CN107479134B

CN107479134B - 利用振动电极的多电极系统

Info

Publication number: CN107479134B
Application number: CN201710560207.8A
Authority: CN
Inventors: R·G·威利; B·克拉克; J·C·迈茨勒; C·J·特劳特曼
Original assignee: 3SAE Technologies Inc
Current assignee: 3SAE Technologies Inc
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2022-11-15
Anticipated expiration: 2030-01-15
Also published as: CN102918438A; EP2524255A1; CA2786344C; EP2524255B1; DK2524255T3; JP5822846B2; EP2524255A4; WO2011087508A1; CN107479134A; MX2012008220A; JP2013517526A; CA2786344A1

Abstract

多电极系统，包括：光纤支撑架，该光纤支撑架支撑至少一根光导纤维，多个电极，该多个电极被排布以产生加热场来加热所述至少一根光导纤维，以及振动装置，该振动装置使来自所述多个电极的至少一个电极振动。所述电极可以被安排在至少局部真空中。所述系统可以被用于处理多个类型的光纤，该处理包括，如熔接、剥除、热处理、拉锥等。还提供相应的光纤处理方法。

Description

利用振动电极的多电极系统

本申请为2010年1月15日递交的发明名称为“利用振动电极的多电极系统”的中国专利申请201080061587.7的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请是2008年2月7日提交的名称为Multi-Electrode System，序列号为12/027,394的的美国非临时性专利申请的部分继续申请，其根据35U.S.C.§119(e)要求从共同待决、共同拥有的2007年10月2日提交的名称为Multi-Electrode System In A Vacuum的序列号为60/976,859的美国临时专利申请、2007年8月3日提交的名称为Three-phase Arcfor Fiber Splicing and Improved Fiber Stripping的序列号为60/953,803的美国临时专利申请和2007年2月7日提交的名称为Three-Phase Arc for Large Diameter FiberSplicing and Improved Fiber Stripping序列号为60/888,691的美国临时专利申请的优先权，以上每一个公开的申请整体以引用的方式结合于此。

技术领域

本发明的思想涉及光纤光学领域，且尤其涉及用于熔接和剥除光导纤维的系统和方法。

背景技术

光导纤维熔接器一般采用放电以基本加热光纤以使他们融合在一起。在工业中该放电被称为“电弧”。但是，根据一些资料，当前层的放电不是实际电弧，而是产生热等离子场的冠状放电。

最近，相同类型的电弧已经适用于从光纤剥除涂层并从机械地剥除的光纤清除剩余的碎片。在图1A中，电弧106在一对电极102、104的锐利的尖头之间形成以加热光纤110，众所周知，其中电极102、104被1mm到10mm的间隔隔开。如图1B所示，要求较大的电极间隔来产生电弧126以用于立即熔接多个光纤(例如，光纤带)，且用于较大直径光纤130。一些连接器的光学设计还可以要求电极间隔“间隙”更大以为了阻止电极122、124物理上堵塞光导纤维路径。

电极一般由钨制成。但是，在一些情况下，铈或钍与钨合成。这些元素降低了电极的热电子工作功能，这使电子更容易地离开电极的表面。这允许放电用较低的初始电压启动。可替代的，能够提供外部离子源以帮助启动电弧(例如，3SAE技术公司的离子增强冷等离子技术)。能够提供具有普通钢化电极且无外部电离的合适的电弧，但是电弧的可重复特性通常是低的。

应用到电极的电压可以是DC(直流)(一般结合较小的电极间隔)或交流(AC)(其允许电极头之间的较大间隔达到10mm或更大)。要求启动放电的电压由帕邢定律(Paschen’sLaw)确定，该定律涉及电极之间的间隙的击穿电压与间隙中的当前气体(例如，通常一般的空气)(复杂的和非直线的)功能、压力、湿度、电极形状、电极材料、和间隙距离的关系。应用帕邢定律到本系统而要求的许多参数是未知的，所以很少的连接器电弧的定量理论分析已经进行。通常，启动电压在实验上被确定在5kV到30kV的范围内。

一旦电弧被启动，放电中等离子的持续电离要求的电压比初始应用的电压低。作为电路元件的等离子阻抗(即，应用的电压与电流的比例)难以预知。连接器电弧疑似在一些频率和电流级别展现负阻抗。这些特征使连接器电弧的“恒定电压”操作很难实现。因此，大部分这种系统被控制用于提供恒定的平均电流。合理预测方式与观测的功率的关联传递了光纤的放电和综合温度。

为了给不同光纤类型提供正确加热，且为了补偿条件差异，提供改变传递给光纤的电弧功率的装置是有用的。这能够通过改变传递给持续电弧的电流(利用上文提到的控制电路)或通过启动和关闭的脉冲电弧来完成。

大部分普通光导纤维直径是80μm到125μm(不包括外部涂料)，如图1A中所示。然而，如高功率光纤激光器的一些应用要求光纤直径达到1mm或更多。大部分熔接器将不接受直径大于200μm的光纤。用于大直径光纤(LDF)的专业连接器依赖设计特征具有各种最大直径能力。

用于LDF的较大末端(>600μm)范围的成功连接器通常已经使用电阻丝加热或激光加热而不是电弧。对于这些大尺寸光纤，光纤材料的介质性质能够使电弧围绕光纤弯曲，而不是将光纤的整个圆周包裹在等离子场中，如图1B所示。这引起了光纤的不均匀加热，并导致坏的结合特性。

