CN106680929B - 一种自动化光纤载氢装置与载氢方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自动化光纤载氢装置，包括沿光纤运行方向设置的收放纤模块、载氢模块、旋转模块、进给模块、自动锁紧模块、进排气模块、以及控制模块，所述各个模块分别与控制模块电气连接。载氢模块包括绕纤棒、水浴加热箱、载氢罐，载氢罐设置在水浴加热箱内，自动锁紧模块与载氢罐的密封盖连接，进排气模块与载氢罐的进排气口连接，绕纤棒与旋转模块和进给模块连接，同时配合收放纤模块的收放光纤，使绕纤棒在绕光纤的同时伸入载氢罐或从载氢罐伸出。本发明自动化程度高，提高了光纤载氢的生产效率；可对数公里的光纤进行载氢；避免了氢气泄露事故，提高了光纤载氢的安全性；保证了光纤在绕纤棒上的均匀绕制，提高了光纤载氢的一致性。

Description

一种自动化光纤载氢装置与载氢方法

技术领域

本发明属于光纤的载氢处理技术领域，具体涉及一种自动化光纤载氢装置与载氢方法。

背景技术

在光纤光栅的制备过程中，当紫外激光刻蚀普通光纤时，光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化。如果不进行处理，直接用紫外光照射光纤，折射率增加仅为10^-4数量级便已经饱和。因此就需要提高光纤的光敏性，也即对光纤进行增敏处理。目前最常用的方法是载氢增敏法，即在一定温度和压强条件下，将光纤置于氢气环境中一段时间，可提高普通光纤的光敏性。

现有的光纤载氢装置与方法多采用手工方式，仅适用于几十米光纤的载氢处理。而对于空分、时分加波分的大规模光纤传感器阵列的使用，光纤的载氢处理是一个非常重要的环节，它需要一次性对数公里长的光纤进行均匀载氢，而手工方式无法精确缠绕并且无法对光纤进行均匀载氢处理；这样就会直接影响最终光纤光栅阵列的质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种自动化光纤载氢装置与载氢方法，采用自动化载氢方法获得的数公里长增敏光纤，避免了手工方式中因操作不当导致的载氢不均问题。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

一种自动化光纤载氢装置，包括沿光纤运行方向设置的收放纤模块、载氢模块、旋转模块、进给模块、自动锁紧模块、进排气模块、以及控制模块，所述收放纤模块、载氢模块、旋转模块、进给模块、自动锁紧模块、进排气模块分别与所述控制模块电气连接；

所述载氢模块包括绕纤棒、水浴加热箱、载氢罐，所述载氢罐设置在水浴加热箱内，所述自动锁紧模块与载氢罐的密封盖连接，所述进排气模块与载氢罐的进排气口连接，所述绕纤棒与所述旋转模块和进给模块连接，使绕纤棒做旋转和进给运动，同时配合收放纤模块的收放光纤，使绕纤棒在绕光纤的同时伸入载氢罐或从载氢罐伸出。

上述技术方案中，还包括清洗烘干模块，该清洗烘干模块与所述控制模块电气连接。

上述技术方案中，还包括工位变换模块，该工位变换模块与所述控制模块电气连接。

上述技术方案中，所述绕纤棒两端直径大于中间部分直径，两端分别安装有无油衬套。

上述技术方案中，所述进排气模块包括进气子模块、排气子模块、压力监测子模块、紧急排气子模块，所述载氢罐上设有进气口、排气口、紧急排气口，所述进气子模块、排气子模块、紧急排气子模块分别与所述进气口、排气口、紧急排气口连接。

上述技术方案中，所述收放纤模块包括防爆力矩电机、绕纤盘、编码器。

利用上述技术方案中的载氢装置，本发明提供一种自动化光纤载氢方法，具体按以下步骤对光纤进行载氢：

步骤1，将载氢罐安插入水浴加热箱对应的安装卡槽上，向水浴加热箱中注入纯净水；

步骤2，光纤从收放纤模块上的绕纤盘延导向轮安放，经过清洗烘干模块，将光纤线头固定在绕纤棒上，绕纤棒一端与旋转模块上的旋转驱动器和进给模块的单轴驱动器相连，另一端伸入载氢罐；

