RU2096354C1

RU2096354C1 - Method for controlling optic glass fiber manufacture and method of optic glass fiber manufacture

Info

Publication number: RU2096354C1
Authority: RU
Inventors: Юджин Смит Грегори
Original assignee: Корнинг Инкорпорейтед
Priority date: 1991-10-04
Filing date: 1991-10-04
Publication date: 1997-11-20

Abstract

FIELD: optic glass fibers. SUBSTANCE: invention largely aims at controlling stretching of fibers when being drawn out. This aim in mind, one measures lateral vibrations of fibers, analyzes multitude of frequencies constituting lateral vibrations, selects one with maximum amplitude, ascertains the base frequency to be that with maximum amplitude, and calculates value of current stretching of fiber from measured diameter and base frequency of lateral vibrations. When calculated value deviates from desired stretching value, stabilization of stretching is performed in accordance with found deviation. Another part of invention concerns fiber manufacturing process and consists in that glass stock is heated, fiber is drawn out, passed through coating application device, and lateral vibrations of fiber are measured at a point between glass stock and coating application device. In event calculated fiber stretching deviates from desired value, stabilization of stretching is performed by way of changing temperature of heating glass stock. EFFECT: improved process control. 6 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к изготовлению оптических световодных волокон и к способам контроля и управления натяжением волокон при их вытягивании. The invention relates to the manufacture of optical fiber fibers and to methods for monitoring and controlling the tension of the fibers when they are pulled.

При изготовлении стеклянных оптических световодных волокон волокно вытягивается из конца стеклянной заготовки, которая была нагрета до достаточно высокой температуры. Одним из более важных параметров процесса при производстве оптических световодных волокон является натяжение в волокне при его вытягивании и в особенности натяжение в волокне в области между горячей зоной и первым устройством для нанесения покрытия. Величина этого натяжения влияет на конечные свойства волокна, включая его диаметр, прочность на разрыв и, за счет явления влияния напряжения на оптические свойства, также на оптические свойства волокна. In the manufacture of glass optical fiber fibers, the fiber is drawn from the end of the glass preform, which has been heated to a sufficiently high temperature. One of the more important process parameters in the production of optical fiber fibers is the tension in the fiber when it is stretched, and in particular the tension in the fiber in the region between the hot zone and the first coating device. The magnitude of this tension affects the final properties of the fiber, including its diameter, tensile strength and, due to the effect of stress on the optical properties, also on the optical properties of the fiber.

С точки зрения технологии производства, натяжение волокна также влияет на общую устойчивость и производительность процесса вытягивания. Чрезмерное натяжение ведет к быстрому образованию сужений и окончательному разрыву волокна в области горячей воды. Если не приводить тщательного контроля, увеличение температуры в горячей зоне для снижения натяжения в волокне может привести к резонансным явлениям при вытягивании и колебаниям корня, которые, в свою очередь, могут дать колебательные изменения диаметра волокна, которые трудно контролировать с помощью известных приборов для контроля диаметра волокна. Колебания волокна при вытягивании могут также неблагоприятно повлиять на процесс нанесения покрытия. In terms of production technology, fiber tension also affects the overall stability and productivity of the drawing process. Excessive tension leads to rapid narrowing and a final rupture of the fiber in the hot water region. If careful control is not given, increasing the temperature in the hot zone to reduce the tension in the fiber can lead to resonance phenomena during stretching and root vibrations, which, in turn, can produce vibrational changes in the fiber diameter, which are difficult to control using known diameter monitoring devices fiber. Fluctuation of the fiber during stretching can also adversely affect the coating process.

Натяжение волокна связано с вязкостью стекла в корневой части заготовки, из которой волокно вытягивают, и со скоростью вытягивания волокна. Так как вязкость стекла является функцией температуры, натяжением при вытягивании можно управлять, регулируя температуру печи. The tension of the fiber is related to the viscosity of the glass at the root of the preform from which the fiber is drawn and the speed of the fiber drawn. Since the viscosity of the glass is a function of temperature, the stretch tension can be controlled by adjusting the temperature of the furnace.