使用圆弧剥除光纤的设备还能够承受不均匀的加热效果。这些“电弧剥除器”通常放置在使光纤刚刚处于等离子场的外面(上面或下面)的位置，以使来自电弧的加热引起涂层的分解。这必然引起光纤的一边比另一边热。对于大多数涂层，这不是问题。然而，一些涂层具有相对狭窄的温度窗口以用于有效移除且能够受益于更均匀的加热分布。

发明内容

提供的使用多电极的系统和方法产生用于一根或多根光导纤维的热处理的电弧，包括但不局限于：熔接、退火、扩散、剥除、拉锥(tapering)和消融，或将它们组合。这种系统和方法也可以用于其他应用和环境，如用于制作光导纤维接头。这种多电极系统和方法可以使用多个电极的一个或多个的振动以扩大等离子场，同时持续保持执行以上功能的足够的功率。

根据本发明，多电极系统可以是三相系统，该系统被配置成在周围环境、或局部或完全真空中操作，具有多个电极的一个或多个的振动或隔离。这种系统和方法具有多个益处。例如，当在局部或完全真空中提供这种系统和方法时，由于对流的消除(或减少)提供了增强的等离子场的等温的稳定性。与常规系统和方法比较，在来自等离子体的热度上升的情况下(在大气压下)，生成向上的轻微波动，其可以破坏等离子体并改变等离子的热量平衡或轻微地改变部分被加热光纤的位置。

当在局部或完全真空中提供这种系统和方法时，由于对流的消除(或减小)还提供了增强的等离子场的等温范围。与常规系统和方法比较，在来自等离子体的热度上升的情况下(在大气压下)，生成向上的轻微波动，其可以破坏电极之间的离子路径。该破坏将在空气中动摇及熄灭(extinguish)等离子体，否则完全稳定在真空或局部真空中。因为空气是绝缘体，所以在真空或局部真空中电极之间的电介质被大幅减少。该电介质减少允许电弧被启动并维持在远低于在空气中能达到的功率级。

当在局部或完全真空中提供这种系统和方法时，这种系统和方法还提供减少的电极氧化。通过在等离子体产生期间降低当前氧气等级电极将以很慢的速度磨损。

当在局部或完全真空中提供这种系统和方法时，这种系统和方法提供了消除燃烧。如丙烯酸酯(大部分普通光纤涂料)的一些光纤涂料在空气中大气压下是易燃的，并且如果暴露于标准电弧其可能烧毁。当同样的过程在真空或局部真空中实施时，氧气的缺乏阻止了涂料的燃烧从而允许以加热的方法使涂料脱落(类似于“爆炸技术”的过程)。

根据本公开的一个方面，提供的是多电极系统，该系统包括：光纤支撑架，该光纤支撑架支撑至少一根光导纤维；多个电极，该多个电极被排布以产生加热场来加热所述至少一根光导纤维；以及振动装置，该振动装置使来自多个电极的至少一个电极振动。

所述至少一根光导纤维可以是具有至少约125微米直径的至少一根大直径光导纤维。

所述至少一根光导纤维可以是多根光导纤维。

所述振动装置可以将加热场的宽度扩大到高斯热剖面(Gaussian thermalprofile)的最大值的整个一半。

在一些情况下，多个电极的至少两个电极可以被振动。

在其它情况下，所有多个电极可以被振动。

所述系统可以进一步包括控制器，该控制器控制由振动装置引起的电极振动。

所述振动装置可以是或包括至少一个压电致动器。

振动装置的振动频率可以大于0Hz但不大于约10Hz。

所述多个电极可以是两个电极。

所述多个电极可以是三个电极。

所述多个电极可以是四个电极。

所述多个电极可以在相邻的电极之间产生等离子弧且加热场可以是加热的等离子场。

所述加热的等离子场可以是基本均匀加热的等离子场。

所述基本均匀加热的等离子场可以具有至少约65℃的温度。

所述基本均匀加热的场可以产生至少约1600℃的光纤表面温度。

所述基本均匀加热的场可以产生至少约3000℃的光纤表面温度。

所述基本均匀加热的场可以产生用于剥除光导纤维的约25℃到约900℃范围内的光纤表面温度。

该多个电极可以被安排在至少局部真空中。

该电极可以在被安排在22"到24"Hg表压真空，200到150托绝对真空。

该局部真空可以是富氧局部真空。

多个电极的至少两个之间的距离可以是可调节的。

根据本发明的另一方面，提供的是多电极系统，该系统包括：光纤支撑架，该光纤支撑架支撑至少一根光导纤维；多个电极，该多个电极被排布以产生基本均匀加热的等离子场来加热至少一根光导纤维；以及振动装置，该振动装置使来自多个电极的至少一个电极振动，其中该振动装置使基本均匀加热的等离子场的宽度扩大到高斯热剖面的最大值的整个一半。

根据本发明的另一个方面，提供的是一种产生用于处理至少一根光导纤维的加热场的方法。该方法包括：将至少一根光导纤维支撑在光纤支撑架；使用多个电极，产生加热场以加热至少一根光导纤维；以及振动来自多个电极的至少一个电极。

