CN108929031A - 一种vad制备光纤预制棒母材的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种VAD制备光纤预制棒母材的装置及方法，包括用于沉积的反应腔体和伸入反应腔体内腔的旋转升降吊杆，在沉积腔体内腔下方对应待沉积玻璃靶棒下方间隔设置芯层喷灯和包层喷灯，芯层喷灯和包层喷灯分别与芯层原料控制系统和包层原料控制系统相连，沉积腔体外部相对两侧对应芯层沉积下端面分别设有激光发射端与激光接收端，构成芯层激光探测系统，其特征在于所述的芯层原料控制系统与芯层激光探测体统与PLC相连，构成芯层喷灯原料流量与激光探测接收值之间的PID闭环调节系统，形成实时反馈调控。本发明结构简单，控制逻辑清晰，反馈直接、迅速，沉积性能稳定可靠，能使粉棒剖面稳定，芯径和外径均匀，从而提高生产稳定性与产品质量。

Description

一种VAD制备光纤预制棒母材的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种VAD（轴向外部气相沉积法）制备光纤预制棒母材的装置及方法，属于光纤制造技术领域。
背景技术
在制造光纤预制棒母材的工艺中，VAD（Vapour Axial Deposition）工艺由于沉积速率高、对原料纯度要求相对较低、适合规模化生产等诸多因素而被认为是降低光纤预制棒母材生产成本的主要技术手段。但是VAD工艺技术本身较为复杂，其生产的粉棒中心部分即是作为激光传输的最关键的中心部分，因为芯子的剖面形状，芯子大小，以及芯子在轴向的均匀性等，都直接决定了光纤的传输性能。
制作一根光纤预制棒母材其沉积时间一般需要数十个小时，较长的时间对于沉积稳定性以及粉棒的均匀性是一个很大的考验，若生产过程不稳定，芯子的剖面形状，芯子大小，以及芯子在轴向的均匀性就会很差，产品质量难以稳定。生产速度的波动也会使得粉棒外径产生波动，后续拉伸就会存在大幅变径，进一步影响了光纤芯棒的均匀性。为了使得整个产品生产过程中生长状态稳定，需要探索更合适的生长控制方式。
中国专利CN104355532A利用激光测量粉棒芯层沉积最下端直径，芯层直径，包层沉积端面直径和外包层远端直径四个值，通过控制参数调节原料流量和升降卡盘速度来控制沉积粉棒的参数合格，其中，其靶棒提升判断是由粉棒最下端直径与预设形状对比而决定，实际生产过程中芯层最下端实际测量高度误差较大，造成提拉并不可靠，而且此控制方式其测量值较多，逻辑判断复杂易产生逻辑混乱和交叉，从而造成生长不稳定，粉棒烧结后制成的芯棒剖面会存在较大起伏变化。
美国专利US6834516则通过使用高温计测量预制棒粉棒末端的温度进行控制，但是温度测量与实际值存在偏差且较容易受到腔体内气流影响，从而使得测量数值在精度方面存在问题，最终也就会导致产品在整个生产过程中不稳定，增加了产品的不合格率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足提供一种VAD制备光纤预制棒母材的装置及方法，它不仅便于控制，反馈直接、迅速，而且沉积性能稳定可靠，轴向均匀性好，从而提高生产稳定性与产品质量。
本发明为解决上述所提出的问题所采用的装置技术方案为：包括用于沉积的反应腔体和伸入反应腔体内腔的旋转升降吊杆，旋转升降吊杆上端与垂直升降机构和旋转卡盘相连接，旋转升降吊杆下端用于夹持待沉积的玻璃靶棒，在沉积腔体内腔下方对应待沉积玻璃靶棒下方间隔设置芯层喷灯和包层喷灯，芯层喷灯和包层喷灯分别与芯层原料控制系统和包层原料控制系统相连，沉积腔体外部相对两侧对应芯层沉积下端面分别设有激光发射端与激光接收端，构成芯层激光探测系统，其特征在于所述的芯层原料控制系统与芯层激光探测体统与PLC相连，构成芯层喷灯原料流量与激光探测接收值之间的PID闭环调节系统，形成实时反馈调控。
按上述方案，在玻璃靶棒从初始阶段进入沉积的稳定阶段后旋转升降吊杆以一个恒定的速度往上提拉，提升速度为1.0~3.0mm/min。
