CN1193736A - 光纤拉丝张力测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种利用光纤振动波形测定所要求的拉丝张力的方法,从而提供不受噪声影响,可正确、稳定、容易地检测振动波形频谱峰值频率的手段。前提是对拉丝时的光纤,由光纤线振动波形的频率峰值求基本频率,由该基本频率求光纤的拉丝张力。检测光纤线振动波形的频谱峰值时,在预测含峰值频率的频率范围内进行第一次峰值频率检索,然后使峰值频率检索的中心值分别移动至上次检出的峰值频率,以这种状态进行第二次及以后各次的峰值频率检索。

Description

光纤拉丝张力测定方法

本发明属性光纤制造技术领域，它涉及正确、稳定地测定光纤拉丝张力的一种改进方法。

在典型的光纤制造方法中，边从下端部加热熔融光纤母材，边把该母材熔融部拉伸成线状。再用树脂等被覆刚被加热拉伸的光纤表面。用这种加热拉伸手段制造光纤通常称为拉丝。

在上述方法中，边对光纤进行拉丝边在光纤表面形成被覆层时，为了检查光纤被覆是否合适，测定被覆前后的光纤拉丝张力。附带提及，当被覆前后光纤拉丝张力差别很大时，常常会发生光纤的断线事故(即，生产流水线故障)。产生这种情况时，要采取措施，改变被覆树脂的熔融温度等，使被覆前后的光纤拉丝张力能适当保持不变。光纤的拉丝张力还对光纤传输特性产生影响。例如，若承受超过所需张力的光纤，留有内部失真却依然进行被覆，则被覆光纤的传输损耗变大。因而，测定光纤的拉丝张力，根据该测定值适当地设定拉丝张力，对于获得传输损耗更小的光纤也是重要的。

作为测定光纤拉丝张力时的一种手段，已知的方法是利用拉丝时光纤的振动波形。该方法是由测得的振动波形的频谱峰值求基本频率(固有频率)f，然后把该基本频率f代入式[T＝(2·L·f)²·ρ·α]，求得目的张力T。式中，L是在光纤上形成第1被覆层时，光纤母材与涂布模(coating dies)(第1涂布模)间的距离，或在光纤上形成第2被覆层时，两个涂布模(第1涂布模与第2涂布模)间的距离，ρ是线密度，α是修正系数。

图4(A)、(B)是对光纤的振动波形频谱实际测定的结果。其中，图4(A)表示光纤线速为100m/分、峰值频率为5.664063Hz时的振动波形频谱。图4(B)是光纤线速为980m/分、峰值频率为7.1289006Hz时的振动波形的频谱。

参照图4(A)、(B)即可明了，实际得到的光纤的振动波形频谱，除基本频率外，还含有噪声。不言而喻，该频谱含噪声时，不能正确地求得拉丝时的光纤张力，由此，也不能适当地设定光纤张力。因此，在用上述手段对光纤进行拉丝并在光纤表面形成被覆层时，不能满足避免光纤断线事故及抑制光纤传输损耗增大的要求。

本发明的目的在于解决上述技术课题，即，本发明对利用光纤振动波形测定所需拉丝张力的方法，提供一种该振动波形频谱峰值频率不受噪声影响，从而能正确、稳定且方便地进行检测的手段。

为达到预期目的，本发明权利要求1所记载的光纤拉丝张力测定方法，以下述课题解决手段为特征。即，权利要求1所述的课题解决手段，在一种对拉丝时的光纤，由光纤线振动波形的频谱峰值求基本频率，并由该基本频率求光纤拉丝张力方法中，当检出光纤线振动波形频谱峰值时，在预测含峰值频率的频率范围内作第一次峰值频率检索；然后在使峰值频率检索的中心值各自移动至上次检出的峰值频率的状态下，进行第二次及以后各次的峰值频率检索。

