CN1188542A

CN1188542A - 光纤拉伸应力测量装置

Info

Publication number: CN1188542A
Application number: CN97190294A
Authority: CN
Inventors: 毛里·卢卡拉; 海基·拉伊恳
Original assignee: Soundek Oy
Current assignee: Soundek Oy
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1997-03-19
Publication date: 1998-07-22

Abstract

本发明涉及一种测量装置(10),用来测量光纤(11)或等同导线中的拉伸应力。该测量装置(10)提供一装置(12),用来在光纤(11)上产生一振荡脉冲(150),该振荡脉冲(150)以预置的一定频率振荡并以线性偏振线波(15)行进,且提供一光位置－传感指示器(16),用来测量线波(15)的行进速度(V)。该测量装置(10)提供有一照明装置(17),用来照射光纤(11),以便使振荡光纤的影像投射到指示器(16)上,借此当单位长度的光纤质量(M)已知时,由公式T=V²·M计算出光纤(11)的拉伸应力(T)。在测量装置(10)中的指示器装置(16)适合于测量发出线波脉冲(15)的经过时间和从镀膜装置(18)上反射的线波脉冲(19)的经过时间,在这种情况下当指示器装置(16)和镀膜装置(18)之间的距离(x)已知时,通过测量发出振荡和到达振荡之间的时间差而得到线波运行速度。

Description

光纤拉伸应力测量装置

本发明涉及一种用来测量光纤或等同导线拉伸应力的测量装置。该测量装置具有一种用来在光纤上形成振荡脉冲的装置，该脉冲的预置频率振动并以线性偏振线波行进，并设有一种光位置-传感指示器，用来测量线波的行进速度，该测量装置提供一照明装置，用来将光照射在所述光纤上，因而振荡纤维的影像被投射在该指示器上，借此当单位长度的光纤质量已知的情况下可由公式T＝V²·M来计算出光纤的拉伸应力。

光纤是一种纤细的玻璃纤维，其直径约为150微米。光纤用来取代通讯用铜导线，因为光纤的通讯容量远远大于铜导线。并且和铜导线不同，光纤本身不会出现原料短缺现象。

光纤在一所谓的拉纤塔(draw tower)内制备，该塔是一高约8到9米的大型塔，在其顶端熔化的玻璃被向下拉伸而形成一纤细的纤维。灼热的纤维向下运动时冷却，然后在塔的底端由一特定的镀膜装置使该纤维镀一层特定聚合物。镀膜后，光纤通过一拉伸装置传送到一特定的辊子，并卷成线卷。众所周知，未镀膜的玻璃纤维本身易碎而不能折曲，但在镀膜后却能折曲自如。目前光纤的控制速度为每秒4至10米，其拉伸速度和直径基本由拉伸装置和其他装置控制。然而由于未镀膜的光纤本身不能触及，光纤的拉力检测只有在镀膜后方可进行。可是在镀膜后再进行拉力检测太晚，从而提供了一个不准确的未镀膜光纤拉伸应力结果。可是，提高光纤拉制速度是所期望的，但由于过程控制，在不触及光纤的情况下才能测量出来镀膜纤维的拉伸应力。目前使用的光纤拉伸应力计是一种装有弹簧的辊子，镀膜光纤从该辊子上通过。载荷值指示出光纤的拉力。有一些拉伸应力计，通过其装置测量照在纤维上的光的双重折射以及双重折射量来测量未镀膜光纤的拉伸应力。但是，这样的检测装置复杂而昂贵，且这种现象本身也是微弱的，因此该种装置没有被广泛采用。

本发明是一种新颖的声-光测量装置，在光纤单位长度质量已知的情况下，该测量装置利用线波测量光纤的拉力。利用这种测量装置在不触及光纤的条件下就可测量光纤的拉伸应力，并且因此光纤的行进速度亦可以得到补偿。检测原理是在光纤上产生行进振荡，再测出该振荡的行进速度V。当单位长度光纤质量已知时，(通常总是这样)利用下面简单的公式即可以计算出光纤的拉伸应力：T＝V²-M，M代表光纤单位长度质量。

这样，在这种测量装置中，首先要在未镀膜光纤上形成适当的行进线波脉冲，并且要以不接触光纤的形式测出所述脉冲的行进速度。在此情况下，方可利用上述公式计算出光纤的拉伸应力。

关于现有技术，就会提到上面的电-光测量装置，它是利用光的双重折射原理测量光纤的拉伸应力。玻璃光纤原料通常为石英，在其中产生和拉力成比例的双重折射光。这种测量装置的问题在于光线必须准确地照射在直径为150微米的运动光纤上，此后，必须测量双重折射量，才能计算出光纤拉伸应力。

