CN111473735A - 一种在线测量光纤预制棒直径和弓曲度的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种在线检测光纤预制棒直径和弓曲度的装置及方法。该装置包括测量基座、保护套、柱形玻璃罩、探测单元等。该测试方法基于灰体与黑体间的热辐射传热定律，通过探测光纤预制棒在沉积、熔缩或者拉伸过程中辐射的中远红外波段（纯二氧化硅在高温下在4‑8μm波段有强烈的辐射，辐射率在0.95以上）的电磁辐射（衬管或者预制棒的辐射透过玻璃罩进入到探测阵列），可以获取预制棒的弓曲度和直径信息。本发明的装置结构简单、成本低（直接运用预制棒本身辐射的特点进行测量，不需要额外的光源）、精度高（玻璃的辐射特征非常强而且明显），且适应性强（可用于不同的温度环境和不同粗细的衬管或预制棒）。另外该装置和方法可同时在线测量预制棒的直径和弓曲度，便于指导生产。

Description

一种在线测量光纤预制棒直径和弓曲度的装置及方法
技术领域
本发明属于光纤预制棒的测量领域，更具体地，涉及一种用于光纤预制棒直径和弓曲度的在线测量装置及方法。
背景技术
光纤预制棒制备过程中对衬管（或者预制棒）的直径和弓曲度进行监测对预制棒的制备过程是必不可少的，有益于对工艺参数进行调节。目前，在线测量预制棒直径的装置主要分为两种：一种由探测激光光源、探测窗口组件、探测器构成，其原理是由激光光源发出一束激光光束，光束经衬管后发生折射，探测器通过探测激光光束的分布即可计算出衬管的直径，该装置一般呈环形，适合与沉积或拉伸用的石墨炉搭配使用，精度较准，但是由于使用时的温度高、以及需要特定的激光光源和探测器导致装置复杂且价格昂贵，严重的制约了测径装置在光纤预制棒制备领域的应用；另一种由应用于可见光波段和近红外波段（1-3μm）的图像识别设备构成，其原理是通过捕获沉积过程中的衬管的轮廓来拟合衬管的直径，该装置存在的主要问题是，在沉积过程中可见光及近红外波段的光极易受到外界的影响，导致测量精度极差，且测试装置位于火焰的上方导致上部空气加热后折射率发生变化影响测量精度。另外，目前还没有对光纤预制棒进行在线弓曲度测量的，而沉积过程中的工艺参数直接决定预制棒的弓曲度。预制棒的弓曲度又会直接影响光纤的同心度等。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种在线光纤预制棒直径和弓曲度的装置及方法，该装置和方法能够测量光纤预制棒生产过程中的直径和弓曲度，且装置具备简便可靠、 价格便宜的特点。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于在线测量光纤预制棒的直径和弓曲度的装置，该装置包括测量基座、保护套、柱形玻璃罩、探测单元等。
所述测量支架用于支撑和固定由保护套、柱形玻璃罩、探测单元组成的探测系统。该支架固定在主灯的行走单元之上，位于主灯的左侧（当主灯朝右走为正方向时，反之亦然）。该支架可由金属或者非金属材料加工而成，优选地，使用铝合金型材。
所述保护套类似于在长方体上方加工出一个半圆柱形的凹槽，其内部为回形中空结构，正面有一个进水口、一个出水口，用于冷却水的进出。该保护套主要用于固定探测单元和对探测单元进行温度控制处理。通过冷却水使保护套中的温度维持在一定的温度范围内。该保护套可以由金属或非金属材料加工而成，优选地，使用不锈钢316L材料。
所述柱形玻璃罩用于提供探测信号的窗口，另外该玻璃罩固定在保护套上，通过橡胶等与保护套形成一个密封的结构。该玻璃罩厚度可在0.2mm-2mm之间，厚度均匀，且所选玻璃材料在4-10μm的光线透射率达到90%以上，优选地，使用氟化物玻璃。
所述探测单元主要用于探测光纤预制棒在沉积、熔缩或者拉伸过程中辐射的中远红外波段（一般选4.5-8μm波段，在这个过程中光纤预制棒的温度通常在1800-2300℃之间，且此时系统为温度控制模式——光纤预制棒在一个周期内的温度基本上是不变的，温度波动通常为±2℃）的电磁波。探测单元由一系列相同的探测元件形成的阵列，每个单元均可以单独探测并记录在某个时间点时投射到探测单元上的功率。且该单元可以是探测某一波长或者某一个范围波长的功率。
为了实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种用于在线测量光纤预制棒的直径和弓曲度的方法。该方法基于以下原理：
（1）沉积所用的衬管在4-8μm之间的辐射率基本上是常数（0.95左右），故在此波段可以认为衬管是灰体；
（2）玻璃罩选用在4-8μm之间高透的玻璃，且玻璃非常薄、温度恒定（冷却水温度恒定）。可以认为衬管辐射的能量可以以一个常数系数进入到探测单元，另外由于有玻璃罩的阻挡可以认为衬管与探测单元热对流几乎可以忽略；
（3）探测单元处于恒温状态下（保护套内温度恒定，为冷却水的温度），其在测量波段的辐射相对于衬管的辐射来说很小。故可以将探测单元作黑体处理；
