CN115959824A - 一种玻璃丝制备设备及方法、石英传像光纤制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤制造技术领域，公开了一种玻璃丝制备设备及方法、石英传像光纤制备方法。本发明首先利用拉丝炉对预制棒进行加热以牵引出玻璃丝，预制棒为单芯或多芯预制棒，玻璃丝为单芯或多芯玻璃丝；然后利用测径仪测量玻璃丝的直径，利用冷却槽对玻璃丝进行降温，最后利用抽丝轮控制玻璃丝的拉丝速度和直径，得到外径为1‑3mm的玻璃丝成品。本发明解决了现有普通通信光纤拉制设备无法拉制粗径玻璃丝，无法满足多芯型石英传像光纤及其预制棒制备要求的问题。
Description
技术领域
本发明属于光纤制造技术领域，更具体地，涉及一种玻璃丝制备设备及方法、石英传像光纤制备方法。
背景技术
传像光纤是一种传输图像的柔性多芯光纤，主要用于内窥镜内的图像传输，是各种纤维内窥镜的核心重要光学元器件。传像光纤具有体积小、重量轻、使用自由度大、易实现复杂空间结构的图像传输、无源实时传像、耐高温、抗电磁辐射、抗核辐射等优点，广泛应用于医疗、工业、科研、航天等领域。
传统的传像光纤是一种多组分玻璃制作的束型的光纤传像束，是将几万根10-20μm的多组分玻璃光纤两端进行相关排列，胶合定位，中间呈散乱状态，它的缺点包括存在胶合边界、制作难度大、工艺复杂、成本高、吸收损耗大等。多芯型石英传像光纤是将成千上万根石英光纤整齐地排列在石英套管内，融为一体，形成单根多芯型石英传像光纤，它具有分辨率高、可制造长度长和成本低等优点。石英传像光纤与多组分玻璃光纤传像束相比具有以下优点：1)可实现超细直径，更适于医疗内窥镜的应用；2)光学传输性能卓越，图像质量更高；3)分辨率更高；4)可实现长距离的光学传输；5)化学稳定性高，机械耐久性高；6)在医学、工业等领域具有更广泛的应用前景。
现有的普通通信光纤的制备工艺是先制备单芯预制棒，再将单芯预制棒拉制成外径125μm的石英玻璃光纤，然后经过涂覆和固化后通过自动收丝筒卷绕起来，拉丝速度一般在30m/s以上。普通通信光纤拉制设备适用的光纤外径在200μm以内。而石英传像光纤的制备工艺中涉及的一次复丝和二次复丝分别使用的单芯玻璃丝和多芯玻璃丝的直径较大，不能弯曲和卷绕，且单芯玻璃丝和多芯玻璃丝的拉丝需要手动剪丝进行收丝，因此拉丝速度不能太快，一般在1-3m/s。由于石英传像光纤的结构、几何尺寸和制备工艺跟普通通信光纤相比存在很大差异，已有的普通通信光纤的制备设备不能满足石英传像光纤制备过程中拉制单芯玻璃丝和多芯玻璃丝的使用要求。此外，目前传像光纤依靠国外供应商进口，价格昂贵，受制于人。因此，通过自主创新研发传像光纤有利于打破国外传像光纤供应商的垄断，降低国内采购成本。综上所述，本领域亟需设计一套全新的制造设备和制备方法，以实现粗径玻璃丝及石英传像光纤的制备。
发明内容
本发明通过提供一种玻璃丝制备设备及方法、石英传像光纤制备方法，解决现有普通通信光纤拉制设备无法拉制粗径玻璃丝，无法满足多芯型石英传像光纤及其预制棒制备要求的问题。
第一方面，本发明提供一种玻璃丝制备设备，包括：从上至下依次设置的拉丝炉、测径仪、冷却槽和抽丝轮；
所述拉丝炉用于对预制棒进行加热以牵引出玻璃丝；所述预制棒为单芯预制棒或多芯预制棒，所述玻璃丝为单芯玻璃丝或多芯玻璃丝；