所述至少一根光导纤维可以是具有至少约125微米的直径的至少一根大直径光导纤维。

所述至少一根光导纤维可以是多根光导纤维。

振动所述至少一个电极可以将加热场的宽度扩大到高斯热剖面(Gaussianthermal profile)的最大值的整个一半。

所述加热场可以是基本均匀加热的等离子场。

所述方法可以包括将安排多个电极在至少局部真空中。

所述多个电极可以是两个电极。

所述多个电极可以是三个电极。

所述多个电极可以是四个电极。

在一些情况下，所述方法可以包括振动多个电极的至少两个电极。

在其他情况下，所述方法可以包括振动所有多个电极。

附图说明

附图通过示例的方式描述了优选实施例，但并不限于此。在附图中，同样的参考数字指的是相同或类似的元件。

图1A和图1B是用于熔接光导纤维的现有技术的双电极布置的图，图1中显示了具有小直径的光纤及图1B显示了具有大直径的光纤。

图2A是显示了根据本发明的几个方面的多电极布置的实施例的图。图2B是显示了可以与图2A的实施例一起使用的电极支架和光纤支架的框图。以及图2C是显示了具有振动电极的两个电极布置的实施例。

图3是显示了图2A和2B的实施例的三个电极的相对正弦相位的曲线图。

图4是显示了为了达到图3的结果应用到一组变压器初级侧的电流的优选波形的曲线图。

图5是用于驱动图2A和2B的三个电极布置的电流的实施例的示意图。

图6A是显示了根据本发明的几个方面的多电极布置的另一实施例的图。

图6B是显示了图6A的实施例的侧视图的图。

图6C是显示了图6A-B和2A-B中通过振动电极产生的等离子场的高斯热剖面的图形。

图7是用于驱动图6的三个电极布置的电路的实施例的示意图。

图8是描述能够由图7的微控制器单元实施的实时控制算法800的实施例的流程图。

图9A和9B是显示了根据本发明的几个方面的三个电极布置的另一实施例的图。

图10A和10B是显示了根据本发明的几个方面的三个电极布置的另一实施例的图。

图11A-H显示了根据本发明的几个方面的四个电极布置的多个实施例。

具体实施方式

应当理解，虽然术语第一、第二等能够在此用于描述多种元件，但是这些元件不应被这些术语限制。这些术语被用于一个元件与一个元件的区别，但不意味着元件必需的顺序。例如，第一元件可以被叫做第二元件，并且类似地，第二元件可以被叫做第一元件，而不背离本发明的范围。如于此使用的，术语“和/或”包括列出的一个或多个相关联的术语的任何及所有组合。

应当理解当元件被称为在另一元件“上”或“连接”或“耦合”到另一元件时，其可以直接在其它元件上或连接或耦合到其它元件或可以出现介于中间的元件。与此相反，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在介于中间的元件。用于描述元件间的关系的其它词语应该以同样的方式解释(例如，“之间”与“直接之间”，“邻近”与“直接邻近”等)。

于此使用的术语仅仅为了描述特定实施例的目的而不意图限制本发明。如于此使用的，除非上下文清楚指示，否则单数形式“一个”、“该”和“所述”还意图包括复数形式。还应当进一步理解，当在此使用术语“包含”和/或“包括”时，指定规定特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合的存在或添加。

根据本发明的几个方面，提供的是具有多电极布置的系统，被配置用于传递关于光导纤维的基本均匀分布的加热。如本领域的技术人员应当理解，于此描述的技术适用于提供用于熔接和/或剥除光导纤维的电弧。这种多电极系统在其它环境和应用中也是有用的，如热处理、扩散、拉锥和消融。这种系统和方法在其它应用和环境也是有用的，如用于制作光导纤维接头。通常，任何前述的或它们的组合可以被称作多电极系统、光纤制备系统或多电极光纤制备系统。

在说明的图2A的实施例中，多电极系统200包括三个电极202、204和206，该三个电极可以被安排在至少一个光纤210周围。这里该电极以“Y”形显示，具有显示的光纤210的横断面视图。也就是说，光纤210将向页面外部延伸，实质上垂直于多电极布置。尽管未示出，但至少一个光纤210由光纤支撑器(或支架)支撑以使光纤能够被安排在电极202、204和206之间。如果至少局部真空被使用，则光纤的末端部分可以通过适当的已知密封装置离开真空包围(如果需要)。这种光纤支撑架在本领域是已知的。

在一些实施例中，电极202、204和206还可以被安排在至少局部真空中，如通过虚线220显示的。在22"到24"Hg表压真空(例如，200到150托绝对真空)的局部真空中，已经达到与65℃一样凉的等离子温度。室温等离子体还可以处于较高真空级别。对于一些光纤涂料，该过程可以在富氧局部真空中利用冷等离子体(低于400℃)通过剥除光纤而被增强(例如，更好和更快的结果)。该方法将涂料从光纤上腐蚀掉，对抗热解移除，可以减少光纤并在剥除窗口的表面留下成炭(即碳)。

无论电极202、204和206是否被安排在至少局部真空中，通过放置三个尖的电极，来自等边三角形的顶点的输出围绕连接区，在该连接区内至少一个光纤可以被放置，这可以在光纤210的圆周周围提供非常均匀的分布的加热。通过用“三相”配置的高频(例如，30kHz)AC电压驱动三个电极202、204和206，产生三个单独的电弧，在图2A中称作电弧212、电弧214和电弧216。