Температура самой печи может измеряться с использованием известных методов и приборов, таких как пирометры или термопары. Однако вследствие термодинамики процесса вытягивания, это управление не обеспечивает управления температурой корня заготовки. Часть заготовки выше корня служит поглотителем тепла, который снижает температуру корня. Если печь поддерживается при постоянной температуре, корень становится горячее с уменьшением размера заготовки. Печь с постоянной температурой поэтому даст уменьшение натяжения при вытяжке волокна с уменьшением размера заготовки в процессе вытягивания из нее волокна. The temperature of the furnace itself can be measured using known methods and instruments, such as pyrometers or thermocouples. However, due to the thermodynamics of the drawing process, this control does not provide control of the temperature of the root of the workpiece. Part of the workpiece above the root serves as a heat sink, which reduces the temperature of the root. If the oven is maintained at a constant temperature, the root becomes hotter with a reduction in the size of the workpiece. A furnace with a constant temperature will therefore give a decrease in tension during the drawing of the fiber with a decrease in the size of the workpiece during the drawing of the fiber from it.

Натяжение в волокне при вытягивании его может управляться за счет измерения самого натяжения в различные моменты процесса вытяжки, и затем изменения температуры в печи для компенсации уменьшения длины заготовки. С уменьшением размера заготовки и уменьшением поглощения ею тепла снижают температуру в печи. The tension in the fiber when drawing it can be controlled by measuring the tension itself at various points in the drawing process, and then changing the temperature in the furnace to compensate for the reduction in the length of the workpiece. With a decrease in the size of the workpiece and a decrease in its absorption of heat, the temperature in the furnace is reduced.

Наиболее близким по технической сущности является способ управления процессом изготовления оптических волокон, в котором натяжение контролируют механически посредством устройства с тремя колесами, два из которых прилегают к волокну с одной стороны, а третье колесо прилегает к волокну с другой стороны. Положение третьего колеса относительно двух других используется как мера натяжения волокна. Сигнал измерителя натяжения используется для управления температурой печи, из которой вытягивается волокно, только в процессе начальной настройки, когда на волокно еще не наносится покрытие. The closest in technical essence is a method of controlling the manufacturing process of optical fibers, in which the tension is controlled mechanically by means of a device with three wheels, two of which are adjacent to the fiber on one side, and the third wheel is adjacent to the fiber on the other side. The position of the third wheel relative to the other two is used as a measure of fiber tension. The signal of the tension meter is used to control the temperature of the furnace from which the fiber is drawn, only during the initial setup, when the fiber has not yet been coated.

Трехколесный подход имеет многочисленные недостатки. Трудно точно согласовать устройство с волокном так, чтобы не изменялся первоначальный путь волокна. Контакт трехколесного устройства с волокном действует на петлю регулирования диаметра волокна так, что уменьшается скорость вытягивания волокна. Также подвижное волокно может рваться при контактировании с трехколесным устройством. Измеритель натяжения предпочтительно устанавливать прямо под печью при вытягивании волокна с покрытием. Разрыв волокна в этом месте снижает производительность, так как требуется проведение всех операций, как в начале процесса вытягивания волокна. The tricycle approach has numerous disadvantages. It is difficult to precisely match the device to the fiber so that the initial fiber path does not change. The contact of the tricycle device with the fiber acts on the loop for regulating the diameter of the fiber so that the fiber drawing speed is reduced. Also, the movable fiber may break when in contact with a three-wheeled device. The tension meter is preferably installed directly below the furnace when drawing the coated fiber. Rupture of the fiber at this point reduces productivity, since all operations are required, as at the beginning of the fiber drawing process.

Задачей данного изобретения является повышение точности контроля натяжения оптического волокна, а следовательно, и повышение качества изготавливаемого оптического волокна. The objective of the invention is to increase the accuracy of control of the tension of the optical fiber, and therefore, improving the quality of the manufactured optical fiber.