步骤3，启动清洗烘干模块、旋转模块、进给模块、收放纤模块，绕纤棒在绕纤的同时逐步插入载氢罐中，当光纤在绕纤棒上均匀铺满时，将光纤另一端线头固定在绕纤棒上，解除绕纤棒与旋转驱动器和单轴驱动器的连接，并将绕纤棒推入载氢罐中，选取另一根绕纤棒备用；

步骤4，启动工位变换模块，变换至下一工位，将旋转模块、进给模块、收放纤模块复位；

步骤5，重复步骤2至步骤4直到完成所有工位的载氢棒绕制工序；

步骤6，启动自动锁紧模块，关闭密封盖，将所有工位上的载氢罐锁紧密封；

步骤7，启动进排气模块，先将载氢罐中原有气体排出形成真空负压，接着通入氢气；

步骤8，启动水浴加热箱，对载氢罐进行水浴加热，完成光纤的载氢工序；

步骤9，载氢完成后，停止水浴加热箱的加热，排出载氢罐内氢气，排出水浴加热箱中的纯净水；

步骤10，停止自动锁紧模块的运行，解除所有工位上的载氢罐的锁紧密封，打开密封盖；

步骤11，将绕纤棒一端与旋转模块上的旋转驱动器和进给模块的单轴驱动器相连，并将绕纤棒的光纤线头固定在收放纤模块的绕盘上；

步骤12，启动旋转模块、进给模块、收放纤模块；旋转模块和进给模块使绕纤棒做反向旋转和反向进给运动，同时配合收放纤模块的收纤，使绕纤棒逐步伸出载氢罐，当绕纤棒完全伸出载氢罐时，将光纤另一端线头从绕纤棒上松开；解除绕纤棒与旋转驱动器和单轴驱动器的连接，卸下绕纤棒；

步骤13，启动工位变换模块，变换至下一工位；

步骤14，重复步骤11至步骤13直至完成所有工位上绕纤棒的收纤工序。

上述技术方案的所述步骤3、步骤12中，设旋转驱动器的转速为n、单轴驱动器的进给速度为v、裸光纤直径为d、光纤间隙为s，则以上参数满足下述方程：其中光纤间隙s＞0。

上述技术方案中的所述步骤3、步骤12中，所述收放纤模块中的防爆力矩电机放纤或收纤过程中保持恒定负载。

上述技术方案的所述步骤7中，启动进排气模块，进行两次进、排气氢气。

与现有技术相比，本发明提供的载氢装置与方法的有益效果是：

1、该自动化光纤载氢装置自动化程度高，提高了光纤载氢的生产效率；

2、该自动化光纤载氢装置可对数公里的光纤进行载氢，适用于空分、时分加波分的大规模光纤传感器阵列的使用；

3、该自动化光纤载氢装置避免了因人为失误导致的氢气泄露事故，大大提高了光纤载氢的安全性；

4、该自动化光纤载氢装置保证了光纤在载氢棒上的均匀绕制，提高了光纤载氢的一致性。

附图说明

图1为自动化光纤载氢装置的原理图；

图2为清洗烘干模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种自动化光纤载氢装置，包括沿光纤运行方向设置的收放纤模块101、载氢模块103、旋转模块104、进给模块105、自动锁紧模块107、进排气模块108、以及控制模块100，所述收放纤模块101、载氢模块103、旋转模块104、进给模块105、自动锁紧模块107、进排气模块108分别与所述控制模块100电气连接，实现对整套装置的自动化控制，所涉及的电气线路必须要符合防爆要求。

本实施例中的载氢模块103包括绕纤棒、水浴加热箱、载氢罐；其中，绕纤棒两端直径大于中间部分直径，两端分别安装有无油衬套，其中间段用于光纤的绕制，两端的无油衬套与载氢罐内壁配合以免光纤受到损伤；水浴加热箱包括加热器、水位计、进排水口、安装卡槽，其有多个工位，可同时完成多个载氢罐的水浴加热；载氢罐，可承受25Mpa的高压和80～150℃的高温，用作光纤载氢，罐体上有进气口、出气口、紧急排气口。

本实施例中的旋转模块104包括防爆旋转驱动器，用于驱动绕纤棒做绕轴线的转动；进给模块105包括防爆单轴驱动器，用于驱动绕纤棒延轴向运动；自动锁紧模块107包括气动密封阀，用于载氢罐的自动锁紧密封。