在图2A的实施例中，光纤210完全地被等离子弧212、214和216环绕，提供具有非常均匀加热分布的加热的等离子场218。应该理解根据本发明的几个方面的系统和/或方法能够引起类似于由使用少于三个电极的系统和方法产生的光纤表面温度，但是这样做提高了一致性。例如，根据本发明的几个方面的系统可以引起等离子场，该等离子场足够产生大约25-900℃的范围的光纤表面温度以用于剥除且达到大约1600℃或更高的温度用于熔接。例如，已经达到超过3,000℃的温度。但是，如果通过光纤、光纤涂料、环境条件和/或其它相关参数的物理学来描述，可以产生达到其它光纤表面温度的等离子场。

电极202、204和206可以相当接近光纤210，这将直接将光纤暴露在等离子场218。可替代的，电极202、204和206可以进一步远离，由于等离子的辐射热这将加热光纤(这可以更适合于剥除/清除操作)。在多个实施例中，多电极系统可以具有多个设置，如，每个用于熔接和/或剥除大光纤和小/标准光纤的。在多个实施例中，多电极系统200可以被配置成用于在位置范围内调节电极202、204和206之间的距离。在多个实施例中，多电极设备能够根据光纤尺寸和预期的操作检测光纤尺寸和自我定位的电极202、204和206，例如，熔接、热处理、扩散、剥除、拉锥、消融或制作接头。例如，参见图2B。

对于剥除一些光纤涂料，如实例，将其直接暴露于电弧等离子体是有益的。等离子场内的电离氧原子使涂料氧化并将其烧蚀。电极间隔可以被配置成将涂料表面直接暴露与等离子体。否则，使用该效果的方法等价于用于通过热分解剥除的那些方法。

电极202、204和206可以被放置在显示的“一下，两上”的配置中，或根据光纤附近的其它物品(如连接器中的光导系统的透镜)的要求而反转。可替代的，根据各种应用，电极202、204和206可以被放置在水平面中，或不规则地被隔开或成角度的排布。

在该实施例中，电极202、204、206被环270支撑(或附着在环270上)，该环还可以被称为电极支架。环270耦合或附着到振动装置272，或由振动装置272支撑。该布置以使振动装置272引起环270的振动，环270的振动的循环引起电极202、204、206的相应的振动。在该实施例中，环270具有开口，该开口能够使光纤210容易地载入电极202、204、206之间。

振动的电极202、204、206可以具有一定的益处，尤其，扩大等离子场的宽度。到目前为止的试验已经显示出当电极振动时高斯热剖面沿着光纤210的轴生成。振动的各种方面更加详细的讨论参考图6A-C。

用于利用常规两个电极系统改善和控制电弧性能的已知的各种技术还可以应用或适用到实施例，包括脉宽调制、离子注入、反馈控制等。电极还可以安装防护物或聚焦套筒或意图改变电弧分布的其它技术。还可以使用已知的利用插入等离子场附近的电介质的电弧弯曲技术。

本发明的原则还可以延伸到四个或更多电极的系统。

图2B显示了与如上所述的图2A中的系统一起使用的电极支架和光纤支架的实施例。作为电极支架的环270可以用于维持电极202、204、206在关于轴的预期定位中，在该轴上至少一个光纤210可以被安排用于熔接、热处理、扩散、剥除、拉锥、消融或用于制作光导纤维接头。振动装置272(如图2A中所示)还可以用于有选择地振动环270，或电极致动器274可以被用于振动电极202、204、206的一个或多个电极。至少一根光导纤维210被光纤支架234支撑并维持在位置上。环270可以包括电极致动器274，该电极致动器274配置成调节电极202、204和206相对于至少一根光导纤维210的距离。电极致动器274还可以被配置成根据至少一根光导纤维的直径自动地调节电极到该至少一根光导纤维210的距离，例如，使用连接到控制器230的压电致动器。控制器230可以包括微处理器和存储预定义设置的存储器，该预定义设置用于电极配置和/或取决于光纤尺寸的与光纤的距离和/或将要进行的处理，例如，熔接、热处理、扩散、剥除、拉锥、消融或制作光导纤维接头。

图2C是显示了在至少局部真空中两个电极布置的实施例，如于此描述。也就是说，根据本发明的几个方面，这种电极布置还可以得益于这种真空中的操作。在至少局部真空中，两个电极还可以完成具有基本均匀加热分布的等离子场。另外，电极102、104的一个或多个可以耦合到振动装置103、105，例如，用于创建较宽的等离子场。振动装置103和105可以是以下形式装置：在控制器230同时控制下两个振动装置，或被分别控制的两个振动装置。

图3是显示了可以在电极202、204和206提供以用于生成如图2A所示的三相电弧的电压的示例的曲线图300。显示的示例具有20kV的峰峰电压的约22kHz的总频率。图形312用于电极202，图形314用于电极204，以及图形316用于电极206。

在该实例中，在电极204和206之间0μs时存在电弧，参见图形314和316。在大约6μs时，该电弧转移到电极202和206之间的空间，参见图形312和316。在13μs时，该电弧移动到电极312和214，参见图形312和314，等等。在任何给出的时间，电弧应该出现在两个电极之间，该两个电极之间具有最大的电势的差异。由于光纤和环境空气的热量时间常数实质上长于电弧的振荡周期，旋转相序发生得很快以致电弧不断地出现，并提供基本恒定的加热。

如在背景信息中注意到的，很难实际控制在电极处的电压。但是，控制到升压器的初级侧的电流的更多实践方法可以应用于解释实施例。图4显示了应用到变压器初级侧的电流的优选波形的曲线图400。该驱动电流的系统将产生输出电压波形，该波形大致与图3中示出的那些波形一致，产生可控制的三相电弧。

