CN203269780U - 一种光纤预制棒的制造设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型一种光纤预制棒的制造设备涉及的是一种光纤预制棒制造领域，具体地说，是利用红外热像技术采集粉末棒头表面温度，并参与控制气体流量的一种设备。使用该设备能够做到对气体流量的实时调整，以便实现对粉末棒密度的精确控制，防止由于密度梯度大而导致粉末棒开裂，从而提升产品质量。包括塔体、预制棒沉积腔体、电机一、电机二、卡盘、丝杆、金属吊杆、导轨、石英腔体、石英靶棒、石英喷灯一、石英喷灯二、SiCl4原料罐、GeCl4原料罐、液态Ar储罐、液态O2储罐、H2储罐、气体控制柜、电磁阀一、电磁阀二、中央处理器、红外热像仪、排风管、前处理塔、电除尘塔和洗涤塔。
Description
技术领域
本实用新型一种光纤预制棒制造设备涉及的是光纤预制棒制造领域，具体地说，是利用红外热像技术采集粉末棒头表面温度，并参与控制气体流量的一种设备。使用该设备能够做到对气体流量的实时调整，以便实现对粉末棒密度的精确控制，防止由于密度梯度大而导致粉末棒开裂，从而提升产品质量。
背景技术
目前，轴向气相沉积法使用的气体，其流量主要是通过质量流量控制器（简称MFC）进行控制。MFC控制流量是通过预先设定若干个阶段，对每个阶段赋予恒定的流量，在粉末棒的沉积过程中，气体按照预先设定的流量进行供应。通过MFC进行气体流量的控制，存在一个弊端：不能实时调整气体流量，不利于对粉末棒密度的精确控制。
有数据表明，使用轴向气相沉积法制备的粉末棒，由于在沉积时各层喷灯火焰温度不同，其密度呈现梯度分布。如图一，其中，①、②两处是火焰的交界处。大量事实表明，此两处密度越低，发生开裂的几率越大。
中国发明专利200610129070.2介绍了一种通过温度测量单元探测预制棒垂直轴线上的温度分布，并通过调整气体流量、火焰焦点距离及喷灯角度，将温度控制在要求范围内的方法。但是，该方法存在两个弊端。其一，该方法捕捉的是线上温度，不能反映整个棒头的温度分布状况，对棒头温度的变化响应不灵敏。其二，该方法中提及对喷灯角度进行调整，喷灯角度的调整会使预制棒棒头形状、尺寸发生显著变化，从而导致预制棒的芯层直径与包层直径的比值发生改变。实际上，在大规模生产中，要求芯层直径与包层直径的比值应相对稳定。
中国发明专利200610142065.5介绍了一种通过温度测量单元探测预制棒末端温度及纤芯下部温度，并计算其差值，据此控制预制棒轴向运动的方法。但是该方法同样存在两个弊端。其一，该方法捕捉的是线上温度，不能反映整个棒头的温度分布状况，对棒头温度的变化响应不灵敏。其二，预制棒生产过程中的实时变速，可能会导致芯层折射率的明显变化，使预制棒轴向参数整体稳定性变差。
发明内容
本实用新型目的是针对上述不足之处，提出一种光纤预制棒的制造设备。本实用新型能够克服当前的工艺不能对气体流量进行实时调整、对粉末棒密度进行精确控制的问题，提出一种基于面温度采集技术，实时调整气体流量、精确控制粉末棒密度的制造设备，能够有效防止密度梯度大而导致粉末棒开裂，从而提升产品质量。
一种光纤预制棒的制造设备是采取以下技术方案实现：
一种光纤预制棒的制造设备包括塔体、预制棒沉积腔体、电机一、电机二、卡盘、丝杆、金属吊杆、导轨、石英腔体、石英靶棒、石英喷灯一、石英喷灯二、SiCl4原料罐、GeCl4原料罐、液态Ar储罐、液态O2储罐、H2储罐、气体控制柜、电磁阀一、电磁阀二、中央处理器、红外热像仪、排风管、前处理塔、电除尘塔和洗涤塔。