所述载氢罐设置在水浴加热箱内，所述自动锁紧模块107与载氢罐的密封盖连接，所述进排气模块108与载氢罐的进排气口连接，所述绕纤棒与所述旋转模块104和进给模块105连接，使绕纤棒做旋转和进给运动，同时配合收放纤模块的收放光纤，使绕纤棒在绕光纤的同时伸入载氢罐、或绕纤棒在放光纤时从载氢罐内伸出。

所述进排气模块108包括进气子模块、排气子模块、压力监测子模块、紧急排气子模块，所述载氢罐上设有进气口、排气口、紧急排气口，所述进气子模块、排气子模块、紧急排气子模块分别与所述进气口、排气口、紧急排气口连接。其中，进气子模块和排气子模块用于正常情况下载氢罐的进气和排气，压力监测子模块用于监测载氢罐内的气压；紧急排气子模块用于当气压超过安全阈值时，紧急排出载氢罐内气体。

载氢之前需要对光纤进行清洗和烘干，因此本实施例在收放纤模块和载氢模块之间还设置有清洗烘干模块102，该清洗烘干模块102与所述控制模块100电气连接，具体地清洗烘干模块102包括超声波清洗机112、烘干器110，超声波清洗机112内盛有清洗剂113，光纤109从收放纤模块101上的绕纤盘延导向轮111安放，在收放纤模块101的牵引下光纤109依次经过超声波清洗机112、烘干器110，最后进入载氢模块103进行载氢，参见图2。

本实施例具有多个工位时，还包括工位变换模块106，该工位变换模块包括长行程直线模组，与所述控制模块100电气连接。

本实施例中的收放纤模块101包括防爆力矩电机、绕纤盘、编码器，用于保持在一定张紧力下的放纤和收纤工作，张紧力大小为5～10N。其中，编码器用于监测收放纤的长度。

本实施例的一种自动化光纤载氢装置需安放在超净间中，超净间需配备氢气报警装置、水雾发生器和可调排气装置；当检测到环境中氢气的浓度超过阈值，氢气报警装置即刻报警，并立即启动水雾发生器和增大可调排气装置的功率。

应用上述实施例的载氢装置，本发明提供一种自动化光纤载氢的方法，具体按以下步骤对光纤进行载氢：

步骤1，将载氢罐安插入水浴加热箱对应的安装卡槽上，向水浴加热箱中注入纯净水，通常水浴加热箱内可设置多个卡槽，以便安多个装载氢罐，安装卡槽对载氢罐起支撑固定作用；

步骤2，光纤从收放纤模块上的绕纤盘延导向轮安放，经过清洗烘干模块，将光纤线头固定在绕纤棒上，绕纤棒一端通过联轴器与旋转模块上的旋转驱动器相连，另一端刚刚伸入载氢罐中并与载氢罐内壁配合，单轴驱动器带动绕纤棒和旋转驱动器一起做轴向运动；

步骤3，启动清洗烘干模块、旋转模块、进给模块、收放纤模块，旋转模块和进给模块分别使绕纤棒做旋转和进给运动，同时配合收放纤模块的放纤，绕纤棒在绕纤的同时逐步插入载氢罐中，在放纤的同时，超声波清洗机对光纤进行清洗，然后烘干，当光纤在绕纤棒上均匀铺满时，将光纤另一端线头固定在绕纤棒上，解除绕纤棒与旋转驱动器和单轴驱动器的连接并将绕纤棒推入载氢罐中，选取另一根绕纤棒备用；

步骤4，启动工位变换模块，变换至下一工位，将旋转模块、进给模块、收放纤模块复位；

步骤5，重复步骤2至步骤4直到完成所有工位的载氢棒绕制工序，在本实施例中假设有N个工位；

步骤6，启动自动锁紧模块，关闭密封盖，将所有N个工位上的载氢罐锁紧密封；

步骤7，启动进排气模块，先将载氢罐中原有气体排出形成真空负压；接着通入氢气，直到载氢罐内的压力达到约5～10BAR，再将载氢罐内氢气排出形成真空负压；最后再次通入氢气，达到所需的约120BAR的高压；两次进、排气的目的是提高载氢罐内氢气的浓度，氢气浓度可达到99％以上；本实施例中还可使用氮气作为增加气体，通过增压泵给氢气增压。