按上述方案，沉积过程中激光发射值控制在激光发射总值的10%~90%。
按上述方案，所述的激光发射端与激光接收端的连线与水平面平行，并位于玻璃靶棒下方。
本发明制备光纤预制棒母材的方法技术方案为：
开启激光探测控制单元进行初始化设置，校准激光度数，此时激光发射范围内无任何遮挡；
激光校准完毕后打开沉积腔体，将玻璃靶棒固定在旋转升降吊杆下端的夹持部位，开启旋转升降吊杆控制单元，吊杆移动至初始位置；
点燃芯层喷灯和包层喷灯，关闭腔门，旋转升降吊杆带动靶棒以一定初始速度开始旋转，此时吊杆向上提升速度为零；
先后开启芯层原料控制系统和包层原料控制系统，芯层原料控制系统和包层原料控制系统按照各自流量计设定值供应芯层喷灯和包层喷灯，经过水解反应后的水解产物开始沉积在玻璃靶棒预设位置处，在沉积初始阶段，旋转升降吊杆从起始位置处以一个低于稳定段的初始提拉速度往上提拉，直至达到预设速度，即稳定段的恒定速度；旋转升降吊杆以一个恒定的速度往上提拉；
随着沉积进行，靶棒下端轴向上逐渐变长，慢慢开始遮挡一部分探测激光，当激光接收端探测到预先设定值时，吊杆进入稳定提拉段，粉棒的生长开始进入稳定生长段，此时芯层喷灯原料流量与探测激光接收值之间的PID闭环调节系统反馈开启，进行实时调控：当激光接收数值小于预设值时，芯层原料流量减小，当激光接收数值大于预设值时，芯层原料流量增加，芯层喷灯原料流量与探测激光接收值之间构成PID闭环调节，形成反馈实时调控；
当旋转升降吊杆运行到预设位置时，各系统关闭，沉积结束。
按上述方案，所述的旋转升降就吊杆恒定提升速度为1.0~3.0mm/min.。
按上述方案，包层喷灯原料流量在稳定提升段保持恒定。
本发明的有益效果在于：1、本发明采用玻璃靶棒恒定提速的方式对玻璃靶棒进行沉积，芯层喷灯原料流量与探测激光接收值之间构成PID闭环调节，形成反馈实时调控，芯层的轴向均匀性好，产品沉积过程中生长状态稳定，提高了光纤预制棒母材的质量；2、本发明结构简单，控制逻辑清晰，反馈直接、迅速，沉积性能稳定可靠，能使粉棒剖面稳定，芯径和外径均匀，从而提高生产稳定性与产品质量。
附图说明
图1 为本发明装置一个实施例的结构图。
图2 为本发明一个实施例反馈控制图。
图3 为本发明一个实施例中生产方法工艺框图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步具体说明。
包括用于沉积的反应腔体1和伸入反应腔体内腔的旋转升降吊杆2，旋转升降吊杆上端与垂直升降机构和旋转卡盘相连接，旋转升降吊杆下端用于夹持待沉积的玻璃靶棒3，在沉积腔体内腔下方对应待沉积玻璃靶棒下方间隔设置芯层喷灯和包层喷灯，芯层喷灯5和包层喷灯6分别与芯层原料控制系统和包层原料控制系统相连，靶棒下是由芯层喷灯和包层喷灯在一定位置下喷射生长而形成的粉棒4；沉积腔体外部相对两侧对应芯层沉积下端面分别设有激光发射端与激光接收端，构成芯层激光探测系统7，沉积过程中激光发射值控制在激光发射总值的10%~90%,所述的激光发射端与激光接收端的连线与水平面平行，并位于玻璃靶棒下方。所述的芯层原料控制系统与芯层激光探测体统与PLC相连，构成芯层喷灯原料流量与激光探测接收值之间的PID闭环调节系统，形成实时反馈调控，PLC还可与计算机相连，以便进行数据的交换和传输，在玻璃靶棒从初始阶段进入沉积的稳定阶段后旋转升降吊杆以一个恒定的速度往上提拉，提升速度为2.0mm/min。