为达到预期目的，本发明权利要求2所记载的光纤拉丝张力测定方法，以下述课题解决手段为特征。即，权利要求2所述的课题解决手段，在一种对拉丝时的光纤，由光纤的线振动波形的频谱峰值求基本频率，并由该基本频率求光纤拉丝张力的光纤拉丝张力测定方法中，当检出光纤线振动波形的频谱峰值时，预先设定该频谱峰值的预测值(a)及每次测定可能变化的峰值移动量(b)；在(a-b)至(a+b)频率范围内进行第一次峰值频率检索，然后分别将上次检出的峰值(c)当作峰值频率检索的中心值，在(c-b)至(c+b)的频率范围内进行第二次及以后各次的频率检索。

本发明权利要求3所述的光纤拉丝张力测定方法，在权利要求1或2所述的方法中，将预先设定的不移动峰值频率范围的上限值及下限值当作检出时的上限、下限，检测频谱峰值。

本发明权利要求4所述的光纤拉丝张力测定方法，在权利要求1至3中任一所述的方法中，对光纤线振动波形施加与检索范围的频率区域相当的带通滤波，使之变换成简谐振动波形数据，并由所述变换后的数据检测频谱峰值。

本发明权利要求5所述的光纤拉丝张力测定方法，在如权利要求1至4中任一所述的方法中，设拉丝时光纤张力为T、拉丝时由光纤振动波形频谱峰值求得的基本频率为f、在拉丝的光纤上形成第1被覆层时，光纤母材与第1涂布模间的距离或在拉丝光纤上形成第1被覆层和第2被覆层时第1与第2涂布模间的距离为L、线密度为ρ、修正系数为α时，由已测定的振动波形的频谱峰值求基本频率f，把该基本频率f代入式[T＝(2·L·f)²·ρ·α]求得张力T。

本发明权利要求1所述方法中，当检出光纤线振动波形频谱峰值时，在预测含峰值频率的频率范围内进行第一次峰值频率检索，且使峰值频率检索的中心值各自移动至上次检测的峰值频率，以这种状态进行第二次及以后各次的峰值频率检索。由于通过缩小峰值频率的检索范围，排除噪声，检出所要求的频谱峰值，因而易于以正确且稳定的状态进行检测。在使峰值频率检索的中心值移动至上次检出的峰值频率进行检索的第二次及以后各次的检索中，更容易在排除噪声的状态下进行频谱峰值检测。

本发明权利要求2所述的方法中，当检出光纤线振动波形频谱峰值时，预先设定频谱峰值的预测值(a)及每次测定中可能变化的峰值移动量(b)，在(a-b)至(a+b)的频率范围内进行第一次频率检索，然后分别将上次检出的峰值(c)当作峰值频率检索的中心值，在(c-b)至(c+b)的频率范围内进行第二次及以后各次的频率检索。这种方法，由于可根据情况适当设定a、b值，频率检索范围由a、b设定，可排除噪声。因而，与上述同样，易于以正确且稳定的状态进行所需要的检测。在该方法中，使上次检得的峰值频率为峰值频率检索的中心值的第二次及以后各次的检索，也与上述同样，更易于以排除噪声的状态进行频谱峰值检测。

本发明权利要求3所述的方法，在权利要求1或2所述的方法中，将预先设定的不移动峰值频率范围的上限值和下限值当作检测时的上限、下限，进行频谱峰值检测。在该上限值与下限值间必然存在频谱峰值。因而，即使频率检索范围变更后，也不检索不存在峰值的其它范围。

本发明权利要求4所述的方法，在权利要求1或2的方法中，对光纤线振动波形施加与检索范围的频率区域相当的带通滤波，使之变换成简谐动波形数据，并由该变换后的数据检测频谱峰值。在使用这种方法计算频率时，可以用易于构成的手段，高速求得与傅里叶变换等频谱计算法同等的运算结果。