在石英腔体上方安装预制棒沉积腔体，在塔体上安装导轨，卡盘与丝杆相连，电机一控制丝杆旋转，以使卡盘沿导轨上升和下降，电机二控制卡盘旋转。金属吊杆装夹在卡盘上，石英靶棒装入金属吊杆中，用于在沉积过程中附着粉末。
石英喷灯一、石英喷灯二分别安装在石英腔体右侧，石英喷灯一和石英喷灯二的喷灯口在石英腔体内部。
SiCl4原料罐、GeCl4原料罐、液态Ar储罐、液态O2储罐、H2储罐中的气体分别通过管道进入气体控制柜内部，由质量流量控制器MFC控制气体流量，并继续分别经管道进入石英喷灯一、石英喷灯二。
石英腔体左侧安装有红外热像仪，红外热像仪通过信号线与中央处理器相连。与石英喷灯一、石英喷灯二相连的H2管路上分别装有电磁阀一、电磁阀二，通过控制线与中央处理器相连。
所述的中央控制器接收红外热像仪的反馈信号，计算温度偏差，并运用PlD控制原理控制H2管路上的电磁阀、电磁阀开度，以调节进入石英喷灯一、石英喷灯二的H2气流量。所述的中央控制器采用由CHINO公司制造的CP350/370系列计算机，安装有PID控制器（比例-积分-微分控制器），设置有控制程序。
石英腔体左上部设置有排风管，排风管与前处理塔相连通，前处理塔通过管道与电除尘塔相连，电除尘塔通过管道与洗涤塔相连，用于收集、处理反应过程中产生的尾气。
所述的气体控制柜内安装有若干台质量流量控制器MFC,由安装在主控柜电脑上的程序控制其流量。
一种光纤预制棒的制造方法如下：
1. 气体供应
将SiCl4原料罐、GeCl4原料罐、液态Ar储罐、液态O2储罐、H2储罐中的气体分别通过管道进入气体控制柜内部，由质量流量控制器MFC控制气体流量，并继续经管道进入石英喷灯一、石英喷灯二。其中，每个气体管道（气路）上配置的质量流量控制器MFC（例如AE FC-7800CD系列质量流量控制器），用于控制不同阶段的气流量。
SiCl4流量可在0.1g/min～20g/min间调整，在高温情况下火焰水解生成SiO2，用于形成预制棒的包层与芯层；GeCl4流量可在0.01g/min～1.0g/min间调整，在高温情况下火焰水解生成GeO2，掺杂在芯层以提高芯层折射率。输送SiCl4、GeCl4的管道表面需要敷设加热带，温度控制在100℃
H2流量可在0.1L/min ～30L/min间调整；O2流量可在0.1L/min～50L/min间调整，其中，H2起燃烧作用，O2起助燃作用，另外，为了让H2完全反应，在流量设定时，需要将O2流量设置成富余的。
Ar流量可在0.1L/min到10L/min间调整。作用有二：一，作为载气，运载原料气体；二，将H2、 O2隔开，防止其在喷灯内混合、反应。
2. 沉积粉末棒
首先将一根用于堆积粉末的石英靶棒装入金属吊杆，开启电机一，使金属吊杆下降到指定位置后，开启电机二，使金属吊杆旋转。点火，旋即开始火焰水解反应，粉末开始沉积在石英靶棒表面。在主控柜上开启自动控制模式，运行控制程序之后，金属吊杆牵引石英靶棒旋转和上升，其中控制程序由Visual Basic软件编辑而成，通过信号线与设备连接。
在沉积过程中，需要将石英腔体内压控制在一个相对稳定的范围，金属吊杆保持一定的旋转速度与提升速度。其中，石英腔体内压控制在30±5Pa，旋转速度控制在10rpm，提升速度控制在35mm/h。
3. 红外热图像的采集与反馈控制
通过红外热像仪，采集粉末棒头表面温度，进行A/D转换，并通过数据线将转换成的数字信号传输至中央处理器，由中央处理器分析粉末棒头表面温度变化，并发出动作指令，控制电磁阀、电磁阀的阀门开度，从而达到实时调整气体流量的目的，制成光纤预制棒。
4. 尾气收集、处理
