CN107540205A - 光纤预制棒外包层的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤预制棒外包层的制造方法,包括:喷灯组同时沿芯棒轴向运动,进行松散体的沉积,并重复如下步骤直至最后一层沉积结束:喷灯组完成一层沉积后返回原位,扫描测量松散体各处的外径值,判断松散体外径波动是否大于预设上限:如果是,则调整最小外径所对应的喷灯,使下一次沉积中最小外径所对应喷灯的流量按预设比例增加;否则,在下一次沉积中保持各个喷灯的流量不变。本发明通过对每层松散体的外径波动进行监测,且在波动大于预设上限时,在下一层中增加相应的喷灯的流量,从而对最小外径处进行补偿,减少外径波动。
Description
技术领域
本发明涉及光纤预制棒制造领域,尤其涉及一种光纤预制棒外包层的制造方法。
背景技术
现有技术制造光纤预制棒采用全合成法,即VAD(Axial Vapor Deposition,气相轴向沉积)结合OVD(Outside Vapor Deposition,外部气相沉积)的“两步法”合成工艺。该合成工艺先采用VAD法沉积芯棒,再利用OVD法沉积外包层,松散体玻璃化后成为光纤预制棒。由于OVD沉积和玻璃化是制造光纤预制棒的最后关键工艺,因此预制棒的外径均匀性以及外径与芯径比(即“P率”)等参数都需要在OVD沉积和玻璃化过程中进行控制。
目前OVD工艺松散体沉积不控制外径波动,而是通过分段玻璃化工艺进行外径和P率调整。具体而言,松散体外径较大的位置,玻璃化下降速度稍慢,有意拉伸光纤预制棒,松散体外径较小的位置,玻璃化下降速度稍快,尽量避免光纤预制棒被拉伸,以此达到预制棒外径和P率均匀。但是目前这种工艺存在以下几点问题:
1、对于松散体外径波动较大的情况,很难通过玻璃化将其修正,预制棒的外径和P率会超标,C级纤比例增加,光纤不合格率增加;
2、该控制工艺属于被动控制,没有主动性,每台设备沉积的松散体波动性均不一致,而玻璃化炉与沉积机台不是一一对应(沉积机台数量大于玻璃化机台数量),为了修正外径,每根松散体玻璃化之前都要进行玻璃化工艺的调整,没有一个稳定的玻璃化工艺,导致作业效率下降,严重影响生产效率。
为了使松散体外径均匀,现有技术提出了一种沉积方式:在单喷灯OVD沉积机台安装n个距离传感器,完成一次沉积之后各个距离传感器测量对应位置芯棒表面沉积松散体的厚度Hn,然后计算出每一层的平均厚度H,并计算出各距离传感器所处位置的芯棒表面沉积厚度偏差△Hn=Hn-H,然后开始进行下一次沉积,距离传感器继续检测各位置芯棒表面沉积厚度偏差△Hn,当△Hn≤0时,喷灯对准芯棒的轴线,当△Hn≥0时,控制器控制喷灯偏转,如此往复,直至沉积结束。
上述沉积方式的问题在于:在松散体沉积过程中,喷灯偏转非常不利于沉积的稳定性,因为喷灯角度发生偏转会造成火焰温度的波动,沉积温度发生变化会导致松散体密度不均匀,容易导致松散体开裂。
发明内容
本发明针对上述问题,提出了一种光纤预制棒外包层的制造方法,该方法在保持外径偏差较小的情况下有利于沉积稳定。
本发明采取的技术方案如下:
一种光纤预制棒外包层的制造方法,包括:
沿芯棒轴向分布的喷灯组同时沿芯棒轴向运动,进行松散体的沉积,并重复如下步骤直至最后一层沉积结束:
喷灯组完成一层沉积后返回原位,扫描测量松散体各处的外径值,判断松散体外径波动是否大于预设上限:如果是,则调整最小外径所对应的喷灯,使下一次沉积中最小外径所对应喷灯的流量按预设比例增加;否则,在下一次沉积中保持各个喷灯的流量不变。
通过对每层松散体的外径波动进行监测,且在波动大于预设上限时,在下一层沉积中增加相应的喷灯的流量,从而对最小外径处进行补偿,减少外径波动,本方法与喷灯偏转角度的方法相比,提高了松散体外径的均匀性、沉积的稳定性,避免了因喷灯偏转导致的密度不均匀、松散体易开裂、沉积原料浪费和沉积效率下降等一系列问题。
可选的,使下一次沉积中最小外径所对应喷灯的流量按预设比例增加,具体为:按预设比例同比例增加含硅原材料、燃料气体和助燃气体的流量,并保持辅助气体流量不变;或者是,按预设比例同比例增加含硅原材料、燃料气体、助燃气体和辅助气体的流量。