所述测径仪用于测量玻璃丝的直径；
所述冷却槽用于对玻璃丝进行降温；
所述抽丝轮用于控制玻璃丝的拉丝速度和直径，得到玻璃丝成品；所述玻璃丝成品为单芯玻璃丝成品或多芯玻璃丝成品，所述玻璃丝成品的外径为1-3mm。
优选的，所述测径仪的测量范围为0.5-5mm。
优选的，所述冷却槽设置在拉丝通道的一侧，所述冷却槽内设置有若干正对玻璃丝的气孔，所述气孔与冷却气体管道相连通，冷却气体经所述气孔垂直吹向玻璃丝。
优选的，所述冷却气体采用压缩空气或氮气，所述冷却气体的温度为常温或低于常温；所述冷却气体的流量通过所述冷却气体管道上的阀门进行调节。
优选的，所述抽丝轮为两个对辊轮，两个对辊轮分别位于拉丝通道的两侧，两个对辊轮相向闭合以夹住玻璃丝；所述抽丝轮的外周包裹有耐高温且具有弹性的橡胶材料，所述橡胶材料的耐受温度不低于250℃。
优选的，所述抽丝轮包括一个主动轮和一个从动轮，所述主动轮与电机连接；通过所述电机驱动所述抽丝轮对辊旋转，使玻璃丝自动向下牵引；通过调节对辊旋转速度控制玻璃丝的拉丝速度和直径，所述拉丝速度为1～3m/s。
优选的，所述玻璃丝制备设备还包括：设置在所述测径仪与所述冷却槽之间的第一引导组件、设置在所述冷却槽与所述抽丝轮之间的第二引导组件；所述第一引导组件包括分别设置在拉丝通道两侧的第一导轮和第二导轮，所述第二引导组件包括分别设置在拉丝通道两侧的第三导轮和第四导轮；所述第一导轮、所述第二导轮、所述第三导轮和所述第四导轮的耐受温度均不低于1300℃；所述第一引导组件用于确保玻璃丝沿拉丝通道朝下牵引，所述第二引导组件用于确保降温后的玻璃丝沿拉丝通道朝下牵引。
第二方面，本发明提供一种玻璃丝制备方法，采用上述的玻璃丝制备设备实现，玻璃丝的制备方法包括以下步骤：
将预制棒放入拉丝炉中进行加热，所述预制棒的锥部熔融后牵引出玻璃丝；
通过测径仪测量玻璃丝的直径；
通过冷却槽对玻璃丝进行降温；
通过抽丝轮调节玻璃丝的拉丝速度和直径，按需对拉制的玻璃丝的长度进行剪短后得到玻璃丝成品；
其中，所述预制棒为单芯预制棒时，所述预制棒的锥部熔融后牵引出的玻璃丝为单芯玻璃丝，所述玻璃丝成品为单芯玻璃丝成品；所述单芯预制棒的外径为10～50mm，所述单芯玻璃丝成品的外径为1-3mm；
所述预制棒为多芯预制棒时，所述预制棒的锥部熔融后牵引出的玻璃丝为为多芯玻璃丝，所述玻璃丝成品为多芯玻璃丝成品；所述多芯预制棒的外径为10～50mm，所述多芯玻璃丝成品的外径为1-3mm，所述多芯玻璃丝成品的芯数为100～300芯。
第三方面，本发明提供一种石英传像光纤制备方法，包括以下步骤：
采用单芯预制棒作为制备用的预制棒，利用上述的玻璃丝制备方法制备得到单芯玻璃丝成品；
将多根所述单芯玻璃丝成品进行清洗干燥后堆积填充至石英玻璃管内，得到多芯预制棒；采用所述多芯预制棒作为制备用的预制棒，利用上述的玻璃丝制备方法制备得到多芯玻璃丝成品；
将多根所述多芯玻璃丝成品进行清洗干燥后堆积填充至另一石英玻璃管内，得到复合多芯预制棒；
将所述复合多芯预制棒放置于普通通信光纤拉丝塔上拉制成纤，并将经过涂覆和固化后制成的石英传像光纤弯曲卷绕在收丝筒上。