本发明权利要求5所述的方法，在权利要求1至4中任一所述方法中，把由测得的振动波形的频谱峰值求得的基本频率f代入式[T＝(2·L·f)²·ρ·α]，求得张力T。该式是已知的。但该式与本发明各手段合并使用，可正确、稳定、容易地检测目的张力。

图1是本发明方法一实施例连同其中所用手段及光纤拉丝装置的示意图。

图2是本发明方法所涉及的、求光纤拉丝张力时各步骤的示例流程图。

图3是与本发明方法有关的、监测分别作用于一次被覆光纤及二次被覆光纤的张力的差并示出其结果的曲线图。

图4是与本发明方法有关的、表示检测基于光纤线振动波形频谱峰值频率时的两个具体数据的频谱图。

图5是与本发明有关的、表示光纤实际线振动波形的图。

图6是与本发明有关的、对图5的线性波形施加带通滤波，对其作信号变换时的信号波形图。

对于本发明涉及的光纤拉丝张力测定方法，参照附图说明其一个实施例。

示于图1的拉丝装置，按光纤母材2→光纤4a→一次被覆光纤4b→二次被覆光纤4c的顺序，以光纤母材2为初始母材，连续制造二次被覆光纤4c。其中，在图1同装置的加热炉1与转向滑轮23之间，自上而下顺次配置：外径测定器5、冷却器6、第1非接触式振动检测传感器7、第1涂布模9、第1被覆固化装置10、第2非接触式振动检测传感器11、第2涂布模16、第2被覆固化装置17、第3非接触式振动检测传感器18等。

加热炉1内设圆筒形的碳制加热器3。对插入加热炉1中由加热器3从下端部加热熔融的、例如石英玻璃系列的光纤母材2，拉伸该母材熔融部(下端部)，由此成为光纤4a。环形的外经测定器5测定刚拉出加热炉1外(刚拉丝后)的光纤4a的外径。制成细长圆筒形的冷却器6，冷却通过外径测定器5后的光纤4a。第1非接触式振动检测传感器7用于电气上测出通过其内部的光纤4a的振动，它例如由激光式位移计构成。第1涂布模9用于在通过其内部的光纤4a的外周面上形成热固性树脂或紫外线固性树脂制的初始涂层。第1被覆固化装置10用于固化通过其内部的一次被覆光纤4b的被覆层(初始涂层)。至于第1被覆固化装置10，在初始涂层是热固性树脂时例如采用加热式的，在该涂层是紫外线固化树脂时例如采用紫外线照射式的。第2非接触式振动检测传感器11用于电气上测出通过其内部的一次被覆光纤4b的振动，第3非接触式振动检测传感器18用于电气上测出通过其内部的二次被覆光纤4c的振动，这些传感器与上述传感器7实质上相同。第2涂布模16和第2被覆固化装置17也与上述涂布模9及被覆固化装置10分别实质上相同或以这些装置为标准。转向滑轮23对通过第3非接触式振动检测传感器18后的二次被覆光纤4c，改变其方向，导向未图示的卷绕机。

图1中的一个传感测定系统由第1及第2非接触式振动检测传感器7、11，第1及第2张力测定器8、12，第1张力差运算器13，第1判定部14，第1标准值设定器15等构成。这一系列的设备按第1非接触式振动检测传感器7→第1张力测定器8→第1张力差运算器13→第1判定部14的方式电气连接，又按第2非接触式振动检测传感器11→第2张力测定器12→第1张力差运算器13→第1判定部14的方式电气连接。此外，第1标准值设定器15还与第1判定部14电气连接。图1中的另一个传感测定系统由第2及第3非接触式振动检测传感器11、18，第2及第3张力测定器12、19，第2张力差运算器20，第2判定部21，第2标准值设定器22等构成。这一系列设备按第2非接触式振动检测传感器11→第2张力测定器12→第2张力差运算器20→第2判定部21的方式电气连接，又按第3非接触式振动检测传感器18→第3张力测定器19→第2张力差运算器20→第2判定部21的方式电气连接。此外，第2标准值设定器22还与第2判定部21电气连接。