（4）基于基尔霍夫辐射定律，灰体（公式中灰体用1表示，即衬管）向黑体（公式中灰体用2表示，即探测单元）辐射传热速率可表示为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE002
表示衬管向探测单元的传热速率；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
为衬管的辐射系数，是衬管固有的性质，是个常数；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为衬管的辐射能落到探测单元的角系数，与衬管的形状、大小以及衬管与探测单元的位置和距离有关（整个探测过程中探测单元的物理特性不发生改变）；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
为衬管的辐射面积，与衬管的直径有关；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为衬管的绝对温度；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
探测单元的绝对温度，为一个常数
基于以上的原理可知，在整个测量过程中
Figure 903199DEST_PATH_IMAGE003
均为常数。故有：
（1）对于某单独的一个沉积或熔缩过程
Figure 300683DEST_PATH_IMAGE006
为常数（沉积或熔缩温度不变）、
Figure 91921DEST_PATH_IMAGE005
为常数（对于特定的一个沉积或熔缩其直径是常数）。由于此时预制棒的形状大小是一定的，故探测单元探测到的
Figure 298299DEST_PATH_IMAGE002
与衬管到探测单元的位置关系和距离相关（即
Figure 796277DEST_PATH_IMAGE004
）。所以通过对比同一阵列的不同探测单元的
Figure 630240DEST_PATH_IMAGE002
便可以确定衬管到探测单元的距离关系（即
Figure 705513DEST_PATH_IMAGE004
），从而可以拟合出预制棒的弓曲度分布；
（2）对于相邻的两趟沉积或者熔缩而言，
Figure 650335DEST_PATH_IMAGE006
为常数（两趟的温度可能不同，但是均为常数），而对于弓曲度很好的光纤预制棒
Figure 2819DEST_PATH_IMAGE004
为常数、对于弓曲度差的，可通过不同阵列的探测确定
Figure 7684DEST_PATH_IMAGE004
。那么探测单元探测到的
Figure 507935DEST_PATH_IMAGE002
便是
Figure 928552DEST_PATH_IMAGE005
的函数，通过拟合便可以获得预制棒的直径分布。
本发明所取得的有意效果为：
（1）通过测量衬管在沉积或熔缩过程中辐射的电磁波，不需要额外的光源，且衬管辐射的电磁波具有信号强、无干扰的特点；
（2）装置简便可靠，装置主要就是功率探测单元，价格便宜。且装置安装在衬管下方，对温度的适应性强（衬管下方是冷空气，温度低）；
（3）通过不同的探测阵列可以对
Figure 460509DEST_PATH_IMAGE002
进行修正，探测精度高；
（4）该装置和方法可以同时探测预制棒的直径和弓曲度，且整个探测是非接触式的。
附图说明
图1是本发明实施例中探测单元、主灯移动单元以及衬管的空间位置示意图；
图2是本发明实施例中测量过程中探测单元与衬管的侧视图；
图3本发明实施例中探测单元的各组成元件的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-高纯石英玻璃衬管或者烧实的预制棒 2-氢氧主灯 3-主灯支架 4-主灯所在的行走平台 5-探测装置 6-衬管或预制棒的转动方向 7-行走平台沉积或熔缩时的运动方向 8-衬管或预制棒的截面 9-探测单元的截面 10-玻璃罩 11-不锈钢保护套 12-某一个探测单元 13-另一个探测单元 14-探测装置基座 15-冷却水进口 16-冷却水出口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供了一种在线光纤预制棒直径和弓曲度的探测装置。该探测装置位于主灯所在的行走平台上，具体地，位于主灯行走方向的后方50-100mm的位置，且探测阵列的半圆形和主灯的半圆形一起位于衬管轴线的正下方、探测阵列到衬管轴线的距离在50-150mm的位置。衬管为热的不良导体，在沉积或者熔缩过程中主灯的火焰将衬管加热到设定的温度
Figure 573959DEST_PATH_IMAGE006
，此时在火焰正上方后面的50-100mm位置衬管的温度近似于不变为
Figure 561506DEST_PATH_IMAGE006