优选的，所述石英传像光纤的外径为300～1000μm，所述石英传像光纤的像元数为10000～90000。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明首先利用拉丝炉对预制棒进行加热以牵引出玻璃丝，预制棒为单芯或多芯预制棒，玻璃丝为单芯或多芯玻璃丝；然后利用测径仪测量玻璃丝的直径，利用冷却槽对玻璃丝进行降温，最后利用抽丝轮控制玻璃丝的拉丝速度和直径，得到外径为1-3mm的玻璃丝成品。本发明提供的设备及制备方法可操作性强，工艺稳定，可以拉制外径1-3mm的单芯玻璃丝和多芯玻璃丝，实现粗径玻璃丝的无卷绕拉制，能够解决石英传像光纤及其预制棒的制备与现有普通通信光纤拉制设备不匹配的问题，能够实现并满足多芯型石英传像光纤及其预制棒的制备要求。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种玻璃丝制备设备的结构示意图；
图2为本发明实施例3提供的一种石英传像光纤制备方法制备得到的石英传像光纤的端面显微图；
图3为本发明实施例3提供的一种石英传像光纤制备方法制备得到的石英传像光纤的端面局部显微图。
具体实施方式
石英传像光纤的制备过程包括依次制备外径1-3mm的单芯玻璃丝、将拉制的单芯玻璃丝填充到玻璃管内形成多芯预制棒(一次复丝)，将多芯预制棒拉制成外径1-3mm的多芯玻璃丝，然后再将多芯玻璃丝填充到玻璃管内形成复合多芯预制棒(二次复丝)，最后将复合多芯预制棒拉制成外径300-1000μm的传像光纤。为了实现石英传像光纤的制备，本发明首先提供一种玻璃丝制备设备，以实现粗径的单芯玻璃丝、多芯玻璃丝的制备，然后在上述基础上实现复合多芯传像光纤预制棒的制备和多芯石英传像光纤的制备。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1：
实施例1提供一种玻璃丝制备设备，参见图1，包括从上至下依次设置的拉丝炉1、测径仪3、第一引导组件、冷却槽6、第二引导组件和抽丝轮9。
所述拉丝炉1用于对预制棒2进行加热以牵引出玻璃丝10。其中，所述预制棒2为单芯预制棒或多芯预制棒，对应的，所述玻璃丝10为单芯玻璃丝或多芯玻璃丝。
所述测径仪3用于测量玻璃丝10的直径。
所述第一引导组件用于确保玻璃丝10沿拉丝通道朝下牵引。
所述冷却槽6用于对玻璃丝10进行降温。
所述第二引导组件用于确保降温后的玻璃丝10沿拉丝通道朝下牵引。
所述抽丝轮9用于控制玻璃丝10的拉丝速度和直径，得到玻璃丝成品。其中，所述玻璃丝成品为单芯玻璃丝成品或多芯玻璃丝成品，所述玻璃丝成品的外径为1-3mm。
具体的，所述测径仪3的测量范围为0.5-5mm。
所述第一引导组件包括分别设置在拉丝通道两侧的第一导轮4和第二导轮5，所述第一导轮4和所述第二导轮5均采用耐高温的材料制作，耐受温度均不低于1300℃。
所述冷却槽6设置在拉丝通道的一侧，所述冷却槽6内设置有若干正对玻璃丝10的气孔，所述气孔与冷却气体管道相连通，冷却气体经所述气孔垂直吹向玻璃丝10，进行冷却降温。所述冷却气体采用压缩空气或氮气，所述冷却气体的温度为常温或预先冷却后低于常温；所述冷却气体的流量可根据需要通过所述冷却气体管道上的阀门进行调节。
所述第二引导组件包括分别设置在拉丝通道两侧的第三导轮7和第四导轮8，所述第三导轮7和所述第四导轮8均采用耐高温的材料制作，耐受温度均不低于1300℃。