通过排气管，将尾气输送到废气处理设备进行处理。废气处理设备包括前处理塔、电除尘塔和洗涤塔。其中，前处理塔主要作用是，对尾气进行降温处理；电除尘塔主要作用是，通过高压放电，使粉尘带电并将其吸附；洗涤塔主要作用是，利用NaOH溶液和尾气中的HCl、HF等酸性气体进行中和反应。通过以上一系列处理措施，使尾气达到排放标准。
本实用新型光纤预制棒的制造方法及其制造设备设计合理，本实用新型能够克服当前的工艺不能对气体流量进行实时调整、对粉末棒密度进行精确控制的问题，提出一种基于面温度采集技术，实时调整气体流量、精确控制粉末棒密度的方法及其制造设备，能够有效防止密度梯度大而导致粉末棒开裂，从而提升产品质量。
本实用新型的光纤预制棒的制造方法及其制造设备优点在于：
1. 在整个沉积过程中，利用红外热像的面温度采集技术，可以实时获取粉末棒头表面的温度变化，并及时作出响应，调整气体流量，从而将粉末棒头温度控制在一个相对稳定的范围内，防止由于温度变化幅度大而带来的密度的显著变化，使粉末棒的密度变得实时可调和可控；
2. 通过这种方法，能够精确控制粉末棒的密度，避免层与层之间密度梯度
3. 大而导致粉末棒开裂，从而提升产品质量。同时，让整个预制棒制造过程变得更加自动化、智能化。
附图说明
图1是粉末棒密度分布示意图，其中横轴表示粉末棒的横向半径，纵轴表示粉末棒横截面上的密度。
图1中，①、②标出的分别是几个喷灯的交界处，开裂容易发生在此处。
图2是本实用新型的设备示意图。
图3是本实用新型涉及的闭环控制原理图。
图4是PID控制原理图，其中，R(t)是给定值，Y(t)是系统的实际输出值。偏差值E(t)= Y(t)- R(t)，偏差值 E(t)作为PID控制器的输入，U(t)作为PID控制器的输出和被控对象的输入。本实用新型中,比例P，积分I、微分D分别可在0.1%～100%、0.01～60、0.01～10范围内调节。
图5是实施例一的粉末棒密度分布图。
图6是实施例二的粉末棒密度分布图。
具体实施方式
参照附图1～6，一种光纤预制棒的制造设备包括塔体1、预制棒沉积腔体2、电机一3、电机二4、卡盘5、丝杆6、金属吊杆7、导轨8、石英腔体9、石英靶棒10、石英喷灯一11、石英喷灯二12、SiCl4原料罐13、GeCl4原料罐14、液态Ar储罐15、液态O2储罐16、H2储罐17、气体控制柜18、电磁阀一19、电磁阀二20、中央处理器21、红外热像仪22、排风管23、前处理塔24、电除尘塔25和洗涤塔26。
在石英腔体9上方安装预制棒沉积腔体2，在塔体1上安装导轨8，卡盘5与丝杆6相连，电机一3控制丝杆6旋转，以使卡盘5沿导轨8上升和下降，电机二4控制卡盘5旋转。金属吊杆7装夹在卡盘5上，石英靶棒10装入金属吊杆7中，用于在沉积过程中附着粉末。
石英喷灯一11、石英喷灯二12分别安装在石英腔体9右侧，喷灯口在石英腔体9内部。SiCl4原料罐13、GeCl4原料罐14、液态Ar储罐15、液态O2储罐16、H2储罐17中的气体分别通过管道进入气体控制柜18内部，由质量流量控制器MFC28～36控制气体流量，并继续分别经管道进入石英喷灯一11、石英喷灯二12。
石英腔体9左侧安装有红外热像仪22，红外热像仪22通过信号线与中央处理器21相连。与石英喷灯一11、石英喷灯二12相连的H2管路上分别装有电磁阀一19、电磁阀二20，通过控制线与中央处理器21相连。
所述的中央控制器21接收红外热像仪22的反馈信号，计算温度偏差，并运用PlD控制原理控制H2管路上的电磁阀一19、电磁阀二20开度，以调节进入石英喷灯一11、石英喷灯二12的H2气流量。所述的中央控制器采用由CHINO公司制造的CP350/370系列计算机，安装有PID控制器（比例-积分-微分控制器），设置有控制程序。