本发明制备光纤预制棒母材的过程为：开启激光控制单元进行初始化设置，校准激光度数，此时激光发射范围内无任何遮挡；激光校准完毕后打开沉积腔体，将玻璃靶棒固定在旋转升降吊杆下端的夹持部位，开启旋转升降吊杆控制单元，吊杆移动至初始位置；点燃芯层喷灯和包层喷灯，关闭腔门，旋转升降吊杆带动靶棒以一定初始速度150r/min.开始旋转，此时吊杆向上提升速度为零；先后开启芯层原料控制系统和包层原料控制系统，芯层原料控制系统和包层原料控制系统按照各自流量计设定值供应芯层喷灯和包层喷灯，经过水解反应后的水解产物开始沉积在玻璃靶棒预设位置处，在沉积初始阶段，旋转升降吊杆从起始位置处以1mm/min.的初始提拉速度往上提拉，直至达到预设速度，即稳定段的恒定速度；旋转升降吊杆以一个恒定的速度往上提拉；随着沉积进行，靶棒下端轴向上逐渐变长，慢慢开始遮挡一部分探测激光，当激光接收端探测到预先设定值时，吊杆进入稳定提拉段，旋转升降就吊杆恒定提升速度为2.0mm/min.。粉棒的生长开始进入稳定生长段，此时芯层喷灯原料流量与探测激光接收值之间的PID闭环调节系统反馈开启，进行实时调控：当激光接收数值小于预设值时，芯层原料流量减小，同时对应的锗以及芯层喷灯的氢氧气体按照预先设置好的比例例减小；当激光接收数值大于预设值时，芯层原料流量增加，同时对应的锗以及芯层喷灯的氢氧气体按照预先设置好的比例例增加；芯层喷灯原料流量与探测激光接收值之间构成PID闭环调节，形成实时反馈调控；包层喷灯原料流量在稳定提升段保持恒定。当旋转升降吊杆运行到预设位置时，各系统关闭，沉积结束。

Claims (7)

1.一种VAD制备光纤预制棒母材的装置，包括用于沉积的反应腔体和伸入反应腔体内腔的旋转升降吊杆，旋转升降吊杆上端与垂直升降机构和旋转卡盘相连接，旋转升降吊杆下端用于夹持待沉积的玻璃靶棒，在沉积腔体内腔下方对应待沉积玻璃靶棒下方间隔设置芯层喷灯和包层喷灯，芯层喷灯和包层喷灯分别与芯层原料控制系统和包层原料控制系统相连，沉积腔体外部相对两侧对应芯层沉积下端面分别设有激光发射端与激光接收端，构成芯层激光探测系统，其特征在于所述的芯层原料控制系统与芯层激光探测体统与PLC相连，构成芯层喷灯原料流量与激光探测接收值之间的PID闭环调节系统，形成实时反馈调控。
2.按权利要求1所述的VAD制备光纤预制棒母材的装置，其特征在于在玻璃靶棒从初始阶段进入沉积的稳定阶段后旋转升降吊杆以一个恒定的速度往上提拉，提升速度为1.0~3.0mm/min.。
3.按权利要求1或2所述的VAD制备光纤预制棒母材的装置，其特征在于沉积过程中激光发射值控制在激光发射总值的10%~90%。
4.按权利要求1或2所述的VAD制备光纤预制棒母材的装置，其特征在于所述的激光发射端与激光接收端的连线与水平面平行，并位于玻璃靶棒下方。
5.一种VAD制备光纤预制棒母材的方法，其特征在于以权利要求1-4中任一装置为加工设备，
开启激光探测控制单元进行初始化设置，校准激光度数，此时激光发射范围内无任何遮挡；
激光校准完毕后打开沉积腔体，将玻璃靶棒固定在旋转升降吊杆下端的夹持部位，开启旋转升降吊杆控制单元，吊杆移动至初始位置；
点燃芯层喷灯和包层喷灯，关闭腔门，旋转升降吊杆带动靶棒以一定初始速度开始旋转，此时吊杆向上提升速度为零；
先后开启芯层原料控制系统和包层原料控制系统，芯层原料控制系统和包层原料控制系统按照各自流量计设定值供应芯层喷灯和包层喷灯，经过水解反应后的水解产物开始沉积在玻璃靶棒预设位置处，在沉积初始阶段，旋转升降吊杆从起始位置处以一个低于稳定段的初始提拉速度往上提拉，直至达到预设速度，即稳定段的恒定速度；旋转升降吊杆以一个恒定的速度往上提拉；
随着沉积进行，靶棒下端轴向上逐渐变长，慢慢开始遮挡一部分探测激光，当激光接收端探测到预先设定值时，吊杆进入稳定提拉段，粉棒的生长开始进入稳定生长段，此时芯层喷灯原料流量与探测激光接收值之间的PID闭环调节系统反馈开启，进行实时调控：当激光接收数值小于预设值时，芯层原料流量减小，当激光接收数值大于预设值时，芯层原料流量增加，芯层喷灯原料流量与探测激光接收值之间构成PID闭环调节，形成反馈实时调控；
当旋转升降吊杆运行到预设位置时，各系统关闭，沉积结束。
6.按权利要求5所述的VAD制备光纤预制棒母材的方法，其特征在于所述的旋转升降就吊杆恒定提升速度为1.0~3.0mm/min。
7.按权利要求5所述的VAD制备光纤预制棒母材的方法，其特征在于包层喷灯原料流量在稳定提升段保持恒定。
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