实际运用时,为了减少控制动作,通常只需要同比例增加含硅原材料、燃料气体和助燃气体的流量即可,辅助气体的流量保持恒定。本申请所说的含硅原材料、燃料气体和助燃气体,是指在预制棒制造领域用来进行水解反应生成二氧化硅颗粒的相应材料,本申请对此不作特别限定,含硅原材料可以为四氯化硅、八甲基环四硅氧烷等气体,燃料气体可以为氢气等气体,助燃气体可以为氧气等气体。
可选的,每一次喷灯对应流体增加的流量,不超过上一次沉积时该流体流量的5%。
喷灯对应流体指的是需要调整流量的流体(当不需要调节辅助气体时,流体指的是含硅原材料、燃料气体和助燃气体)。通过限定每次增加的流量不超过上一次流量的5%,能够保证沉积工作稳定的进行,因为如果超过5%,调整过多,会导致松散体密度不均匀,松散体容易开裂。
可选的,相邻两个喷灯的沉积距离存在重叠,且最小外径处于两个喷灯重叠位置时,选择其中一个喷灯进行流量调整。
可选的,相邻两个喷灯的沉积距离存在重叠,且最小外径处于两个喷灯重叠位置时,选择对应的两个喷灯同时进行流量调整。
实际运用时,当同时调节两个喷灯时,相对于只调节一个喷灯而言,两个喷灯的调节量均为前者的一半。
可选的,喷灯通过MFC控制流量。MFC(mass flow controller)即质量流量控制器,预制棒松散体沉积过程中,喷灯各流体的流量由MFC控制。
本申请中,为了平缓的过渡,喷灯增加流量时并不是突然增加到预设值,而是平缓的进行过渡。可选的,喷灯对应流体的流量增加值y与所用时间x满足函数:
y=ax2+b;
其中,常数a和b根据代入流体的流量增加值,以及所需要的时间计算得到。
可选的,松散体外径波动的预设上限为25~35mm。
可选的,通过外径测量仪对松散体的各处进行外径扫描测量。
外径测量仪可以从松散体沉积的头部移动到松散体沉积的尾部,探测到的外径数据反馈在控制器上,并形成外径波动曲线图,计算外径波动值,当外径波动大于预设上限时,控制程序将反馈到最低点位置对应的喷灯,然后增加该喷灯对应流体的流量。
可选的,松散体沉积结束后,对松散体进行玻璃化,各松散体进行玻璃化时,按照统一速度下降。
因为沉积过程的可靠控制,松散体的外径均匀性好,使得在对松散体进行玻璃化时,能够工艺统一,按照同一稳定速度下降,这大大提高了作业效率,简化了流程。本方法有效的提高了预制棒的外径均匀性和P率稳定性。
本发明的有益效果是:通过对每层松散体的外径波动进行监测,且在波动大于预设上限时,在下一层沉积中增加相应的喷灯的流量,从而对最小外径处进行补偿,减少外径波动,本方法与喷灯偏转角度的方法相比,提高了松散体外径的均匀性、沉积的稳定性,避免了因喷灯偏转导致的密度不均匀、松散体易开裂、沉积原料浪费和沉积效率下降等一系列问题。
附图说明:
图1是用于实现本发明方法的设备简图;
图2是外径测量仪的工作原理图;
图3是松散体沉积工艺控制原理图。
图中各附图标记为:
1、芯棒;2、外径测量仪;3、松散体;4、喷灯;5、MFC;6、控制器。
具体实施方式:
下面结合各附图,对本发明做详细描述。
如图1所示,松散体3的制备在OVD沉积反应釜中进行,芯棒1安装在OVD沉积反应釜(图中未画出)中,OVD沉积反应釜还安装有用于测量松散体外径的外径测量仪2,芯棒1的下方设置有喷灯组,喷灯组包括多个喷灯4(图中仅画出有2个),每个喷灯的流量均由对应的MFC5控制,外径测量仪2和各MFC5均与控制器6信号连接,本实施例的控制器6为能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)。外径测量仪2可以从松散体3沉积的头部移动到松散体沉积的尾部,外径测量仪2将探测到的外径数据反馈到控制器上,控制器形成外径波动曲线图,计算外径波动值,并判断波动值与预设上限的大小,当外径波动大于预设上限30mm时(实际运用时可以根据需要确定,优选的,为了保证松散体外径可靠的控制,预设上限可以为25mm~35mm中的任一值),控制器控制外径最小的位置所对应的喷灯的MFC,在下一次沉积时,增加该喷灯的流量。