石英腔体9左上部设置有排风管23，排风管23与前处理塔24相连通，前处理塔24通过管道与电除尘塔25相连，电除尘塔25通过管道与洗涤塔26相连，用于收集、处理反应过程中产生的尾气。
所述的气体控制柜18内安装有质量流量控制器MFC28、MFC29、MFC30、MFC31、MFC32、MFC33、MFC34、MFC35、MFC36,由主控柜37控制这9个MFC的流量。
一种光纤预制棒的制造方法如下：
1、气体供应
如图2，将SiCl4原料罐13、GeCl4原料罐14、液态Ar储罐15、液态O2储罐16、H2储罐17中的气体分别通过管道进入气体控制柜18内部，由质量流量控制器MFC28～36控制气体流量，并继续经管道进入石英喷灯一11、石英喷灯二12。其中，每个气体管道（气路）上配置的质量流量控制器MFC（例如AE FC-7800CD系列质量流量控制器），用于控制不同阶段的气流量。
SiCl4流量可在0.1g/min～20g/min间调整），在高温情况下火焰水解生成SiO2，用于形成预制棒的包层与芯层；GeCl4流量可在0.01g/min～1.0g/min间调整，在高温情况下火焰水解生成GeO2，掺杂在芯层以提高芯层折射率。输送SiCl4、GeCl4的管道表面需要敷设加热带，温度控制在100℃
H2流量可在0.1L/min ～30L/min间调整；O2流量可在0.1L/min～50L/min间调整，其中，H2起燃烧作用，O2起助燃作用，另外，为了让H2完全反应，在流量设定时，需要将O2流量设置成富余的。
Ar流量可在0.1L/min到10L/min间调整。作用有二：一，作为载气，运载原料气体；二，将H2、 O2隔开，防止其在喷灯内混合、反应。
2、沉积粉末棒
首先将一根用于堆积粉末的石英靶棒10装入金属吊杆7，开启电机一3，使金属吊杆7下降到指定位置后，开启电机二4，使金属吊杆7旋转。点火，旋即开始火焰水解反应，粉末开始沉积在石英靶棒10表面。在主控柜36上开启自动控制模式，运行控制程序之后，金属吊杆7牵引石英靶棒10旋转和上升，其中，控制程序由Visual Basic软件编辑而成，通过信号线与设备连接。
在沉积过程中，需要将石英腔体9内压控制在一个相对稳定的范围，金属吊杆7保持一定的旋转速度与提升速度。其中，石英腔体9内压控制在30±5Pa，旋转速度控制在10rpm，提升速度控制在35mm/h。
3、 红外热图像的采集与反馈控制
通过红外热像仪22，采集粉末棒头表面温度，进行A/D转换，并通过数据线将转换成的数字信号传输至中央处理器21，由中央处理器21分析粉末棒头表面温度变化，并发出动作指令，控制电磁阀一19、电磁阀二20的阀门开度，从而达到实时调整气体流量的目的，制成光纤预制棒。
4、 尾气收集、处理
通过排气管23，将尾气输送到废气处理设备进行处理。废气处理设备包括前处理塔24、电除尘塔25、洗涤塔26。其中，前处理塔24主要作用是，对尾气进行降温处理；电除尘塔25主要作用是，通过高压放电，使粉尘带电并将其吸附；洗涤塔26主要作用是，利用NaOH溶液和尾气中的HCl、HF等酸性气体进行中和反应。通过以上一系列处理措施，使尾气达到排放标准；所述的前处理塔24、电除尘塔25和洗涤塔26采用市售的设备配套使用。
本实用新型涉及的原料包括：一、SiCl4（流量可在0.1g/min～20.0g/min间调整），在高温情况下火焰水解生成SiO2，用于形成预制棒的包层与芯层；二、GeCl4（流量可在0.01g/min～1.00g/min间调整），在高温情况下火焰水解生成GeO2，掺杂在芯层以提高芯层折射率。