用于变压器的初级侧驱动电流要求配置在0度相位、120度相位和240度相位的三个波形。这些可以由众所周知的数字或如环形计数器的模拟装置产生。在曲线图400中，图形412用于电极202，图形414用于电极204，以及图形416用于电极206。

图5是配置成驱动图2A中的三个电极202、204和206布置的电路500的实施例的示意图。六个D类型触发器D1-D6被配置成实施循环移位寄存器。短启动脉冲502应用于初始化电路500。初始时，电极202为正而电极204为负，但是随后每个序列通过各种相态。如示例，在该实施例中总频率可以是132KHz的时钟频率的1/6。在其他实施例中，其可以不同，优选地维持基本一致或均匀加热的等离子场。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产生，或者从缠绕在单芯上的谐调LC(电感电容)配置产生。三个变压器522、524和526次级侧还可以以“三角”结构连接，其中该次级侧的线圈连接在相邻的电极对之间，而不是参考如图5中的接地。

在图5中，MOSFET 530、532、534、536、538和540驱动变压器522、524和526。根据本发明的各方面，多电极系统可以包括死区(dead-band)特性以用于在驱动变压器/MOSFET530、532、534、536、538和540中通过防止“正驱动”和“负驱动”装置之间传导的重叠来增加效率并减少损耗。该死区特性还可以提供用于调节电弧功率的装置(例如，通过改变死区的宽度)。通过允许现存电弧在相序中建立下一个电弧前暂时熄灭，该死区特性还可以使清洁器能够在电弧状态之间转换。

死区特性可以通过产生所控制的电流波形来实施，以包括循环周期的1％到49％的两个死区，其中基本没有电流流过变压器的初级侧。

三个电极系统的另一实施例可以产生与参考图2A的以上所述的三个电极的系统基本相同的特性，但是具有一个接地电极以及两个供电电极。

图6A显示了具有一个接地电极和两个供电电极的多电极系统600的例证性实施例，该系统压可以被安排在至少局部真空620中。在这种情况下，图6A的实施例可以具有与参考图2A的实施例的以上所述的益处一致。于此，电极602、604、606被用于产生电弧612、614、616，其轮流生成围绕安排在电极之间的至少一个光纤610的等离子场。

在参考图2A描述的三电极系统300中，电极202、204和206的每个由电压波形驱动，其中三个电压波形在相位中成120°分隔。这产生电弧212、214和216。在该实施例中，电极602和604同轴定向以与电极606形成“T”结构。如果电极以120°彼此分隔而被定向，则该执行与图2A的实施例基本相同。但是，对于该实施例，该配置更加紧凑，例如，更适合于整合入熔接器，而不牺牲性能。现在知晓公开的益处的本领域的技术人员将理解可以使用其他的电极定向。

在图6A呈现的实施例中，电极606是接地的。如果电极602和电极604每个由同样的波形驱动，在0°相位处，将不形成电弧612，因此在电极602和604之间将不存在电势差异。将形成两个相同电弧，即电弧614和616，并形成“V”形。

如果电极606保持接地，且电极602和606由相反极性(即180°相对相位)的电压波形驱动，则只形成电弧612。这是因为电极602和604之间的电势差异是电极602和604的任何一个与接地电极606之间的电势的两倍。

考虑到以上情况，在应用于电极602和604的电压波形之间的一些特定相位分离程度(在0°到180°之间)时似乎合乎逻辑(电极606接地)，这样所有三个电弧612、614、616将以基本相同的强度的形成。理论分析(基于矢量运算)提示这将发生在60°相对相位。在实施中，已经发现必须在大约40°和160°之间改变相位，这是基于各种实施因素，如驱动波形的频率和功率以及电极的间隔和环境。以基本相同强度形成的电弧612、614和616中，基本均匀加热的等离子场618在至少一根光导纤维610的周围产生。

在该实施例中，电极602、604、606被支撑在、耦合在或安装在环670，类似图2A的环270。环670被耦合或附着到振动装置672或由振动装置672(类似振动装置272)支撑。环可以由任何各种材料制成，该材料在预期加热范围维持结构的完整性，如陶瓷。

图6B是显示了图6A的多电极系统600的侧视图的图。在该实施例中，环670支撑在振动装置672上。振动装置被排布成使环670在范围或距离Δd内前后振动。电极602、604、606经受相应的振动，该振动扩大由电弧612、614、616引起的等离子场618。因此，可以调整等离子场的宽度。

振动装置可以是任何各种类型的振动装置，如例如压电致动器，该致动器响应于应用的AC电压经受膨胀和收缩形式的振动。在本实施例中，压电致动器可以由水晶、陶瓷或其它压电材料，或它们的组合制成。该压电可以建立在弯曲阶段中以提供精确的线性运动。

为了说明的目的，图6C显示了两个如高斯曲线等离子场的热剖面。这里，Y轴表示温度及X轴表示自电极的距离，且曲线的中心表示0距离。首先，狭窄的等离子场的热剖面由实线表示，并且当电极不振动时产生。其次，较宽的等离子的热剖面由虚线表示，并且当电极振动时产生。例如，参考图6A的实施例，沿着光纤610的轴的等离子场618的热剖面大大地宽于在电极602、604、606都不振动时的等离子场。振动的电极导致较宽的等离子场的热剖面；功率也优选地被添加以维持等离子场处于不振动的电极的实施例的最大值处。本发明不限于图6C中所示的剖面，由于这些可以通过功率、振动频率和振动范围的调整而改变。