Задача изобретения по способу управления процессом изготовления оптического волокна решается тем, что в способе управления процессом изготовления оптического волокна, включающем измерение диаметра волокна при его вытягивании и стабилизацию натяжения волокна, в процессе вытягивания измеряют поперечные колебания волокна, анализируют множество составляющих частот поперечных колебаний и определяют основную частоту, для чего из множества составляющих частот выбирают одну частоту с максимальной амплитудой, подтверждают, что основная частота является частотой с максимальной амплитудой, рассчитывают величину текущего натяжения волокна по измеренному диаметру и основной частоте поперечных колебаний, при отклонении рассчитанного текущего натяжения от заданного стабилизацию ведут в соответствии с этим отклонением. The objective of the invention in a method for controlling the process of manufacturing an optical fiber is solved by the fact that in a method of controlling a process for manufacturing an optical fiber, including measuring the diameter of the fiber when it is pulled and stabilizing the tension of the fiber, the transverse vibrations of the fiber are measured in the process of drawing, the many components of the frequencies of transverse vibrations are analyzed and the main frequency, for which one of the multiple frequency components select one frequency with a maximum amplitude, confirm that the main simplicity is the frequency with the maximum amplitude value of the current tension is calculated from the measured fiber diameters and the fundamental frequency of the transverse vibrations is carried out in accordance with the deviation calculated at deviation from the set tension of the current stabilization.

Для подтверждения основной частоты можно удвоить частоту с максимальной амплитудой, сравнить удвоенную частоту с частотой других составляющих и при наличии составляющей с частотой, близкой к удвоенной частоте, выбранную частоту с максимальной амплитудой принять в качестве основной. To confirm the fundamental frequency, you can double the frequency with the maximum amplitude, compare the doubled frequency with the frequency of other components, and if there is a component with a frequency close to the doubled frequency, take the selected frequency with the maximum amplitude as the main one.

Кроме того, для подтверждения основной частоты можно из множества составляющих частот дополнительно выбрать последующую вторую частоту с максимальной амплитудой, каждую удвоенную частоту с максимальной амплитудой сравнить с соответствующей близкой частотой, а за основную частоту принять ту частоту с максимальной амплитудой, результат сравнения удвоенной частоты которой с соответствующей близкой частотой наименьший. In addition, to confirm the fundamental frequency, it is possible to additionally select the subsequent second frequency with a maximum amplitude from a plurality of component frequencies, compare each doubled frequency with a maximum amplitude with the corresponding close frequency, and take the frequency with a maximum amplitude as the main frequency, the result of comparing the doubled frequency of which the corresponding close frequency is the smallest.

Задача изобретения по способу изготовления оптического волокна решается тем, что в способе, включающем нагрев заготовки, вытягивание волокна, измерение при вытягивании его диаметра и стабилизацию натяжения волокна, пропускают волокно через средство нанесения покрытия, измеряют поперечные колебания волокна между заготовкой и средством нанесения покрытия, анализируют множество составляющих частот поперечных колебаний и определяют основную частоту поперечных колебаний, рассчитывают величину текущего натяжения волокна по измеренному диаметру и основной частоте поперечных колебаний, при отклонении рассчитанного текущего натяжения от заданного стабилизацию натяжения ведут путем изменения температуры нагрева заготовки. The objective of the invention in a method for manufacturing an optical fiber is solved by the fact that in a method comprising heating a preform, drawing the fiber, measuring while drawing its diameter and stabilizing the fiber tension, the fiber is passed through the coating agent, the transverse vibrations of the fiber between the preform and the coating agent are measured, analyzed many component frequencies of transverse vibrations and determine the main frequency of transverse vibrations, calculate the magnitude of the current fiber tension according to the measured the diameter and the main frequency of the transverse vibrations, when the calculated current tension deviates from the given stabilization, the tension is stabilized by changing the heating temperature of the workpiece.

Для определения основной частоты поперечных колебаний можно из множества составляющих частот выбрать и удвоить частоту колебаний с максимальной амплитудой, сравнить удвоенную частоту с частотами других составляющих и при наличии составляющей с частотой, близкой к удвоенной частоте, выбранную частоту с максимальной амплитудой принять в качестве основной. To determine the fundamental frequency of transverse vibrations, it is possible to select and double the frequency of oscillations with a maximum amplitude from a plurality of component frequencies, compare the double frequency with the frequencies of other components, and if there is a component with a frequency close to double the frequency, select the selected frequency with the maximum amplitude as the main one.

