光装置401左右移动，在裸光纤包层402上直接刻写长周期光纤光栅404。光纤光栅加工完毕后，使用退火处理加热装置405进行处理。裸光纤包层402包覆在裸光纤纤芯403外部。
如图5所示，本发明可以通过在光纤传感器加工装置内配置机械切削装置501，使机械切削装置501左右移动，使用转动的钻头除去光纤一部分的石英包层503，光纤纤芯504保持不变，制造利用衰逝波传感的D形光纤传感器。
如图6所示，本发明可以通过在光纤传感器加工装置内配置化学刻蚀装置601，使用氢氟酸等化学试剂除去光纤一部分的石英包层602（603），光纤纤芯604保持不变，制造利用衰逝波传感的细径光纤传感器。刻蚀前的石英包层602，刻蚀后的石英包层603。
Claims (6)
1.一种连续制造光纤传感器的装置，其特征在于：该装置依次包括光纤拉丝机构、储线与裸光纤线速度调节机构、光纤传感器加工机构、光纤保护层涂覆及固化机构和收线机构；
所述光纤拉丝机构用于将光纤预制棒连续拉制成裸光纤，并传送至储线与裸光纤线速度调节机构；
所述储线与裸光纤线速度调节机构用于暂存光纤拉丝机构传送的裸光纤，调节输出的裸光纤线速度为0至V，并传送至光纤传感器加工机构；
所述光纤传感器加工机构用于在静止的裸光纤上加工光纤传感器；
所述光纤保护层涂覆及固化机构用于在加工了光纤传感器的裸光纤上涂覆保护层并固化，形成带保护层的光纤；
所述收线机构用于收取带保护层的光纤；
储线与裸光纤线速度调节机构包括一根固定的定轴和一个可调整与定轴距离的动轴，所述定轴和动轴上设置有多个绕线定位轮，裸光纤交替绕在动轴和定轴上的绕线定位轮上。
2.根据权利要求1所述的连续制造光纤传感器的装置，其特征在于：所述光纤传感器加工机构包括激光器与光栅模板，在裸光纤的纤芯部分直接刻写光栅。
3.根据权利要求1所述的连续制造光纤传感器的装置，其特征在于：所述光纤传感器加工机构包括波长10微米的二氧化碳激光器或波长3微米的铒掺杂YAG激光器以及退火处理加热装置，在裸光纤的包层上直接刻写长周期光纤光栅，并退火处理。
4.根据权利要求1所述的连续制造光纤传感器的装置，其特征在于：所述光纤传感器加工机构包括机械研磨装置，用于除去光纤一部分的石英包层，制造利用衰逝波传感的D型光纤传感器。
5.根据权利要求1所述的连续制造光纤传感器的装置，其特征在于：所述光纤传感器加工机构包括化学刻蚀装置，用于除去光纤一部分的石英包层，制造利用衰逝波传感的细径光纤传感器。
6.一种采用权利要求1-5任一项装置的连续制造光纤传感器的方法，包括两种工作状态：
（1）光纤拉制状态：光纤拉丝机构连续拉制裸光纤，储线与裸光纤线速度调节机构、光纤传感器加工机构不工作，裸光纤经过储线与裸光纤线速度调节机构、光纤传感器加工机构，以线速度V进入光纤保护层涂覆及固化机构进行裸光纤的保护层涂覆并固化，形成带保护层光纤；收线机构以光纤拉丝机构拉制裸光纤速度相同的线速度收取带保护层的光纤；
（2）光纤传感器加工状态：光纤拉丝机构连续拉制裸光纤，储线与裸光纤线速度调节机构的动轴移动，拉大动轴和定轴之间的距离，加大储线与裸光纤线速度调节机构的储线量，使储线与裸光纤线速度调节机构出线端裸光纤线速度为0，即裸光纤静止；光纤传感器加工机构在静止的裸光纤上加工光纤传感器，光纤保护层涂覆及固化机构不工作；光纤传感器加工机构完成一个光纤传感器的加工后停止工作，收线机构以大于光纤拉丝机构拉制裸光纤速度的线速度收线，光纤保护层涂覆及固化机构工作；储线与裸光纤线速度调节机构的动轴移动，减小动轴和定轴之间的距离，减小储线与裸光纤线速度调节机构的储线量，直到动轴回到初始位置，收线机构恢复光纤拉丝机构拉制裸光纤速度相同的线速度收取带保护层的光纤，等待一下个光纤传感器的加工周期；
通过两种工作状态的转换，实现光纤传感器的连续制造。
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