上述构成中，第1张力测定器8用于根据由第1非接触式振动检测传感器7输入的信号算出光纤4a的张力Ta1，同样，第2张力测定器12用于根据由第2非接触式振动检测传感器11输入的信号算出一次被覆光纤4b的张力Tb1(＝Ta2)，第3张力测定器19用于根据由第3非接触式振动检测传感器18输入的信号算出二次被覆光纤4c的张力Tb2。第1张力差运算器13计算由第1张力测定器8算出的张力Ta1与第2张力测定器12测定的张力Tb1之差(Tb1-Ta1)，第2张力差运算器20计算第2张力测定器12测定的张力Ta2(＝Tb1)与第3张力测定器19测定的张力Tb2之差(Tb2-Ta2)。第1标准值设定器15具有要与张力差(Tb1-Ta1)比较的标准值，第2标准值设定器22具有要与张力差(Tb2-Ta2)比较的标准值。第1判定部14通过运算比较由第1张力差运算器13输入的张力差(Tb1-Ta1)与第1标准值设定器15输入的标准值，从而判定一次被覆光纤4b的被覆状态是否正常。第2判定部21通过运算比较第2张力差运算器20输入的张力差(Tb2-Ta2)与第2标准值设定器22输入的标准值，从而判定二次被覆光纤4c的被覆状态是否正常。

在图1例示的装置中，由第1～第3张力测定器8、12、19，第1-第2张力差运算器13、20，第1～第2判定部14、21及第1～第2标准值设定器15、22等构成的部分例如可由微机组成。

采用图1的拉丝装置且以光纤母材2为初始母材分段地连续制造光纤4a、一次被覆光纤4b、二次被覆光纤4c时的过程如下。

以低速且定速插入加热炉1内的光纤母材2，由炉内加热器3从下端部加热熔融，同时高速拉出该熔融部，由此成为极细的光纤4a。刚离开加热炉的光纤4a由外径测定器5测定外径，在随后的冷却器6内冷却。通过冷却器6的光纤4a由第1非接触式振动检测传感器7检测振动后，接受由第1涂布模19涂布的树脂涂层，成为一次被覆光纤4b，该一次被覆层由第1被覆固化装置10固化。通过被覆固化装置10的一次被覆光纤4b由第2非接触式振动检测传感器11检测振动后，接受第2涂布模16涂布的树脂涂层，成为二次被覆光纤4c，该二次被覆层由第2被覆固化装置17固化。通过第2被覆固化装置17的二次被覆光纤4c，由第3非接触式振动检测传感器18检测振动后，经转向滑轮23由卷绕机(未图示)卷绕。

在参照图1叙述的上述实施例中，配置在预定位置的第1～第3各非接触式振动检测传感器7、11、18分别检测光纤4a、一次被覆光纤4b、二次被覆光纤4c等的振动。从第1非接触式振动检测传感器7输入振动检测信号的第1张力测定器8计算光纤4a的张力Ta1，从第2非接触式振动检测传感器11输入振动检测信号的第2张力测定器12计算一次被覆光纤4b的张力Tb(＝Ta2)，从第3非接触式振动检测传感器18输入振动检测信号的第3张力测定器19计算二次被覆光纤4c的张力Tb2。另一方面，从第1、第2张力测定器8、12输入两个张力Ta1、Tb1的第1张力差运算器13求出此二张力的差(Tb1-Ta1)，并把该差输入第1判定部14；从第2、第3张力测定器12、19输入两个张力Ta2、Tb2的第2张力运算器20求出此二张力的差(Tb2-Ta2)，并输入至第2判定部21。再叙述第1判定部14及第2判定部21，从第1标准值设定器15向第1判定部14输入标准值，从第2标准值设定器22向第2判定部21输入标准值。因而，第1判定部14通过运算比较该标准值与实际的张力差(Tb1-Ta1)，判定一次被覆光纤4b的被覆状态，第2判定部21也通过运算比较标准值与实际张力差(Tb2-Ta2)，判定二次被覆光纤4c的被覆状态。作为这种判定的结果，当判明光纤一次被覆异常或二次被覆异常时，可适当变更或修正各被覆条件，从而防止不测事故于未然。