；而探测阵列位于衬管正下方50-150mm位置，可确保探测阵列接收到尽可能多的热辐射的同时避免过高的火焰温度对探测装置的影响；此处的探测单元选用在4-8μm波段的热辐射计进行测量和记录。
本实例中探测装置的结构如图3所示，其由金属保护套11、玻璃罩10、探测阵列12/13、基座14组成。金属保护套11由不锈钢316L加工而成，内部为回形中空结构，内部通冷却水冷却，上有进水口15、出水口16，冷却水温度恒定在27℃（300K）；玻璃罩采用氟化钙玻璃加工而成，其在4-8μm波段的透过率在90%以上；探测阵列选用5-10个如12的探测单元组成，即可以对衬管上的同一个点在不同的方位测试5-10个数据。
本发明提供了一种在线光纤预制棒直径和弓曲度的探测方法。按上述测试原理所述，通过前期大量的测试可以获得不同沉积（或者熔缩）温度、不同的衬管直径下的
Figure 848131DEST_PATH_IMAGE004
，从而可以确定对应的
Figure DEST_PATH_IMAGE008
（通过接触式的测量衬管/预制棒的弓曲度、直径等可以获取对应的数据），此时
Figure 971945DEST_PATH_IMAGE003
为常数。通过获取大量的测试数据可以建立一个
Figure 256296DEST_PATH_IMAGE008
对应弓曲度和直径的数据库。具体为：
（1）选取不同沉积温度或熔缩温度的光纤预制棒、不同直径的衬管，测量衬管的辐射能落到探测单元的角系数
Figure 731139DEST_PATH_IMAGE004
，衬管的辐射面积
Figure 821455DEST_PATH_IMAGE005
，通过基于基尔霍夫辐射定律
Figure DEST_PATH_IMAGE009
建立一个
Figure 65355DEST_PATH_IMAGE008
对应弓曲度和直径的数据库，其中
Figure 317345DEST_PATH_IMAGE002
表示衬管向探测单元的传热速率；
Figure 217167DEST_PATH_IMAGE003
为衬管的辐射系数，是衬管固有的性质，是个常数；
Figure 848525DEST_PATH_IMAGE004
为衬管的辐射能落到探测单元的角系数，与衬管的形状、大小以及衬管与探测单元的位置和距离有关（整个探测过程中探测单元的物理特性不发生改变）；
Figure 212510DEST_PATH_IMAGE005
为衬管的辐射面积，与衬管的直径有关；
Figure 635401DEST_PATH_IMAGE006
为衬管的绝对温度；
Figure 84837DEST_PATH_IMAGE007
探测单元的绝对温度，为一个常数。
（2）对于某一趟沉积或者熔缩而言对于某单独的一个沉积或熔缩过程
Figure 454638DEST_PATH_IMAGE006
为常数（沉积或熔缩温度不变）、
Figure 407551DEST_PATH_IMAGE005
为常数（对于特定的一个沉积或熔缩其直径是常数）。由于此时预制棒的形状大小是一定的，故探测单元探测到的
Figure 204605DEST_PATH_IMAGE002
与衬管到探测单元的位置关系和距离相关（即
Figure 875758DEST_PATH_IMAGE004
）。若衬管/预制棒出现出现弯曲（即弓曲度不好），此时在衬管或预制棒的某一截面上弯曲最大的部位为M点（如图2所示），当M点移动到P1、P2、P3位置是探测单元将会测试到对应的
Figure 111567DEST_PATH_IMAGE002
，从而获得对应的
Figure 122249DEST_PATH_IMAGE004
，通过数据库拟合可以获得M点的弓曲度数据。
（3）对于相邻的两趟沉积或者熔缩而言，
Figure 152522DEST_PATH_IMAGE006
为常数（两趟的温度可能不同，但是均为常数），而
Figure 308041DEST_PATH_IMAGE004
对
Figure 19645DEST_PATH_IMAGE002
的测试影响可通过数据库获得。通过测量热辐射传导速率
Figure 947150DEST_PATH_IMAGE002
便可以计算出
Figure 148324DEST_PATH_IMAGE005
，然后通过数据库拟合便可以获得衬管或者预制棒的直径。
本发明通过测量衬管或者预制棒沉积或者熔缩时在高温下的热辐射特性测量预制棒的直径和弓曲度，装置简便可靠、价格便宜，且测量精度高。对预制棒的生产存在很大的监测和指导意义。