步骤8，启动水浴加热箱，往箱内注水，设置加热温度为80℃～90℃，对载氢罐水浴加热3～5天完成光纤的载氢工序。

步骤9，载氢完成后，停止水浴加热箱的加热，排出载氢罐内氢气，排出水浴加热箱中的纯净水；

步骤10，停止自动锁紧模块的运行，解除所有N个工位上的载氢罐的锁紧密封，打开密封盖；

步骤11，将绕纤棒一端与旋转模块上的旋转驱动器和进给模块的单轴驱动器相连，并将绕纤棒的光纤线头固定在收放纤模块的绕盘上；

步骤12，启动旋转模块、进给模块、收放纤模块，旋转模块和进给模块使绕纤棒做反向旋转和反向进给运动，同时配合收放纤模块的收纤，在对绕纤棒上的光纤进行收纤的同时，使绕纤棒逐步伸出载氢罐，当绕纤棒完全伸出载氢罐时，将光纤另一端线头从绕纤棒上松开；解除绕纤棒与旋转驱动器和单轴驱动器的连接，卸下绕纤棒；

步骤13，启动工位变换模块，变换至下一工位；

步骤14，重复步骤11至步骤13直至完成所有工位上绕纤棒的收纤工序。

本实施例的防爆旋转驱动器通过联轴器带动绕纤棒旋转，其转速可根据需要设置，防爆单轴驱动器带动绕纤棒和旋转驱动器一起做轴向运动。

本实施例绕纤棒的两端安装有无油衬套，其可直接与载氢罐内壁配合，用作绕纤棒支承，以免损伤中间段光纤。

本实施例所述步骤3、步骤12中，防爆旋转驱动器的转速、防爆单轴驱动器的进给速度在数值上相同，方向相反。

本实施例所述步骤3、步骤12中，设旋转驱动器的转速为n、单轴驱动器的进给速度为v、裸光纤直径为d、光纤间隙为s，则以上参数满足下述方程：可以使自动化绕纤均匀，其中光纤间隙s＞0，保证所绕光纤不会交叠在一起，

例如，设防爆旋转驱动器的转速n＝3000r/min、光纤间隙s＝10μm，使用的裸光纤直径d＝128μm，由公式(1)可得防爆单轴驱动器的进给速度对于长度L＝1.5m的载氢棒，整个绕纤过程所用时间

本实施例所述步骤3、步骤12中，旋转模块中的防爆旋转驱动器和收放纤模块中的防爆力矩电机正向旋转放纤或反向旋转收纤过程中防爆力矩电机能够保持负载恒定，以此保证放纤过程中光纤的张紧力的恒定5-10N。

应用上述实施例的载氢装置和载氢方法，对3个工位上的光纤进行载氢时，将进排气模块上的进气子模块、排气子模块和紧急排气子模块分别与载氢罐罐体上的进气口、排气口、紧急排气口相连接；启动进排气模块，先将载氢罐中原有气体排出形成真空负压；接着通入氢气，直到载氢罐内的压力达到约8BAR，再将载氢罐内气体排出形成真空负压；最后通入氢气，达到所需的约120BAR的高压。启动水浴加热箱，通过进排水口往箱内注入纯净水，通过水位计观察水位，确保达到预定水位，设置加热器的温度为80℃并设置定时4天，开始水浴加热载氢。其他步骤如前所述，这里不再赘述。

本发明的核心在于提供一种自动化光纤载氢装置与载氢方法，采用自动化载氢方法获得的数公里长增敏光纤，避免了手工方式中因操作不当导致的载氢不均问题。所用电气设备及线路都采用防爆标准，最大限度保证载氢过程的安全。此外，进排气模块设计有紧急排气子模块，在其他子模块都失效的情况下能够排出载氢罐内气体，确保安全。另外本发明的供电方案采用现有技术，不属于发明的创新内容。

以上所述为本发明的最佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍落入本发明的保护范围内。例如：使用不同芯径的光纤，设置不同的载氢温度、载氢压强、载氢时间，上述不同模块的组合方式等。

Claims (10)

1.一种自动化光纤载氢装置，其特征在于：包括沿光纤运行方向设置的收放纤模块、载氢模块、旋转模块、进给模块、自动锁紧模块、进排气模块、以及控制模块，所述收放纤模块、载氢模块、旋转模块、进给模块、自动锁紧模块、进排气模块分别与所述控制模块电气连接；

所述载氢模块包括绕纤棒、水浴加热箱、载氢罐，所述载氢罐设置在水浴加热箱内，所述自动锁紧模块与载氢罐的密封盖连接，所述进排气模块与载氢罐的进排气口连接，所述绕纤棒与所述旋转模块和进给模块连接，使绕纤棒做旋转和进给运动，同时配合收放纤模块的收放光纤，使绕纤棒在绕光纤的同时伸入载氢罐或从载氢罐伸出。