在本发明的方法中，用非接触式振动检测传感器检测光纤振动，并根据该检测数据用张力测定器求光纤张力时，作为一个具体例子，可采用示于图2的下述步骤ST1～ST7。在步骤ST1，设定频谱的峰值检索范围条件。在步骤ST2，取标准间隔为20ms，从第1、第2非接触式振动检测传感器7、11读取20秒线位置数据，该20秒中读取的线位置数据在时间上划分为4组，然后分别贮存。在步骤ST3，用FFT(快速傅里叶变换)运算各数据组的数据，分别求离散数据的傅里叶分量。在步骤ST4，根据各数据组数据的FFT运算结果，对这些数据取平均，即进行频谱计算，借此求频谱峰值位置平均值。步骤ST5，在上一步骤求得的频谱数据范围内，检索峰值频率。步骤ST6，由上一步骤检索得的频谱峰值求基本振动频率f，然后，把f值代入式[T＝(2·L·f)²·ρ·α]，求光纤张力T。在步骤ST7，显示上一步骤求出的光纤张力T并存贮该张力T。

在本发明方法中，检测频谱峰值时的顺序大致如下。即，第一次峰值频率检测在预测含峰值频率的频率范围内进行，而第二次及以后的峰值频率检索，使峰值频率检索中心值各自移动至上述检出的峰值频率，以这种状态进行检索。这样进行检索的原因，参照上述发明效果部分所述内容即可明了。

频谱峰值的具体检测希望以下述顺序进行。预先设定频谱峰值的预测值(a)及每次测定中可能变化的峰值移动量(b)，在(a-b)至(a+b)的频率范围内进行第一次峰值频率检索，把上次检出的峰值(c)分别作为峰值频率检索的中心值，在(c-b)至(c+b)的频率范围内进行第二次及以后各次的峰值频率检索。这样做的原因由上述发明效果部分的内容即可明了。这种情况下，最好把预先设定的不移动峰值频率范围的上限值及下限值作为检出时的上、下限进行检测。其原因也已在本说明书的发明效果部分说明。

显然，在光纤4a以各种形态被一次被覆或二次被覆时，张力Ta2作用于一次被覆光纤4b，张力Tb2作用于二次被覆光纤4c。因此，以各种形态被覆光纤时，监测上述张力差(Tb2-Ta2)。监测结果示于图3。参照图3，显然，被覆正常进行时张力相对小。但不管用什么条件被覆，因为产生异常的高张力，不能高速被覆，还往往发生光纤断线事故。若由图3的监测结果判断为必须采取消除异常高张力措施时，则采用该措施。作为具体情况，在光纤低速被覆时产生高张力时，提高第2涂布模16中的涂覆树脂的温度来降低张力，或使第1涂布模9涂覆的一次被覆层外径减小，或同时采用上述两措施。