Кроме того, для определения основной частоты поперечных колебаний из множества составляющих частот выбрать и удвоить частоты по крайней мере двух составляющих с максимальными амплитудами, каждую удвоенную частоту сравнить с соответствующей близкой частотой, а за основную частоту принять ту частоту с максимальной амплитудой, результат сравнения удвоенной частоты которой с соответствующей близкой частотой наименьший. In addition, to determine the fundamental frequency of transverse vibrations from the set of component frequencies, select and double the frequencies of at least two components with maximum amplitudes, compare each doubled frequency with the corresponding close frequency, and take the frequency with the maximum amplitude as the main frequency, the result of comparing the doubled frequency which with the corresponding close frequency is the smallest.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства изготовления волокна; на фиг. 2 схематичное изображение устройства контроля положения волокна; на фиг. 3 типичная запись зависимости положения от времени с выхода полосового фильтра по фиг. 1; на фиг.4 преобразование Фурье сигнала положения волокна фиг. 3; на фиг. 5 единичная импульсная функция, используемая для цифрового сглаживания формы волны по фиг.4; на фиг. 6 сглаженный спектр Фурье; на фиг. 7 модифицированная единичная ступенчатая функция, используемая для получения производной спектра фиг.6. In FIG. 1 is a block diagram of a fiber manufacturing apparatus; in FIG. 2 is a schematic illustration of a fiber position control device; in FIG. 3 shows a typical record of position versus time from the output of the bandpass filter of FIG. one; 4, the Fourier transform of the fiber position signal of FIG. 3; in FIG. 5 is a single impulse function used to digitally smooth the waveform of FIG. 4; in FIG. 6 smoothed Fourier spectrum; in FIG. 7 modified unit step function used to obtain the derived spectrum of Fig.6.

На фиг.1 представлена система изготовления оптических волокон, в которой стеклянная заготовка 10 расположена вертикально в муфеле 11 печи для вытягивания волокон. Нагревательный элемент 12 подает тепло к по меньшей мере нижней части заготовки 10. После известного процесса запуска волочения волокно 14 вытягивают из нижней части 13 заготовки 10 тянущими валками 20. После выхода из муфеля 11 волокно проходит контроль диаметра в устройстве 15, которое выдает сигнал, используемый в петле обратной связи, которая регулирует скорость тянущих валков 20 для поддержания постоянного диаметра волокна. Волокно 14 затем проходит устройство контроля положения 16, охладительную трубку 17 и устройство нанесения покрытия 18. Покрытое волокно может также проходить через устройство полимеризации покрытия и, если желательно, через добавочные устройства нанесения покрытий (не показаны). Figure 1 shows a system for manufacturing optical fibers, in which a glass preform 10 is located vertically in the muffle 11 of the furnace for drawing fibers. The heating element 12 delivers heat to at least the lower part of the preform 10. After the known process for starting the drawing, the fiber 14 is pulled from the lower part 13 of the preform 10 by pulling rolls 20. After exiting the muffle 11, the fiber passes a diameter control in the device 15, which gives the signal used in a feedback loop that adjusts the speed of the pulling rolls 20 to maintain a constant fiber diameter. The fiber 14 then passes the position control device 16, the cooling tube 17 and the coating device 18. The coated fiber can also pass through the coating polymerization device and, if desired, through additional coating devices (not shown).