2.根据权利要求1所述的一种自动化光纤载氢装置，其特征在于：还包括清洗烘干模块，该清洗烘干模块与所述控制模块电气连接。

3.根据权利要求1所述的一种自动化光纤载氢装置，其特征在于：还包括工位变换模块，该工位变换模块与所述控制模块电气连接。

4.根据权利要求1所述的一种自动化光纤载氢装置，其特征在于：所述绕纤棒两端直径大于中间部分直径，两端分别安装有无油衬套。

5.根据权利要求1所述的一种自动化光纤载氢装置，其特征在于：所述进排气模块包括进气子模块、排气子模块、压力监测子模块、紧急排气子模块，所述载氢罐上设有进气口、排气口、紧急排气口，所述进气子模块、排气子模块、紧急排气子模块分别与所述进气口、排气口、紧急排气口连接。

6.根据权利要求1所述的一种自动化光纤载氢装置，其特征在于：所述收放纤模块包括防爆力矩电机、绕纤盘、编码器。

7.一种利用权利要求1-6任一权利要求所述的载氢装置对光纤进行自动化载氢的方法，其特征在于：按以下步骤对光纤进行载氢：

步骤1，将载氢罐安插入水浴加热箱对应的安装卡槽上，向水浴加热箱中注入纯净水；

步骤2，光纤从收放纤模块上的绕纤盘延导向轮安放，经过清洗烘干模块，将光纤线头固定在绕纤棒上，绕纤棒一端与旋转模块上的旋转驱动器和进给模块的单轴驱动器相连，另一端伸入载氢罐；

步骤3，启动清洗烘干模块、旋转模块、进给模块、收放纤模块，绕纤棒在绕纤的同时逐步插入载氢罐中，当光纤在绕纤棒上均匀铺满时，将光纤另一端线头固定在绕纤棒上，解除绕纤棒与旋转驱动器和单轴驱动器的连接，并将绕纤棒推入载氢罐中，选取另一根绕纤棒备用；

步骤4，启动工位变换模块，变换至下一工位，将旋转模块、进给模块、收放纤模块复位；

步骤5，重复步骤2至步骤4直到完成所有工位的载氢棒绕制工序；

步骤6，启动自动锁紧模块，关闭密封盖，将所有工位上的载氢罐锁紧密封；

步骤7，启动进排气模块，先将载氢罐中原有气体排出形成真空负压，接着通入氢气；

步骤8，启动水浴加热箱，对载氢罐进行水浴加热，完成光纤的载氢工序；

步骤9，载氢完成后，停止水浴加热箱的加热，排出载氢罐内氢气，排出水浴加热箱中的纯净水；

步骤10，停止自动锁紧模块的运行，解除所有工位上的载氢罐的锁紧密封，打开密封盖；

步骤11，将绕纤棒一端与旋转模块上的旋转驱动器和进给模块的单轴驱动器相连，并将绕纤棒的光纤线头固定在收放纤模块的绕盘上；

步骤12，启动旋转模块、进给模块、收放纤模块；旋转模块和进给模块使绕纤棒做反向旋转和反向进给运动，同时配合收放纤模块的收纤，使绕纤棒逐步伸出载氢罐，当绕纤棒完全伸出载氢罐时，将光纤另一端线头从绕纤棒上松开；解除绕纤棒与旋转驱动器和单轴驱动器的连接，卸下绕纤棒；

步骤13，启动工位变换模块，变换至下一工位；

步骤14，重复步骤11至步骤13直至完成所有工位上绕纤棒的收纤工序。

8.根据权利要求7所述一种自动化光纤载氢方法，其特征在于：所述步骤3、步骤12中，设旋转驱动器的转速为n、单轴驱动器的进给速度为v、裸光纤直径为d、光纤间隙为s，则以上参数满足下述方程：其中光纤间隙s＞0。

9.根据权利要求7所述一种自动化光纤载氢方法，其特征在于：所述步骤3、步骤12中，所述收放纤模块中的防爆力矩电机放纤或收纤过程中保持恒定负载。

10.根据权利要求7所述一种自动化光纤载氢方法，其特征在于：所述步骤7中，启动进排气模块，进行两次进、排气氢气。