所述抽丝轮9为两个对辊轮，两个对辊轮分别位于拉丝通道的两侧，两个对辊轮相向闭合以夹住玻璃丝10；所述抽丝轮9的外周包裹有耐高温且具有弹性的橡胶材料，所述橡胶材料的耐受温度不低于250℃，优选方案中耐受温度不低于300℃。所述抽丝轮9的开合和旋转速度均可以按需调节。具体的，所述抽丝轮9包括一个主动轮和一个从动轮，所述主动轮与电机连接；通过所述电机驱动所述抽丝轮9对辊旋转，使玻璃丝10自动向下牵引；通过调节对辊旋转速度控制玻璃丝10的拉丝速度和直径，所述拉丝速度为1～3m/s。
实施例2：
实施例2提供一种玻璃丝制备方法，采用如实施例1所述的玻璃丝制备设备实现，玻璃丝的制备方法包括以下步骤：
将预制棒放入拉丝炉中进行加热，所述预制棒的锥部熔融后牵引出玻璃丝；
通过测径仪测量玻璃丝的直径；
通过第一引导组件对玻璃丝的牵引方向进行限制，确保玻璃丝沿拉丝通道朝下牵引；
通过冷却槽对玻璃丝进行降温；
通过第二引导组件对降温后的玻璃丝的牵引方向进行限制，确保降温后的玻璃丝沿拉丝通道朝下牵引；
通过抽丝轮调节玻璃丝的拉丝速度和直径，按需对拉制的玻璃丝的长度进行剪短后得到玻璃丝成品。
其中，所述预制棒为单芯预制棒时，所述预制棒的锥部熔融后牵引出的玻璃丝为单芯玻璃丝，所述玻璃丝成品为单芯玻璃丝成品；所述单芯预制棒的外径为10～50mm，所述单芯玻璃丝成品的外径为1-3mm。
所述预制棒为多芯预制棒时，所述预制棒的锥部熔融后牵引出的玻璃丝为为多芯玻璃丝，所述玻璃丝成品为多芯玻璃丝成品；所述多芯预制棒的外径为10～50mm，所述多芯玻璃丝成品的外径为1-3mm，所述多芯玻璃丝成品的芯数为100～300芯。
实施例2提供的一种玻璃丝制备方法与实施例1提供的一种玻璃丝制备设备的功能对应，因此不再赘述。
实施例3：
实施例3提供一种石英传像光纤制备方法，包括以下步骤：
采用单芯预制棒作为制备用的预制棒，利用如实施例2所述的玻璃丝制备方法制备得到单芯玻璃丝成品；
将多根所述单芯玻璃丝成品进行清洗干燥后堆积填充至石英玻璃管内，得到多芯预制棒；采用所述多芯预制棒作为制备用的预制棒，利用如实施例2所述的玻璃丝制备方法制备得到多芯玻璃丝成品；
将多根所述多芯玻璃丝成品进行清洗干燥后堆积填充至另一石英玻璃管内，得到复合多芯预制棒；
将所述复合多芯预制棒放置于普通通信光纤拉丝塔上拉制成纤，并将经过涂覆和固化后制成的石英传像光纤弯曲卷绕在收丝筒上。
下面对各阶段的制备做进一步的说明。
(1)单芯玻璃丝的制备。
将设计和制备好的直径为10～50mm的单芯芯棒(即单芯预制棒)放入拉丝炉中加热，芯棒的锥部在高温熔融后从拉丝炉下面牵引出玻璃丝，通过测径仪测量玻璃丝的直径，玻璃丝依次经过第一导轮和第二导轮，由于第一导轮和第二导轮位于玻璃丝的两侧，因此可避免玻璃丝偏离拉丝通道，第一导轮和第二导轮由耐高温的材料制作，玻璃丝继续朝下牵引，然后经过冷却槽进行降温；冷却槽竖直放置于玻璃丝的一侧，冷却槽内设计有一排正对玻璃丝的气孔，气孔与压缩空气管道相连通，压缩空气经过冷却槽的气孔垂直吹向玻璃丝，给玻璃丝冷却降温，压缩空气的流量可以通过阀门按需调节，冷却降温后的玻璃丝继续朝下经过第三导轮和第四导轮；第三导轮和第四导轮位于玻璃丝的两侧，因此可避免玻璃丝因压缩空气的吹动而偏离拉丝通道，第三导轮和第四导轮由耐高温的材料制作，冷却降温后的玻璃丝继续朝下牵引经过抽丝轮；抽丝轮为两个对辊轮，分别位于玻璃丝的两侧，一侧的抽丝轮为主动轮，由电机驱动，另一侧的抽丝轮为从动轮，抽丝轮的开合和旋转速度可以按需调节，抽丝轮的外周包裹有耐高温的橡胶材料，既可以耐高温、又具有弹性，将两个对辊轮相向闭合，夹住玻璃丝，打开抽丝轮的驱动电机使其对辊旋转，玻璃丝自动向下牵引，调节抽丝轮的旋转速度可以控制玻璃丝的拉丝速度和直径；拉制的玻璃丝按照所需的长度进行剪短，最终得到外径1-3mm的单芯玻璃丝成品。