在公开的FI79,410和美国专利US4,833,928中，曾描述了一种解决方法，其中以与本发明略有相似的方式检测运动的薄膜或薄片的拉应力。

一薄片置于扬声器附近，借此扬声器在该薄片上产生机械脉冲，该脉冲与薄片的拉伸同向前进。在薄片上不同的两点，通过光学原理测量薄片的振荡，从而计算出该脉冲的运行速度。当光波速度和薄片重量已知时，即可计算出拉力。然而，这样的检测装置不能用于测量纤细、透明的玻璃纤维的拉伸应力。

已公开的美国专利US5,359,904和FI89,537明确地描述了一种测量光纤维拉伸应力的仪器，该仪器利用所谓的运行于光纤内的线波并且测量该线波的运行速度。在所述公开专利中，利用两个公开的光测量点，由其装置测量出线波的速度。而且，在所述专利中，也没有利用线波在镀膜装置上的反射。可是，本发明如同我们将要看到的那样，和上述专利有几处实质上的区别。本发明只利用一光测量点即可测量光纤的拉伸应力，而且特别利用了来自光纤端部的反射。此外，利用这种新颖的设计可以使速度得以补偿。当光纤控制速度变快且在提升拉制期间时，速度的补偿则尤为重要。因此，该测量装置在较大程度上已简化了。

本发明的特点是测量装置中的指示器适合用来测量发出线波脉冲的经过时间和该脉冲从镀膜装置反射折回的经过时间，并在已知指示器与镀膜装置之间距离的情况下，通过测量发出振荡与到达振荡之间的时间差，计算出线波的运行速度。

当纤维在拉纤塔内向下拉制时，在纤维进入镀膜装置之前约有数米处于未镀膜状态。在此段距离内，首先可安装一封闭式扬声器，在其外壳前壁有一狭窄缝，声波脉冲即由此狭缝释放出来。此窄缝与纤维平行。因此由于释放的压缩空气，会使纤维产生振荡，类似于拨动的吉它琴弦一样。在实践中我们注意到脉冲振荡频率为300Hz时适合测量拉伸应力。然后，纤维振荡的行进速度仅由一光检测器测量。这一点和前面的现有技术中利用两个检测器测量不同。

本发明将参考在附图中描述的本发明的优选实施例作详细描述。然而本发明不仅限于所描述的实施例。

图1为该测量装置安装简图，表示由扬声器在纤维中产生的振荡行进及在光检测器前的纤维振荡。

图2表示从镀膜装置来的线波的反射。

在图1、图2所述的实施例中，该测量装置通常由标记号10表示。一光纤11利用声压脉冲进入线性偏振运动状态。该脉冲是由一封闭的扬声器12产生的，在该扬声器前端有一狭窄缝13与光纤11平行。由计算机14控制、频率为约300Hz的电脉冲信号被送进扬声器转换成所述声波脉冲。在纤维上形成的弯曲150开始沿光纤11双向行进。这一弯曲，即线波15，行进得越快，光纤11的拉力越强。线波15的速度是由一光指示器16通过测量被照射的光纤11投射在光指示器上的影像位置而测出的。光纤11的影像照射可以由照明装置17，例如发光二极管灯源完成。当光纤11的影像投射在光指示器16上时，其位置在一确定时间可由连接于光指示器16的控制计算机14测量。

当光纤11振动时，其影像也随之振动。当振荡沿光纤11行进时，首先经过置于扬声器12下方的光指示器16，然后向下运行到镀膜装置18，并在到达的同时，从镀膜装置18的表面逆向折返，重新到达光指示器16，因此线波15沿其到达方向被反射回。为此，通过测量发出振荡及返回振荡时间之差，就可得到线波速度。当然，这需要在已知光指示器16和镀膜装置18之间距离X的情况下。实际上，拉纤塔内规定距离X为3至4米。在这种情况下，应注意到线波脉冲也向上运动趋向处于熔化状态的玻璃原料，即玻璃坯。由于熔化的玻璃有效地缓冲振荡，因此不会从熔化的未成形玻璃上收到反射。重要的是要注意到扬声器12使光纤11形成所谓的线性偏振运动，即光纤11在垂直于光指示器16的测量方向的自身平面内振荡，而不是例如在一环形偏振平面内振荡。在这种情况下，例如，光纤11直径的光学测量不受影响。当线波15沿光纤11运行时必达光纤上下顶端，但如前所述，不会有来自光波顶端的反射，而到达镀膜装置18的光波必会充分折返，从而允许按测量原理测量。图2表示反射的形成以及在光纤维11上存在沿相反方向行进的两个光波脉冲的情况。同样应注意光纤11上并不形成静止线波，而是明确形成运行线波。借助置于扬声器下方的光检测器，在所述指示器与镀膜装置之间距离X已知的情况下，由所述振荡时间差可相对容易地测量出其行进速度。