本领域的技术人员容易理解，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于在线测量光纤预制棒的直径和弓曲度的装置，该装置包括测量基座、保护套、柱形玻璃罩、探测单元，所述测量支架用于支撑和固定由保护套、柱形玻璃罩、探测单元组成的探测系统，所述测量支架固定在主灯的行走单元之上，位于主灯沿行走方向的后方，该测量支架可由金属或者非金属材料加工而成，所述保护套在长方体上方加工出一个半圆柱形的凹槽，其内部为回形中空结构，正面有一个进水口、一个出水口，用于冷却水的进出，所述保护套主要用于固定探测单元和对探测单元进行温度控制处理，通过冷却水使保护套中的温度维持在一定的温度范围内，所述柱形玻璃罩用于提供探测信号的窗口，所述玻璃罩固定在保护套上，通过橡胶与保护套形成一个密封的结构，所述探测单元用于探测光纤预制棒在沉积、熔缩或者拉伸过程中辐射的中远红外波段的电磁波。
2.根据权利要求1所述的在线测量光纤预制棒的直径和弓曲度的装置，其特征在于，所述测量支架使用铝合金型材。
3.根据权利要求1所述的在线测量光纤预制棒的直径和弓曲度的装置，其特征在于，所述保护套由金属或非金属材料加工而成。
4.根据权利要求3所述的在线测量光纤预制棒的直径和弓曲度的装置，其特征在于，所述保护套使用不锈钢316L材料。
5.根据权利要求1所述的在线测量光纤预制棒的直径和弓曲度的装置，其特征在于，所述玻璃罩厚度在0.2mm-2mm之间，厚度均匀，且玻璃材料在4-10μm的光线透射率达到90%以上。
6.根据权利要求1所述的在线测量光纤预制棒的直径和弓曲度的装置，其特征在于，所述探测单元选用4.5-8μm波段，所述光纤预制棒的温度控制在1800-2300℃之间。
7.根据权利要求1所述的在线测量光纤预制棒的直径和弓曲度的装置，其特征在于，所述探测单元由一系列相同的探测元件形成的阵列，每个单元均可以单独探测并记录在某个时间点时投射到探测单元上的功率。
8.根据权利要求7所述的在线测量光纤预制棒的直径和弓曲度的装置，其特征在于，所述单元探测某一波长或者某一个范围波长的功率。
9.根据权利要求1-8任一项所述的装置在线探测光纤预制棒或衬底直径和弓曲度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）选取不同沉积温度或熔缩温度的光纤预制棒、不同直径的衬管，测量衬管的辐射能落到探测单元的角系数
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，衬管的辐射面积
Figure 736904DEST_PATH_IMAGE002
，通过基于基尔霍夫辐射定律
Figure DEST_PATH_IMAGE003
建立一个
Figure 962700DEST_PATH_IMAGE004
对应弓曲度和直径的数据库，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示衬管向探测单元的传热速率；
Figure 867070DEST_PATH_IMAGE006
为衬管的辐射系数，是衬管固有的性质，是个常数；
Figure 324597DEST_PATH_IMAGE001
为衬管的辐射能落到探测单元的角系数，与衬管的形状、大小以及衬管与探测单元的位置和距离有关；
Figure 201286DEST_PATH_IMAGE002
为衬管的辐射面积，与衬管的直径有关；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为衬管的绝对温度；
Figure 148382DEST_PATH_IMAGE008
探测单元的绝对温度，为一个常数；
（2）对于某一趟沉积或者熔缩而言对于某单独的一个沉积或熔缩过程
Figure 480662DEST_PATH_IMAGE007
为常数、
Figure 804196DEST_PATH_IMAGE002
为常数，由于此时预制棒的形状大小是一定的，故探测单元探测到的
Figure 535392DEST_PATH_IMAGE005
与衬管到探测单元的位置关系和距离相关，若衬管/预制棒出现弯曲，此时在衬管或预制棒的某一截面上弯曲最大的部位为M点，当M点移动到其他位置时，探测单元将会测试到对应的
Figure 528755DEST_PATH_IMAGE005
，从而获得对应的
Figure 345402DEST_PATH_IMAGE001
，通过数据库拟合可以获得M点的弓曲度数据；
（3）对于相邻的两趟沉积或者熔缩而言，
Figure 144730DEST_PATH_IMAGE007
为常数，而
Figure 730432DEST_PATH_IMAGE001
对
Figure 222594DEST_PATH_IMAGE005
的测试影响可通过数据库获得，通过测量热辐射传导速率
Figure 464219DEST_PATH_IMAGE005
便可以计算出
Figure 798730DEST_PATH_IMAGE002
，然后通过数据库拟合便可以获得衬管或者预制棒的直径。
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