В соответствии с данным изобретением выполняют следующие этапы для избежания выдачи ошибочных сигналов натяжения при определении натяжения движущегося волокна:
а) с помощью устройства контроля положения 16 воспринимают движение в поперечном к направлению вытягивания направлении волокна 14. Может использоваться любое известное устройство определения положения;
в) воспринятое перемещение анализируют для определения составляющих частот, а также амплитуды каждой составляющей;
c) выбирают составляющую частоту fm₁ c наибольшей амплитудой;
d) анализируют остальные составляющие для уточнения, имеется ли вторая гармоника частоты fm₁. Этот этап проводят для подтверждения того, что составляющая с максимальной амплитудой действительно является основным тоном гармонических колебаний волокна. Вторая гармоника определяется как составляющая в определенном интервале частот выше или ниже 2fm₁, т.е. удвоенной частоты основной составляющей 2/fm₁/;
е) затем определяют натяжение волокна по подтвержденной основной составляющей гармонических колебаний волокна.In accordance with this invention, the following steps are performed to avoid generating erroneous tension signals when determining the tension of a moving fiber:
a) using the position monitoring device 16, the movement is perceived in the transverse direction of the drawing direction of the fiber 14. Any known device for determining the position can be used;
c) the perceived movement is analyzed to determine the component frequencies, as well as the amplitude of each component;
c) select the component frequency fm ₁ with the largest amplitude;
d) analyze the remaining components to determine if there is a second frequency harmonic fm ₁ . This step is carried out to confirm that the component with the maximum amplitude is indeed the fundamental tone of the harmonic vibrations of the fiber. The second harmonic is defined as a component in a certain frequency range above or below 2fm ₁ , i.e. doubled frequency of the main component 2 / fm ₁ /;
e) the fiber tension is then determined from the confirmed fundamental component of the harmonic vibrations of the fiber.

Этапы от в) до е) могут выполняться отдельными процессорами, цифровым компьютером, многопроцессорным компьютером и т.п. Этап в), например, может осуществляться анализатором спектра. Steps c) to e) may be performed by separate processors, a digital computer, a multiprocessor computer, and the like. Step c), for example, may be performed by a spectrum analyzer.

Соответственно предпочтительному исполнению, вторая верхняя составляющая частоты fm₂ также рассматривается как возможный кандидат на основную частоту гармонического колебания волокна. Остальные составляющие анализируют для определения, имеется ли вторая гармоника вблизи удвоенной частоты 2/fm₂/, т. е. удвоенной частоты fm₂. Компоненту вблизи 2/fm₁/ называют первой второй гармоникой, а составляющую вблизи 2/fm₂/ называют второй второй гармоникой. Если вторая вторая гармоника ближе по частоте к 2/fm₂/, чем первая вторая гармоника к 2/fm₁/, то тогда основной частотой гармонического колебания принимают fm₂. Подобным же образом можно было определить, имеется ли частотная составляющая вблизи 2fm₃, удвоенной частоты третьей более высокой частотной составляющей.According to a preferred embodiment, the second upper frequency component fm _{2 is} also considered as a possible candidate for the fundamental frequency of harmonic vibration of the fiber. The remaining components are analyzed to determine whether there is a second harmonic near the doubled frequency 2 / fm ₂ /, i.e., the doubled frequency fm ₂ . A component near 2 / fm ₁ / is called the first second harmonic, and a component near 2 / fm ₂ / is called the second second harmonic. If the second second harmonic is closer in frequency to 2 / fm ₂ / than the first second harmonic to 2 / fm ₁ /, then the fundamental frequency of harmonic oscillation is fm ₂ . In the same way, it was possible to determine whether there was a frequency component near 2fm ₃ , twice the frequency of the third higher frequency component.