图2表示发出线波脉冲15和从镀膜装置18返回的线波脉冲19经过所示指示器16旁的情况，在此，指示器16前面的光纤振荡通过一发光二极管灯17照射，在这种情况下投射到指示器16的光纤11影像的运动可被电子监控。由光指示器16产生的电信号被传送到计算机14进行分析，从而用传统的计算机14测算法，并由前面给出的公式计算出线波运行速度和光纤11的拉伸应力。

光纤11的控制速度约为每秒4到10米。另一方面，在普通采用的拉力情况下，线波15在光纤控制过程中的速度为每秒约100米。因此，这意味着由于受光纤11内在运动的影响，测量的误差约为5％到10％。这样的误差无疑是有害的，因此必须得到弥补。光纤的内在速度可以补偿，例如，利用计算机在已知光纤11拉制速度的情况下进行计算弥补。困难的是，当拉纤刚刚开始，光纤11处于加速运动状态，称之为“提升”状态，此时得知拉伸应力极为重要。利用计算机14对光纤11速度进行连续补偿十分不便。本发明的特点之二即是能够对光纤速度进行自动补偿，因为从扬声器12这一角度来看，光纤11上的线波是相对于光纤11的运动“向上”和“向下”双向运动的。

当线波15开始行进时，一波随光纤11的运动同向向下行进，而折返波却与光纤11行进方向相反逆向上行。光纤11的内在运动在每一线波中形成一种速度误差，这些误差符号相反。当首先测出下行线波速度，再测出折返上行线波的速度，光纤11的内在速度可被自行消除，因为光纤11的内在运动加在一个波上，而却从另一个波中被减去。即可获得在光纤11内在速度不存在的情况下的线波15的速度值。因此，只需要一台光学测量检测器。

为了计算拉力必须知道单位长度光纤11的密度。这一点可由光测量光纤11的直径而得到。所有拉纤塔内都配置有一光纤直径表，该直径表经常利用计算机控制的显示器摄像机(CCD camera)。因为光纤11的振动为线性偏振运动，该种振动的偏振可被这样设置，即不会影响光纤11直径的检测。

光纤11的振动也会影响光纤11的拉伸和镀膜，从而造成光纤的粗细不均。实际上，振幅依光纤11的直径大小不同而不同，因为振动会被聚合物镀膜装置18和熔化的玻璃快速缓解，因此振动的有害影响微乎其微。

综上所述，本发明与现有技术有着本质的不同。本发明仅利用一个光指示器16测量光纤11的拉伸应力，同时自动补偿由光纤11内在拉伸速度引起的拉应力误差。随着拉纤速度的不断提高，对速度误差的补偿将会尤为重要。

Claims

1.一种测量装置(10)，用于测量光纤(11)或相似导线的拉伸应力，该测量装置(10)具有一用于在光纤(11)上形成振荡脉冲(150)的装置(12)，该振荡脉冲以一定的预置频率振动并以一线性偏振线波(15)行进，以及有一光位置-传感指示器(16)，用来测量线波(15)的行进速度(V)，该测量装置还设有一照明装置(17)，用于照射光纤维(11)，因而将振动光纤的影像投射到指示器(16)上，由此当单位长度光纤质量(M)已知时，由公式T＝V2·M可计算出光纤(11)的拉伸应力(T)，其特征在于，该测量装置(10)中的指示器(16)适合测量发出线波脉冲(15)的经过时间及从镀膜装置(18)折返的线波脉冲(19)的经过时间，在已知指示器(16)与镀膜装置(18)之间距离(x)的情况下，通过测量发出振荡波与到达振荡波之间的时间差求得线波运行速度。

2.按照权利要求1所述的测量装置，其特征在于，该指示器(16)包括一个光指示器或一等同的位置-传感光指示器，在这种情况下，由于线波脉冲(15，19)在相反的方向上行进，由光纤(11)的内部拉伸速度在线波(15)的速度中产生的误差以一足够的精确度被自动消除。

3.如权利要求1或2所述的测量装置，其特征在于，在光纤(11)上引起的弯曲(150)和在光纤(11)上形成的线波(15)适合于在一偏振平面内振荡，该偏振平面与指示器(16)的光学测量轴相垂直。

4.如权利要求1到3中任一项所述的测量装置，其特征在于，在光纤中产生振荡脉冲(150)的装置(12)是一扬声器，在其前面有一窄缝(13)，该缝与光纤(11)平行，因而在光纤中行进的振荡脉冲(150)变成线性偏振波。