本实施公开了一种利用上述设备进行光纤预制棒外包层的制造方法,具体包括:
沿芯棒轴向分布的喷灯组同时沿芯棒轴向运动,进行松散体的沉积,并重复如下步骤直至最后一层沉积结束:
喷灯组完成一层沉积后返回原位,外径测量仪扫描测量松散体各处的外径值,判断松散体外径波动是否大于预设上限:如果是,则调整最小外径所对应的喷灯,使下一次沉积中最小外径所对应喷灯的流量按预设比例增加;否则,在下一次沉积中保持各个喷灯的流量不变。
通过对每层松散体的外径波动进行监测,且在波动大于预设上限时,在下一层沉积中增加相应的喷灯的流量,从而对最小外径处进行补偿,减少外径波动,本方法与喷灯偏转角度的方法相比,提高了松散体外径的均匀性、沉积的稳定性,避免了因喷灯偏转导致的密度不均匀、松散体易开裂、沉积原料浪费和沉积效率下降等一系列问题。
如图2所示,外径测量仪的工作原理为:松散体沉积时,喷灯是来回往返运动,反复沉积,沉积时速度慢,返回时速度快,每当喷灯从起始端移动到尾端时,表示一层松散体沉积结束,接着喷灯返回到起始端,此时外径测量仪工作,从起始端一直移动到尾端,扫描整根松散体外径波动情况,然后计算出外径波动值,PID控制外径最小位置喷灯的流量(通过控制器将信号反馈给MFC,由MFC控制喷灯流量),同时外径测量仪快速返回起始位置,根据PID计算后的流量进行下一层的沉积,如此重复,直至沉积结束。
于本实施例中,使下一次沉积中最小外径所对应喷灯的流量按预设比例增加,具体为:按预设比例同比例增加含硅原材料、燃料气体和助燃气体的流量,并保持辅助气体流量不变。实际运用时,也可以按预设比例同比例增加含硅原材料、燃料气体、助燃气体和辅助气体的流量。
本实施例调节喷灯流量时,只同比例增加含硅原材料、燃料气体和助燃气体的流量,并不改变辅助气体的流量。这样选择能够减少MFC的控制动作。
本申请所说的含硅原材料、燃料气体和助燃气体,是指在预制棒制造领域用来进行水解反应生成二氧化硅颗粒的相应材料,本申请对此不作特别限定。含硅原材料可以为四氯化硅、八甲基环四硅氧烷等气体,燃料气体可以为氢气等气体,助燃气体可以为氧气等气体。
于本实施例中,每一次喷灯对应流体增加的流量,不超过上一次沉积时该流体流量的5%。喷灯对应流体指的是需要调整流量的流体,本实施例中指的是含硅原材料、燃料气体和助燃气体。通过限定每次增加的流量不超过上一次流量的5%,能够保证沉积工作平稳的进行,因为如果调整幅度过大,会导致松散体密度不均匀,松散体容易开裂。
当相邻两个喷灯的沉积距离存在重叠,且最小外径处于两个喷灯重叠位置时,选择其中任意一个喷灯进行流量调整,或者选择对应的两个喷灯同时进行流量调整。当选择同时调节对应的两个喷灯流量时,相对于只调节一个喷灯而言,两个喷灯的调节量均为前者的一半。
为了平缓的过渡,喷灯增加流量时并不是骤然增加到预设值,而是平缓的进行过渡。于本实施例中,喷灯对应流体的流量增加值y与所用时间x满足函数:y大于零且y最大值不超过喷灯上一次流量的5%。
y=ax2+b;
其中,常数a和b根据代入流体的流量增加值,以及所需要的时间计算得到。
于本实施例中,松散体沉积结束后,对松散体进行玻璃化,各松散体进行玻璃化时,按照统一速度下降。因为沉积过程的可靠控制,松散体的外径均匀性好,使得在对松散体进行玻璃化时,能够工艺统一,按照稳定速度下降,这大大提高了作业效率,简化了流程。本方法有效的提高了预制棒的外径均匀性和P率稳定性。
为了进一步阐述本实施例的方法,如图3所示,松散体沉积工艺以及控制原理如下:首先,扫描第n层沉积松散体的外径波动,如果外径波动大于30mm,PID自动控制程序会反馈到外径最小值对应的喷灯——灯m,同时给灯m的MFC进行一个流量的预设增加值V’,这个预设增加值指的是根据逻辑运算计算得出的流量增加值的二次函数形式,比如通过计算发现需要增加流量100slm(预设增加值一般为MFC流量的5%以内,且由零增加到预设增加值是缓慢平稳过度,而不是骤然调整至目标值,如果调整幅度过大,会造成松散体由于密度不均而发生开裂,那通过逻辑运算计算出由0增加到100slm的函数形式为y=17x2+33,按照时间(秒)缓慢增加到100slm。然后控制器控制下一层(n+1)松散体沉积,灯m的流量按照Vn+1=Vn+V’进行沉积,外径测量仪继续工作,如果n+1层的松散体外径波动小于30mm,则按照上次的流量(Vn+2=Vn+1)继续进行第n+2层的松散体沉积,如此反复,直到松散体沉积过程结束。