(2)多芯玻璃丝的制备。
将上述拉制的单芯玻璃丝成品清洗干燥后堆积填充至石英玻璃管内，直至充满石英玻璃管内孔(100-300根)，石英玻璃管的外径为10～50mm，再将充满单芯玻璃丝的石英玻璃管放入本发明提供的玻璃丝制备设备中的拉丝炉中进行加热，石英玻璃管的锥部在高温熔融后从拉丝炉下面牵引出多芯玻璃丝；通过测径仪测量多芯玻璃丝的直径，多芯玻璃丝依次经过第一导轮和第二导轮，由于第一导轮和第二导轮位于多芯玻璃丝的两侧，因此可避免多芯玻璃丝偏离拉丝通道，多芯玻璃丝继续朝下牵引；压缩空气经过冷却槽的气孔垂直吹向多芯玻璃丝，给多芯玻璃丝冷却降温，冷却降温后的多芯玻璃丝继续朝下经过第三导轮和第四导轮；由于第三导轮和第四导轮位于多芯玻璃丝的两侧，因此可避免多芯玻璃丝因压缩空气的吹动而偏离拉丝通道，冷却降温后的多芯玻璃丝继续朝下牵引经过抽丝轮；抽丝轮相向闭合夹住多芯玻璃丝，抽丝轮对辊旋转使多芯玻璃丝自动向下牵引，调节抽丝轮的旋转速度可以控制多芯玻璃丝的拉丝速度和直径；拉制的多芯玻璃丝按照所需的长度进行剪短，最终得到外径1-3mm、100-300芯的多芯玻璃丝成品。
(3)复合多芯预制棒的制备。
将上述拉制的多芯玻璃丝成品清洗干燥后堆积填充至一石英玻璃管内，直至充满石英玻璃管内孔(100-300根)，得到复合多芯预制棒(即复合多芯传像光纤预制棒)，所述复合多芯预制棒的芯数为10000-90000芯。
(4)石英传像光纤的制备。
最后将上述制备得到的复合多芯预制棒放在普通通信光纤拉制设备的拉丝塔(例如，拉制普通G.652通信光纤的拉丝塔)上拉制成纤，得到的石英传像光纤的外径为300-1000μm，像元数为10000-90000，经过涂覆和固化后制成的多芯型石英传像光纤弯曲卷绕在普通通信光纤拉制设备的收丝筒上。制备得到的石英传像光纤的端面显微图如图2、图3所示。
综上，本发明可以拉制外径1-3mm的单芯玻璃丝和多芯玻璃丝，实现粗径玻璃丝的无卷绕拉制，进而可以满足多芯型石英传像光纤及其预制棒的制备要求，可操作性强，工艺稳定。此外，本发明的制备工艺没有熔缩环节，工序更简单，还可以节省成本。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种玻璃丝制备设备，其特征在于，包括：从上至下依次设置的拉丝炉、测径仪、冷却槽和抽丝轮；
所述拉丝炉用于对预制棒进行加热以牵引出玻璃丝；所述预制棒为单芯预制棒或多芯预制棒，所述玻璃丝为单芯玻璃丝或多芯玻璃丝；
所述测径仪用于测量玻璃丝的直径；
所述冷却槽用于对玻璃丝进行降温；
所述抽丝轮用于控制玻璃丝的拉丝速度和直径，得到玻璃丝成品；所述玻璃丝成品为单芯玻璃丝成品或多芯玻璃丝成品，所述玻璃丝成品的外径为1-3mm。
2.根据权利要求1所述的玻璃丝制备设备，其特征在于，所述测径仪的测量范围为0.5-5mm。
3.根据权利要求1所述的玻璃丝制备设备，其特征在于，所述冷却槽设置在拉丝通道的一侧，所述冷却槽内设置有若干正对玻璃丝的气孔，所述气孔与冷却气体管道相连通，冷却气体经所述气孔垂直吹向玻璃丝。