Компьютер управления вытяжкой 47, который может быть типа Digital 11/73, содержит алгоритмы управления скоростью вытяжных валков, скоростью подачи вниз заготовки и температурой печи. Диаметр волокна 14 измеряется контрольным устройством 15, выдающим на управляющий вытяжкой компьютер сигнал, который позволяет динамически рассчитать линейную плотность волокна. Характеризующая длина вибрирующего волокна может быть измерена по фактическим размерам оборудования, но предпочтительно определяется экспериментально. Характеризующая длина может быть определена вместе с калибровкой системы посредством измерения основной гармонической составляющей и использованием трехколесного контактного измерителя натяжения для периодического измерения истинного натяжения. Этот калибровочный этап требуется лишь при начальном вводе устройства в эксплуатацию, если не меняется конфигурация оборудования в эксплуатации. Для верности калибровка может проводиться периодически, например ежегодно. The exhaust control computer 47, which may be of the Digital 11/73 type, contains algorithms for controlling the speed of the exhaust rolls, the downward feed rate of the workpiece, and the temperature of the furnace. The diameter of the fiber 14 is measured by the control device 15, which outputs a signal to the exhaust control computer, which allows you to dynamically calculate the linear density of the fiber. The characterizing length of the vibrating fiber can be measured from the actual dimensions of the equipment, but is preferably determined experimentally. The characterizing length can be determined along with the calibration of the system by measuring the fundamental harmonic component and using a three-wheel contact tension meter to periodically measure the true tension. This calibration step is required only during the initial commissioning of the device, if the configuration of the equipment in operation does not change. For accuracy, calibration can be carried out periodically, for example annually.

Сигнал, пропорциональный основной составляющей частоты на компьютер управления вытяжкой, который затем рассчитывает натяжение волокна Т посредством комбинации этой частоты с текущим диаметром волокна, рассчитывая по формуле
T = α+βd²ν² (2),
d диаметр волокна; ν - основная гармоническая частота, а коэффициенты α и β - экспериментально определяются и являются объединенными параметрами из уравнения (1).A signal proportional to the main component of the frequency to the exhaust control computer, which then calculates the fiber tension T by combining this frequency with the current fiber diameter, calculated by the formula
T = α + βd ² ν ² (2),
d fiber diameter; ν is the fundamental harmonic frequency, and the coefficients α and β are experimentally determined and are the combined parameters from equation (1).

Как показано на фиг.1, сигнал с алгоритма управления 48 подается на схему управления температурой 49 (которая может быть частью компьютера вытяжки 47), которая, в свою очередь, управляет температурой нагревательного элемента 12. Температурой можно, например, управлять так, чтобы поддерживать натяжение волокна постоянным. As shown in FIG. 1, the signal from the control algorithm 48 is supplied to a temperature control circuit 49 (which may be part of the exhaust computer 47), which, in turn, controls the temperature of the heating element 12. The temperature can, for example, be controlled so as to maintain fiber tension constant.

Для реализации данного изобретения использовалась следующая система. To implement this invention, the following system was used.

Измерение вибрации волокна осуществлялось оптическим устройством, показанным на фиг. 2. Свет лазера 24 рассеивался по горизонтальной оси с помощью цилиндрической линзы 26, для создания сравнительно широкой области, где осуществляется подсветка вибрирующего волокна. Пунктирные линии 27 показывают пределы расширения света. Свет попадает на волокно 14, отражается и преломляется во всех направлениях; преломляется в основном в передних углах. Так как волокно относительно мало по сравнению с размерами остальной части системы, волокно практически является точечным источником рассеянного света. Линзы 30 и 31 расположены примерно на расстоянии 1,2 дюйма (30 мм) от волокна для рефокусировки подсвеченного волокна в точки на поверхности детекторов 32 и 33 соответственно. Расстояние волокна от линз, расстояние детекторов от линз и фокусное расстояние линз определяют увеличение системы. Увеличение это отношение движения волокна перпендикулярно центральной оси линзы к движению рефокусированного пятна по соответствующему детектору. Каждый из этих детекторов является одноэлементным кремниевым детектором, имеющим два анода и один катод. Относительная разность между потенциалами на двух анодах и общем катоде является мерой положения света, сфокусированного на детекторе. С тем, как световое пятно движется вдоль детектора, разность потенциалов между анодами и общим катодом также меняется. Если пятно находится в центре детектора, потенциалы будут равны. Так как линза рефокусирует на детекторе изображения подсвеченного волокна, разность потенциалов может быть связана с положением волокна. Используются два детектора для одновременного измерения положения волокна в двух перпендикулярных плоскостях. Сигналы с обоих детекторов используются в петле обратной связи для позиционирования заготовки в горизонтальной плоскости (по осям x и y). The vibration of the fiber was measured by the optical device shown in FIG. 2. The light of the laser 24 was scattered along the horizontal axis using a cylindrical lens 26, to create a relatively wide area where the vibrating fiber is illuminated. Dashed lines 27 show the limits of light expansion. Light enters the fiber 14, is reflected and refracted in all directions; refracted mainly in the front corners. Since the fiber is relatively small compared to the size of the rest of the system, the fiber is practically a point source of scattered light. Lenses 30 and 31 are located approximately 1.2 inches (30 mm) from the fiber to refocus the illuminated fiber to points on the surface of the detectors 32 and 33, respectively. The distance of the fiber from the lenses, the distance of the detectors from the lenses and the focal length of the lenses determine the magnification of the system. The increase is the ratio of the movement of the fiber perpendicular to the central axis of the lens to the movement of the refocused spot along the corresponding detector. Each of these detectors is a single-element silicon detector having two anodes and one cathode. The relative difference between the potentials at the two anodes and the common cathode is a measure of the position of the light focused on the detector. As the light spot moves along the detector, the potential difference between the anodes and the common cathode also changes. If the spot is in the center of the detector, the potentials will be equal. Since the lens refocuses on the image detector of the illuminated fiber, the potential difference can be related to the position of the fiber. Two detectors are used to simultaneously measure the position of the fiber in two perpendicular planes. The signals from both detectors are used in the feedback loop to position the workpiece in the horizontal plane (along the x and y axes).