图7是用于驱动图6的三个电极600布置的电路700的实施例的示意图。图7中的实施例在缓冲器、MOSFET和变压器方面类似于图5，但是与图5不同，图7中第三个电极接地且不包括缓冲器、MOSFET和变压器电路。

在图7的实施例中，打开和关闭驱动MOSFET 732、734、736和738的信号可以由可编程微控制器单元750产生，并且经由缓冲器710、712、714和716提供。如实例，MOSFET驱动器732、734、736和738可以是MC34151(或类似的)MOSFET且微控制器750可以是由微芯片公司(Microchip,Inc.)制造的PAL18F2520。该实施例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整。该实时调整可以以维持电弧612、614和616在强度上基本一致为目标或为了各种目的而故意改变它们的相对强度来进行。

为了微控制器750能够检测电弧强度。小值电阻R1(例如100欧姆(Ohm)电阻)可以与串联连接返回地面的每个驱动信号。电阻R1两端的压降正比于由电极602提供的电弧电流。为每个电极提供检测电阻R1。例如，来自电极602的20mA电流将在100Ohm检测电阻R1的两端产生2V的信号。

检测电阻信号是高频交流电压的形式。可以对信号整流和滤波以产生DC电压，直流电压更适合于通过微控制器单元750的测量。

显示的简单整流/滤波网络包括二极管D、两个电阻R2和R3、以及电容器C，该网络提供给三个电极的每个电极。该网络产生电压，该电压正比于检测电阻电压的绝对值的算术均值(即平均值)。如果要求更大的精确度，众所周知的装置可以被用于产生正比于检测电阻电压的算术均值(例如，均方根或RMS)的电压。该RMS值是传递至电弧的功率的更好的测量，在一些应用中该RMS值是重要的。

对于实施例的另外的改善可以将使电源为可调节的，如图7中所示为“12V”。本领域熟知的可调节的“降压调节器”电路可以调节电压从12V降到很低的电压(例如，1V)或任何期望的中间电压。当需要很低功率的电弧时这可能是有用的，因为已经发现MOSFET(获得低功率操作的现有方法)的很低的脉宽可以导致不稳定电弧操作。可替代的，较低输入电压和/或较低变压器的升压比可以结合增压类型的调节器使用以提供等效的电压范围。

图8是描述能够由图7的微控制器单元750实施的实时控制运算800的实施例的流程图。该控制运算800执行检测的电极602、604和606的每个电极的电流(在图7和8中表示为电流I₁、I₂和I₃)的评估。在该方法中电极602、604和606的脉宽基于检测电流I₁、I₂和I₃是否基本等于电流I_set而调节，电流I_set表示微控制器单元设置的起始电流。

特别的，在步骤802中，起始电流设置加入了电极602/604和606，包括起始电流I_set。在步骤804中，确定是否I₁＝I₂。如果答案为“是”，则方法继续到步骤810。如果在步骤804中，I₁<I₂则进程继续到步骤806，在步骤806用于电极602的脉宽被增加。如果在步骤804中，I₁>I₂则进程继续到步骤808，在步骤808用于电极604的脉宽被增加。如步骤804一样，在步骤806、808后，进程继续810。

在步骤810中，确定是否I₃＝I₁,I₂。如果答案为“是”，则进程继续到步骤816。如果在步骤810中，I₃>I₁,I₂，则进程继续到步骤812，在步骤812相差增加。如果在步骤810中，I₃<I₁,I₂，则进程继续到步骤812，在步骤812相差减小。如步骤810一样，在步骤812、814后，进程继续到步骤816，在步骤816确定是否I₁、I₂、I₃＝I_set。如果答案为“是”，则进程继续到步骤804且被重复。如果在步骤816中，I₁、I₂、I₃>I_set则在步骤818中用于电极602和604的脉宽被减小。如果在步骤816中，I₁、I₂、I₃<I_set则在步骤820用于电极602和604的脉宽被增大。在每种情况中，然后进程继续到步骤804且被重复。

显然，存在电极其他可能的布置且其在本发明的思想和范围内。在改变光纤的加热模式或可替代布置促进关于大型系统中的其他设备的电极的定位的环境中，这些可替代的排布可以是更合适的。

图9A(仰视图)和9B(侧视图)是显示了根据本发明的几个方面电极布置的另一实施例的图。在这些附图中，显示了三个电极光纤系统900，该系统900包括位于水平面中的电极902、904和906，以使电弧912、914和916在相同的平面产生。光纤910安排在该平面的上方，以使其基本被来自电弧区域的热量的向上的对流加热。在该实施例中平面间的距离范围将是1mm-10mm。电极可以被配置成“Y”结构、“T”结构或者如应用所需或可能方便的其它结构。例如，四个电极可以放置成矩形电弧排列，或五个电极可以被排布成五角形。电极902、904、906的一个或多个电极可以被耦合到振动装置903、905、907(如上文所述)。

图10A(仰视图)和10B(侧视图)是显示了根据本发明的几个方面的三个电极布置的另一实施例。在这些附图中，显示了三个电极光纤系统1000，其包括产生电弧1012、1014和1016的电极1002、1004和1006。光纤1010可以如电极1002、1004和1006被安排在同一平面(例如，垂直平面)。在该布置中，光纤1010与电弧1012、1014和1016的至少两个电弧交叉。在这种方式中，光纤将沿着它的长度的较大部分被加热，即使周围的加热分布与其它实施例中不同。电极902、904、906的一个或多个电极可以被耦合到振动装置903、905、907(如上文所述)。