燃料包括：H2（流量可在0.1L/min ～30.0L/min间调整）、O2（流量可在0.1L/min～50.0L/min间调整），其中，H2起燃烧作用，O2起助燃作用。另外，为了让H2完全反应，在流量设定时，需要将O2流量设置成富余的。
辅料包括：Ar（流量可在0.1L/min到10.0L/min间调整）。作用有二：一，作为载气，运载原料气体；二，将H2、 O2隔开，防止其在喷灯内混合、反应。
原料、燃料及辅料经过管道，输送至喷灯口进行反应，不断堆积到靶棒上，成型为粉末棒，并持续生长。其中，输送原料的管道需要外敷加热带，温度控制在100℃。
实施例一：
在金属吊杆7上安装一根长500mm的石英靶棒10，将初始流量为0.1g/min 的SiCl4、0.01g/min 的GeCl4、1.0L/min的Ar、5.0L/min的O2和3.0L/min的H2 通入石英喷灯二12，通过火焰水解反应生成SiO2、GeO2，附着在石英靶棒10下端，形成芯层。往石英喷灯11中通入初始流量0.1g/min的SiCl4、1.0L/min的Ar、15.0L/min的O2和10.0L/min的H2，通过火焰水解生成SiO2，形成预制棒的包层。各阶段流量设定如下表1：
表1
如图2，由卡盘5控制金属吊杆7旋转，金属吊杆7牵引着石英靶棒10沿导轨8上升，其中旋转速度控制在10rpm，提升速度控制在35mm/h。石英腔体9内压控制在30±5Pa。
在H2管道上，安装电磁阀一19、电磁阀二20，阀门开度受中央处理器21控制。其中，参数P设定为10%，参数I设定为60，参数D设定为3。电磁阀一19、电磁阀二20、中央处理器21、红外热像仪22、粉末棒27构成一个闭环控制系统。如图3，由红外热像仪22将采集到的粉末棒27棒头表面温度反馈给中央处理器21，计算出偏差值，其中，红外热像画面内的平均温度设定为1050℃，偏差标准定为±10℃。当平均温度低于1040℃时，输出偏差信号，由PID控制器发出指令，增大电磁阀一19、电磁阀二20阀门开度以增加H2流量，从而提高温度，同理，当平均温度高于1060℃时，输出偏差信号，由PID控制器发出指令，减小电磁阀一19、电磁阀二20阀门开度以减少H2流量，从而降低温度。当温度介于1040～1060℃之间时，电磁阀一19、电磁阀二20阀门开度保持不变。其中，数据采集频率设定为1次/min。
附图4是按照上述方法制得的粉末棒的各层密度。结果显示：喷灯交界处①、②密度分别达到0.24g/cm3、0.27g/cm3。交界处宽度为1.5mm、1.5mm。
实施例二：
在金属吊杆7上安装一根长500mm的石英靶棒10，将初始流量为0.1g/min 的SiCl4、0.01g/min 的GeCl4、1.0L/min的Ar、6.0L/min的O2和4.0L/min的H2 通入石英喷灯二12，通过火焰水解反应生成SiO2、GeO2，附着在石英靶棒10下端，形成芯层。往石英喷灯一11中通入初始流量0.1g/min的SiCl4、1.0L/min的Ar、20.0L/min的O2和15.0L/min的H2，通过火焰水解生成SiO2，形成预制棒的包层。各阶段流量设定如下表2：
表2
如图2，由卡盘5控制金属吊杆7旋转，金属吊杆7牵引着石英靶棒10沿导轨8上升，其中旋转速度控制在10rpm，提升速度控制在35mm/h。石英腔体9内压控制在30±5Pa。