Так как для получения вибрационной информации достаточно сигнала от одного детектора, показана выходная схема только одного детектора 33. В конкретном исполнении вибрации измерялись в плоскости, перпендикулярной к поверхности волочильной башни. Два выходных сигнала с детектора 33 усиливаются усилителями 34 и 35, и выходы усилителей вычитаются друг из друга в схеме 36 для получения разностного сигнала на выходе 37. Для осуществления усиления и вычитания использовался усилитель, имеющийся в продаже. Результирующий сигнал после усиления и вычитания на выходе 37 представляет мгновенное положение волокна. Since a signal from one detector is sufficient to obtain vibrational information, the output circuit of only one detector 33 is shown. In a specific embodiment, the vibrations were measured in a plane perpendicular to the surface of the drawing tower. The two output signals from detector 33 are amplified by amplifiers 34 and 35, and the outputs of the amplifiers are subtracted from each other in circuit 36 to obtain a differential signal at output 37. A commercially available amplifier was used to perform amplification and subtraction. The resulting signal after amplification and subtraction at the output 37 represents the instantaneous position of the fiber.

Подобный усилительно-вычитающий блок использовался с детектором 32 для получения добавочного сигнала, требуемого для позиционирования заготовки 10 в плоскости x-y. A similar amplifying-subtracting unit was used with the detector 32 to obtain the additional signal required to position the workpiece 10 in the x-y plane.

Сигнал положения волокна на выходе 37 подается на преобразователь аналог-цифра 41 через усилитель с полосовым фильтром 39. Дополнительно к усилению в 50 раз, схема 39 пропускает только частоты в диапазоне от 1 до 40 Гц на преобразователь аналог-цифра (АЦП) 41. Фильтрация необходима для удаления сигнала номинального положения волокна, чтобы оставить только вибрационную информацию, а также чтобы удалить высокочастотный шум, который может вызвать ошибки в последующих расчетах. Типичная форма сигнала положения в зависимости от времени со схемы 39 показана на фиг.3. The signal of the position of the fiber at the output 37 is supplied to the analog-to-digital converter 41 through an amplifier with a band-pass filter 39. In addition to the 50-fold gain, the circuit 39 passes only frequencies in the range from 1 to 40 Hz to the analog-to-digital converter (ADC) 41. Filtering necessary to remove the signal of the nominal position of the fiber, to leave only vibration information, as well as to remove high-frequency noise, which can cause errors in subsequent calculations. A typical position waveform as a function of time from circuit 39 is shown in FIG.