在本发明的方法中，对光纤线振动波形施加与检索范围的频率区域相当的带通滤波，把该振动波形变换成简谐振动波形数据，由该变换后的数据检出频谱峰值。下文，参照图5、图6具体说明该实施例。图5表示光纤的实际线振动波形(采样频率50Hz)。对图5的线振动波形的频率(Hz)检索范围，例如与上述相同设定为(a-b)至(a+b)的范围，并使该范围的线振动波形接受与该设定范围相当的带通滤波。带通滤波器可以是模拟型或数字型，带通滤波器为数字型时，作为一个例子，取i＝1～m时， $y\left(i\right)=\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}h\left(j\right)y(i-j),h\left(n\right)=\frac{1}{-n}\sin \left(W_{L}n\right)\·2\cos \left(W_{H}n\right)$ ，其中，W_L为下截止频率，W_H为上截止频率，1～m为数据量，n为滤波器阶。图6表示对上述检索范围的线性波形施加带通滤波作信号变换时所得的结果。，其中采样频率为50Hz，n＝6，W_L相应于5Hz，W_H相应于11Hz。参照图6可知，由该信号变换得到的数据接近于简谐振动的波形。根据图6的数据，计算一定时间内的峰值数或一定时间内超过一定电平的次数，从而求简谐振动波形的周期(频率)。在这种情况下，在(a-b)至(a+b)频率范围内进行的峰值频率检索为第一次检索，把上次检出的峰值(c)分别作为峰值频率检索的中心值，在(c-b)至(c+b)的频率范围内进行的第二次及以后各次的峰值频率检索中，也按照上文所述，对光纤的线振动波形施加带通滤波，把它变换成简谐振动波形，由变换后的数据求简谐振动波形的周期(频率)。然后，根据这样求得的频率求出光纤的拉丝张力。在以上述要领采用带通滤波的实施例中可更高速地计算频率，具体的测定装置可以是易于构成的个人计算机或可编程控制器，由于能得到与傅里叶变换等的频谱计算法同等的运算结果，因而成为求目的张力的极有利的手段。这种实施方式，测定时间没有延滞，在连续监测峰值频率时也是有效的。

本发明的方法由光纤线振动波形的频谱峰值求光纤基本频率，在由该基本频率求光纤拉丝中的张力时，缩小峰值频率的检索范围，排除噪声。因而，频谱峰值的检出在正确和稳定的状态下易于进行，这就对正确、稳定地测定光纤拉丝张力作出贡献。因此，使用本发明的方法能确实避免光纤拉丝时难以预料的故障发生及光纤传输损耗的增加。

Claims (5)

1.一种对拉丝时的光纤，由光纤线振动波形的频谱峰值求基本频率，并由该基本频率求光纤拉丝张力的光纤拉丝张力测定方法，其特征在于，当检出光纤线振动波形频谱峰值时，在预测含峰值频率的频率范围内作第一次峰值频率检索；在使峰值频率检索的中心值各自移动至上次检出的峰值频率的状态下，进行第二次及以后各次的峰值频率检索。

2.一种对拉丝时的光纤，由光纤的线振动波形的频谱峰值求基本频率，并由该基本频率求光纤拉丝张力的光纤拉丝张力测定方法，其特征在于，当检出光纤线振动波形的频谱峰值时，预先设定该频谱峰值的预测值(a)及每次测定可能变化的峰值移动量(b)；在(a-b)至(a+b)频率范围内进行第一次峰值频率检索；分别将上次检出的峰值(c)当作峰值频率检索的中心值，在(c-b)至(c+b)的频率范围内进行第二次及以后各次的频率检索。

3.如权利要求1或2所述的光纤拉丝张力测定方法，其特征在于，将预先设定的不移动峰值频率范围的上限值及下限值当作检出时的上限、下限，检测频谱峰值。

4.如权利要求1至3中任一所述的光纤拉丝张力测定方法，其特征在于，对光纤线振动波形施加与检索范围的频率区域相当的带通滤波，使之变换成简谐振动波形数据，并由所述变换后的数据检测频谱峰值。

5.如权利要求1至4中任一所述的光纤拉丝张力测定方法，其特征在于，设拉丝时光纤张力为T、拉丝时由光纤振动波形频谱峰值求得的基本频率为f、在拉丝的光纤上形成第1被覆层时，光纤母材与第1涂布模间的距离或在拉丝光纤上形成第1被覆层和第2被覆层时第1与第2涂布模间的距离为L、线密度为ρ、修正系数为α时，由已测定的振动波形的频谱峰值求基本频率f，把该基本频率f代入式[T＝(2·L·f)²·ρ·α]求得张力^T。

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