以6个喷灯(6个喷灯构成喷灯组)为例,相邻两个喷灯间距为150mm,每个喷灯移动的距离为400mm,即第一个喷灯对应沉积区域0-400mm,第二个沉积喷灯对应沉积区域为150mm-550mm,第三个喷灯对应沉积区域为300-700mm,以此类推,第六个喷灯对应沉积区域为750mm-1150mm。
比如,沉积到第20层,发现300mm处外径最小且满足外径波动值大于30mm,300mm对应的喷灯有两个,分别是第一个喷灯和第二个喷灯,此时可以调节第一个喷灯或第二个喷灯在第21层沉积时对应流体(含硅原材料、燃料气体和助燃气体)的流量,除了调节单个喷灯,也可以同时调节第一个喷灯和第二个喷灯在第21层沉积时对应流体的流量,此时,相对于只调节一个喷灯而言,调节两个喷灯时,两个喷灯的调节量均为前者的一半。
关于外径波动反馈控制,在外径测量仪扫描到某处的外径较小时,会反馈到控制该处的沉积喷灯的流量发生调整,由于该喷灯沉积的范围是一段距离而不是一点,因此有可能会导致正常外径处变得偏大或偏小,这是有可能的,但是影响很小,因为外径波动反馈调整是时刻在进行的,因此一旦有需要调整的位置,都会做出相应的调整,而不是任其发展到不可控,因此本实施例的外径波动反馈控制是有效控制外径均匀性的方法。
以上所述仅为本发明的优选实施例,并非因此即限制本发明的专利保护范围,凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换,直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种光纤预制棒外包层的制造方法,其特征在于,包括:
沿芯棒轴向分布的喷灯组同时沿芯棒轴向运动,进行松散体的沉积,并重复如下步骤直至最后一层沉积结束:
喷灯组完成一层沉积后返回原位,扫描测量松散体各处的外径值,判断松散体外径波动是否大于预设上限:如果是,则调整最小外径所对应的喷灯,使下一次沉积中最小外径所对应喷灯的流量按预设比例增加;否则,在下一次沉积中保持各个喷灯的流量不变。
2.如权利要求1所述光纤预制棒外包层的制造方法,其特征在于,使下一次沉积中最小外径所对应喷灯的流量按预设比例增加,具体为:按预设比例同比例增加含硅原材料、燃料气体和助燃气体的流量,并保持辅助气体流量不变;或者是,按预设比例同比例增加含硅原材料、燃料气体、助燃气体和辅助气体的流量。
3.如权利要求2所述光纤预制棒外包层的制造方法,其特征在于,每一次喷灯对应流体增加的流量,不超过上一次沉积时流量的5%。
4.如权利要求1所述光纤预制棒外包层的制造方法,其特征在于,相邻两个喷灯的沉积距离存在重叠,且最小外径处于两个喷灯重叠位置时,选择其中一个喷灯进行流量调整。
5.如权利要求1所述光纤预制棒外包层的制造方法,其特征在于,相邻两个喷灯的沉积距离存在重叠,且最小外径处于两个喷灯重叠位置时,选择对应的两个喷灯同时进行流量调整。
6.如权利要求1所述光纤预制棒外包层的制造方法,其特征在于,喷灯通过质量流量控制器控制流量。
7.如权利要求6所述光纤预制棒外包层的制造方法,其特征在于,喷灯对应流体的流量增加值y与所用时间x满足函数:
y=ax2+b;
其中,常数a和b根据代入流体的流量增加值,以及所需要的时间计算得到。
8.如权利要求1所述光纤预制棒外包层的制造方法,其特征在于,松散体外径波动的预设上限为25~35mm。
9.如权利要求1所述光纤预制棒外包层的制造方法,其特征在于,通过外径测量仪对松散体的各处进行外径扫描测量。
10.如权利要求1所述光纤预制棒外包层的制造方法,其特征在于,松散体沉积结束后,对松散体进行玻璃化,各松散体进行玻璃化时,按照统一速度下降。
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