4.根据权利要求3所述的玻璃丝制备设备，其特征在于，所述冷却气体采用压缩空气或氮气，所述冷却气体的温度为常温或低于常温；所述冷却气体的流量通过所述冷却气体管道上的阀门进行调节。
5.根据权利要求1所述的玻璃丝制备设备，其特征在于，所述抽丝轮为两个对辊轮，两个对辊轮分别位于拉丝通道的两侧，两个对辊轮相向闭合以夹住玻璃丝；所述抽丝轮的外周包裹有耐高温且具有弹性的橡胶材料，所述橡胶材料的耐受温度不低于250℃。
6.根据权利要求5所述的玻璃丝制备设备，其特征在于，所述抽丝轮包括一个主动轮和一个从动轮，所述主动轮与电机连接；通过所述电机驱动所述抽丝轮对辊旋转，使玻璃丝自动向下牵引；通过调节对辊旋转速度控制玻璃丝的拉丝速度和直径，所述拉丝速度为1～3m/s。
7.根据权利要求1所述的玻璃丝制备设备，其特征在于，还包括：设置在所述测径仪与所述冷却槽之间的第一引导组件、设置在所述冷却槽与所述抽丝轮之间的第二引导组件；所述第一引导组件包括分别设置在拉丝通道两侧的第一导轮和第二导轮，所述第二引导组件包括分别设置在拉丝通道两侧的第三导5轮和第四导轮；所述第一导轮、所述第二导轮、所述第三导轮和所述第四导轮的耐受温度均不低于1300℃；所述第一引导组件用于确保玻璃丝沿拉丝通道朝下牵引，所述第二引导组件用于确保降温后的玻璃丝沿拉丝通道朝下牵引。
8.一种玻璃丝制备方法，其特征在于，采用如权利要求1-7中任一项所述的玻璃丝制备设备实现，玻璃丝的制备方法包括以下步骤：
0将预制棒放入拉丝炉中进行加热，所述预制棒的锥部熔融后牵引出玻璃丝；
通过测径仪测量玻璃丝的直径；
通过冷却槽对玻璃丝进行降温；
通过抽丝轮调节玻璃丝的拉丝速度和直径，按需对拉制的玻璃丝的长度进行剪短后得到玻璃丝成品；
5其中，所述预制棒为单芯预制棒时，所述预制棒的锥部熔融后牵引出的玻璃丝为单芯玻璃丝，所述玻璃丝成品为单芯玻璃丝成品；所述单芯预制棒的外径为10～50mm，所述单芯玻璃丝成品的外径为1-3mm；
所述预制棒为多芯预制棒时，所述预制棒的锥部熔融后牵引出的玻璃丝为为多芯玻璃丝，所述玻璃丝成品为多芯玻璃丝成品；所述多芯预制棒的外径为0 10～50mm，所述多芯玻璃丝成品的外径为1-3mm，所述多芯玻璃丝成品的芯数为100～300芯。
9.一种石英传像光纤制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用单芯预制棒作为制备用的预制棒，利用如权利要求8所述的玻璃丝制备方法制备得到单芯玻璃丝成品；
5将多根所述单芯玻璃丝成品进行清洗干燥后堆积填充至石英玻璃管内，得到多芯预制棒；采用所述多芯预制棒作为制备用的预制棒，利用如权利要求8所述的玻璃丝制备方法制备得到多芯玻璃丝成品；
将多根所述多芯玻璃丝成品进行清洗干燥后堆积填充至另一石英玻璃管内，得到复合多芯预制棒；
将所述复合多芯预制棒放置于普通通信光纤拉丝塔上拉制成纤，并将经过涂覆和固化后制成的石英传像光纤弯曲卷绕在收丝筒上。
10.根据权利要求9所述的石英传像光纤制备方法，其特征在于，所述石英传像光纤的外径为300～1000μm，所述石英传像光纤的像元数为10000～90000。
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