图11A-H显示了根据本发明的几个方面使用四个电极布置的多电极系统1110的多个实施例。在每个实施例中，显示的电极1102、1104、1106和1108，并产生电弧1112、1114、1116和1118。电弧创建等离子场1119，该等离子场1119加热至少一个光纤1110。电极可以被安排在至少局部真空1120中(如上所述)，但还可以使用不具有至少局部真空1120的实施例。电极1102、1104、1106和1108中的一个或多个电极可以选择性地被安装到振动装置1172(如上所述)。其它实施例可以去掉振动装置和至少局部真空的一者或两者。

在图11A中光纤1110对于电极被正交定向且在图11B中光纤1110平行于电极的方式被定向。在图11C中，电极以交叉(“X”)布置的方式被定向。在图11D中，电极对于光纤1110被以对角线形式排布。在图11E中电极对在不同的平面被定向且光纤在第三平面定向，该第三平面穿过电极被定向的平面之间。在图11A-D的实施例中，电极可以都在相同的平面中。在图11A-C的实施例中，光纤可以像电极或接近平面的电极一样在相同的平面。

在图11A-11E中显示的任何实施例中，如果光纤1110被安排成好像由页面延伸出，例如，基本垂直于页面和场1119。如实例，图11F显示了图11C的实施例，其中光纤1110延伸出页面。图11G显示了图11A或11B的实施例，其中光纤1110延伸出页面。以及图11H显示了电极1102和1104成直线且电极1106和1108成一角度，以及光纤1110延伸出页面的情况的实施例。图11H的实施例还可以与穿过电弧1112和1116、1114和1118的光纤1110一起使用，或用于一些其它布置。

这仅仅是可以替代电极和光纤的布置的示例。由于其维护多个所控制的电弧放电的唯一能力，本发明提供广泛的各种布置。在三个电极实施例的任何一个中，图5或7的电路可以用于驱动这样的电极。

尽管上文已经描述什么是考虑的最佳模式和/或其它优选实施例，但应该理解于此可以进行各种修改并且发明可以在各种形式和实施例中实施，以及他们可以应用在许多应用中(仅仅其中的一些在此已经被描述)。通过所附权利要求意图要求那些逐字描述的及另外所有等价物，包括落在每个权利要求范围内的所有修改和变化。

实施例

1、一种多电极系统，该系统包括：光纤支撑架，该光纤支撑架支撑至少一根光导纤维；多个电极，该多个电极被排布以产生加热场来加热所述至少一根光导纤维；以及振动装置，该振动装置使来自所述多个电极的至少一个电极振动。

2、根据实施例1所述的系统，其中所述至少一根光导纤维是具有至少约125微米的直径的至少一根大直径光导纤维。

3、根据实施例1所述的系统，其中所述至少一根光导纤维是多根光导纤维。

4、根据实施例1所述的系统，其中所述振动装置将所述加热场的宽度扩大到高斯热剖面的最大值的整个一半。

5、根据实施例1所述的系统，其中所述多个电极的至少两个电极振动。

6、根据实施例1所述的系统，其中所述多个电极的全部电极振动。

7、根据实施例1所述的系统，其中所述振动装置是至少一个压电致动器。

8、根据实施例1所述的系统，其中所述振动装置的振动频率大于0Hz但不大于约10Hz。

9、根据实施例1所述的系统，其中所述多个电极是两个电极。

10、根据实施例1所述的系统，其中所述多个电极是三个电极。

11、根据实施例1所述的系统，其中所述多个电极是四个电极。

12、根据实施例1所述的系统，其中所述多个电极在邻近的电极之间产生等离子电弧且所述加热场是加热的等离子场。

13、根据实施例12所述的系统，其中所述加热的等离子场是基本均匀加热的等离子场。

14、根据实施例1所述的系统，其中所述多个电极被安排在至少局部真空中。

15、根据实施例14所述的系统，其中所述电极被安排在22"到24"Hg表压真空，200到150托绝对真空。

16、根据实施例14所述的系统，其中所述局部真空是富氧局部真空。

17、根据实施例1所述的系统，其中多个电极的至少两个电极之间的距离是可调节的。

18、一种多电极系统，该系统包括：光纤支撑架，该光纤支撑架支撑至少一根光导纤维；多个电极，该多个电极被排布以产生基本均匀加热的等离子场来加热所述至少一根光导纤维；以及振动装置，该振动装置使来自所述多个电极的至少一个电极振动，其中所述振动装置使所述基本均匀加热的等离子场的宽度扩大到高斯热剖面的最大值的整个一半。