在H2管道上，安装电磁阀一19、电磁阀二20，阀门开度受中央处理器21控制。其中，参数P设定为10%，参数I设定为30，参数D设定为3。电磁阀一19、电磁阀二20、中央处理器21、红外热像仪22、粉末棒27构成一个闭环控制系统。如图3，由红外热像仪22将采集到的粉末棒27棒头表面温度反馈给中央处理器21，计算出偏差值，其中，红外热像画面内的平均温度设定为1080℃，偏差标准定为±5℃。当平均温度低于1075℃时，输出偏差信号，由PID控制器发出指令，增大电磁阀一19、电磁阀二20阀门开度以增加H2流量，从而提高温度，同理，当平均温度高于1085℃时，输出偏差信号，由PID控制器发出指令，减小电磁阀一19、电磁阀二20阀门开度以减少H2流量，从而降低温度。当温度介于1075～1085℃之间时，电磁阀一19、电磁阀二20阀门开度保持不变。其中，数据采集频率设定为2次/min。
附图5显示的是实例二对应的粉末棒各层密度，结果显示：喷灯交界处①、②密度分别达到0.30g/cm3、0.34g/cm3。交界处宽度为0.5mm、0.5mm。
经过与实例一比较，可以看出，实施例二通过增加H2、O2流量，增加平均设定温度、修正偏差值，以及提高数据采集频率一系列措施，最终：一、提高了粉末棒各层的密度；二、喷灯交界处①、②的粉末密度明显变大，同时与Core与Clad的密度差缩小，且厚度有所减小。
Claims (3)
1.一种光纤预制棒的制造设备，其特征在于：包括塔体、预制棒沉积腔体、电机一、电机二、卡盘、丝杆、金属吊杆、导轨、石英腔体、石英靶棒、石英喷灯一、石英喷灯二、SiCl4原料罐、GeCl4原料罐、液态Ar储罐、液态O2储罐、H2储罐、气体控制柜、电磁阀一、电磁阀二、中央处理器、红外热像仪、排风管、前处理塔、电除尘塔和洗涤塔；
在石英腔体上方安装预制棒沉积腔体，在塔体上安装导轨，卡盘与丝杆相连，电机一控制丝杆旋转，以使卡盘沿导轨上升和下降，电机二控制卡盘旋转；金属吊杆装夹在卡盘上，石英靶棒装入金属吊杆中，用于在沉积过程中附着粉末；
石英喷灯一、石英喷灯二分别安装在石英腔体右侧，石英喷灯一和石英喷灯二的喷灯口在石英腔体内部；
SiCl4原料罐、GeCl4原料罐、液态Ar储罐、液态O2储罐、H2储罐中的气体分别通过管道进入气体控制柜内部，由质量流量控制器MFC控制气体流量，并继续分别经管道进入石英喷灯一、石英喷灯二；
石英腔体左侧安装有红外热像仪，红外热像仪通过信号线与中央处理器相连；与石英喷灯一、石英喷灯二相连的H2管路上分别装有电磁阀一、电磁阀二，通过控制线与中央处理器相连；
石英腔体左上部设置有排风管，排风管与前处理塔相连通，前处理塔通过管道与电除尘塔相连，电除尘塔通过管道与洗涤塔相连，用于收集、处理反应过程中产生的尾气。
2.根据权利要求1所述的一种光纤预制棒的制造设备，其特征在于：所述的气体控制柜内安装有若干台质量流量控制器MFC, 由安装在主控柜电脑上的程序控制其流量。
3.根据权利要求1所述的一种光纤预制棒的制造设备，其特征在于：所述的中央控制器接收红外热像仪的反馈信号，计算温度偏差，并运用PlD控制原理控制H2管路上的电磁阀一、电磁阀二开度，以调节进入石英喷灯一、石英喷灯二的H2气流量。
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| CN 201320222970 CN203269780U (zh) | 2013-04-27 | 2013-04-27 | 一种光纤预制棒的制造设备 |
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