19、一种产生用于处理至少一根光导纤维的加热场的方法，该方法包括：

将所述至少一根光导纤维支撑在光纤支撑架中；

使用多个电极，产生所述加热场以加热所述至少一根光导纤维；以及

振动来自所述多个电极的至少一个电极。

20、根据实施例19所述的方法，其中所述至少一根光导纤维是具有至少约125微米的直径的至少一根大直径光导纤维。

21、根据实施例19所述的方法，其中所述至少一根光导纤维是多根光导纤维。

22、根据实施例19所述的方法，其中振动所述至少一个电极将所述加热场的宽度扩大到高斯热剖面的最大值的整个一半。

23、根据实施例19所述的方法，其中所述加热场是基本均匀加热的等离子场。

24、根据实施例19所述的方法，该方法包括安排所述多个电极在至少局部真空中。

25、根据实施例19所述的方法，其中所述多个电极是两个电极。

26、根据实施例19所述的方法，其中所述多个电极是三个电极。

27、根据实施例19所述的方法，其中所述多个电极是四个电极。

28、根据实施例19所述的方法，该方法包括振动所述多个电极的至少两个电极。

29、根据实施例19所述的方法，该方法包括振动所有所述多个电极。

30、根据实施例19所述的方法，其中所述振动装置是至少一个压电致动器。

Claims

1.一种多电极系统，该系统包括：

真空室，被配置成保持提供小于大气压力的压力的至少部分真空；

光纤支撑架，被配置成在所述真空室中支撑至少一根光导纤维；

多个电极，设置在所述真空室中，并附接到围绕所述至少一根光导纤维布置所述多个电极的电极支架；

控制电路，电耦合至所述多个电极，并被配置成以旋转相序驱动所述多个电极，以产生通过启动和关闭脉冲以形成基本均匀的加热场的至少一个电弧，从而提供围绕所述至少一根光导纤维的圆周的均匀分布的加热；

其中，由于所述至少一根光导纤维和环境空气的热量时间常数长于所述至少一个电弧的振荡周期，所述旋转相序发生得很快以向所述至少一根光导纤维提供基本恒定的加热；以及

振动装置，被配置成沿着所述纤维的轴在一范围或者距离Δd内前后振动所述电极支架以使所述多个电极沿着所述纤维的所述轴扩大围绕所述纤维的圆周的所述基本均匀的加热场。

2.根据权利要求1所述的系统，其中当所述多个电极不振动时，所述基本均匀的加热场具有第一宽度，并且当所述多个电极振动时，所述基本均匀的加热场具有比所述第一宽度更宽的宽度。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述电极支架是环。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述振动装置包括至少一个压电致动器，该压电致动器响应于应用的AC电压经受膨胀和收缩形式的振动。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述至少一个压电致动器被建立在弯曲阶段以提供精确的线性运动。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个电极中的一个电极接地，并且所述多个电极中的至少另一个电极被交流电压和/或交流电流驱动。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个电极是2个电极。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个电极是3个电极。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个电极是4个电极。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一根光导纤维的直径在约80μm至约125μm的范围内。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一根光导纤维的直径至少约125μm。

12.根据权利要求1所述的系统，其中所述加热场是由所述多个电极所产生的加热的等离子场。

13.根据权利要求1所述的系统，还包括：

一个或多个电极致动器，被配置成根据所述至少一根光导纤维的直径来自动调节所述电极中的一个或多个至所述至少一根光导纤维的距离。

14.一种多电极系统，该系统包括：

振动装置；以及

控制电路，被电配置成：

驱动所述多个电极以产生至少一个电弧，以形成基本均匀的加热场，从而提供围绕所述至少一根光导纤维的圆周的均匀分布的加热；以及

驱动所述振动装置沿着所述纤维的轴在一范围或者距离Δd内前后振动所述电极支架，以促使所述多个电极沿着所述纤维的所述轴扩大围绕所述纤维的圆周的所述基本均匀的加热场，

其中，所述至少一根光导纤维和环境空气的热量时间常数长于由所述多个电极所产生的所述至少一个电弧的振荡周期。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述多个电极是2个电极。

16.根据权利要求14所述的系统，其中所述多个电极是3个电极。

17.根据权利要求14所述的系统，其中所述至少一个纤维的直径至少约125μm。

18.一种产生用于处理至少一根光导纤维的加热的等离子场的方法，该方法包括：

在真空室中保持至少具有压力小于大气压力的部分真空；

用光纤支撑架将所述至少一根光导纤维支撑在所述真空室中；

在所述真空室中围绕所述至少一根光导纤维布置多个电极，其中所述多个电极被附接到电极支架；

以旋转相序驱动所述多个电极，以产生通过启动和关闭脉冲以形成基本均匀的加热场的至少一个电弧，从而提供围绕所述至少一根光导纤维的圆周的均匀分布的加热，

利用振动装置沿着所述纤维的轴在一范围或者距离Δd内前后振动所述电极支架以使所述多个电极沿着所述纤维的所述轴扩大围绕所述纤维的圆周的所述基本均匀的加热场。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述至少一根光导纤维是具有直径为不小于约125微米的至少一根大直径光导纤维。

20.根据权利要求18所述的方法，其中所述至少一根光导纤维是多根光导纤维。

21.根据权利要求18所述的方法，其中振动所述至少一个电极，以使得所述加热的等离子场的热分布按照高斯曲线而变宽。

22.根据权利要求18所述的方法，其中所述加热场是基本均匀的加热的等离子场。

23.根据权利要求18所述的方法，其中所述多个电极是2个电极。

24.根据权利要求18所述的方法，其中所述多个电极是3个电极。

25.根据权利要求18所述的方法，其中所述多个电极是4个电极。

26.根据权利要求18所述的方法，所述电极支架是环。

27.根据权利要求18所述的方法，其中所述振动装置包括至少一个压电致动器，该压电致动器响应于应用的AC电压经受膨胀和收缩形式的振动。

28.根据权利要求27所述的方法，其中所述至少一个压电致动器被建立在弯曲阶段以提供精确的线性运动。