Усиленный сигнал положения волокна преобразуется в цифровой сигнал преобразователем аналог-цифра 41, который берет пробы сигнала положения 100 раз в секунду с разрешением 12 битов (разрядов двоичного числа). Период отбора проб точно выдерживается точными электронными часами, входящими в состав преобразователя 41, которые используются в качестве опорного генератора. За период времени 10, 24 с получают 1024 точек положения волокна в виде цифр. Время отбора проб и количество точек положения определяют разрешение и рабочий диапазон устройства. The amplified fiber position signal is converted to a digital signal by an analog-to-digital converter 41, which takes samples of the position signal 100 times per second with a resolution of 12 bits (bits of a binary number). The sampling period is precisely maintained by the precise electronic clocks included in the transducer 41, which are used as a reference generator. For a period of 10.24 sec, 1024 points of fiber position are obtained in the form of numbers. The sampling time and the number of position points determine the resolution and operating range of the device.

Фактическое натяжение волокна непрерывно меняется на несколько граммов. Основной источник этих изменений схема управления диаметром волокна. Скорость вытягивающих валков периодически корректируется, например раз в секунду. С увеличением диаметра, или уменьшением его относительно заданной величины, валки протягивают волокно быстрее или медленнее среднего значения скорости. Натяжение волокна изменяется, так как оно является функцией скорости вытягивания. По этой причине спектры амплитуды устремляются, как показано ниже, в этапе 3 расчета. Движение волокна также содержит многие компоненты, которые не являются элементами системы стоячей волны. Были разработаны алгоритмы с целью получения точного, надежного и устойчивого показания натяжения в присутствии всех этих помех шумового характера. В девяти этапах расчета, обсужденных ниже подробно, этапы 1-5 выполняются многопроцессорным компьютером 45. Data Translator модель 7020, a этапы 6-9 были потом выполнены обзорным компьютером 46, основанным на микропроцессоре 80386. Чтобы выполнить этапы расчета 1-9, эти имеющиеся в продаже компьютеры были запрограммированы по обычной технологии. The actual fiber tension continuously changes by a few grams. The main source of these changes is the fiber diameter control circuit. The speed of the draw rolls is periodically adjusted, for example, once per second. With increasing diameter, or decreasing it relative to a given value, the rolls stretch the fiber faster or slower than the average speed. The tension of the fiber changes, since it is a function of the drawing speed. For this reason, the amplitude spectra rush, as shown below, in step 3 of the calculation. The movement of the fiber also contains many components that are not elements of the standing wave system. Algorithms have been developed to obtain an accurate, reliable and stable indication of tension in the presence of all these noise disturbances. In the nine calculation steps, discussed in detail below, steps 1-5 are performed by a multiprocessor computer 45. Data Translator model 7020, and steps 6-9 were then executed by a survey computer 46 based on microprocessor 80386. To perform calculation steps 1-9, these are available On sale, computers were programmed using conventional technology.

Расчеты осуществляются следующим образом. The calculations are carried out as follows.

1. Быстрое преобразование Фурье (БПФ) является первым из ряда расчетов, производимых для определения основной составляющей частоты вибрации волокна, БПФ рассчитывается на последнем наборе оцифренных данных, содержащем 1024 точек данных. Расчет дает 512 однозначных комплексных коэффициентов ряда Фурье. 1. Fast Fourier Transform (FFT) is the first of a series of calculations performed to determine the main component of the fiber vibration frequency, FFT is calculated on the last set of digitized data containing 1024 data points. The calculation gives 512 unique complex coefficients of the Fourier series.

2. Величина комплексных коэффициентов ряда Фурье определяется извлечением квадратного корня из суммы квадратов действительной и мнимой частей комплексных коэффициентов Фурье. Это дает 512 действительных чисел (половину числа точек данных) и называется амплитудным спектром. Типичный результат этого расчета можно видеть на фиг.4. 2. The magnitude of the complex coefficients of the Fourier series is determined by extracting the square root of the sum of the squares of the real and imaginary parts of the complex Fourier coefficients. This gives 512 real numbers (half the number of data points) and is called the amplitude spectrum. A typical result of this calculation can be seen in figure 4.

3. Усредняют текущий амплитудный спектр вместе с последними восемью ранее рассчитанными спектрами (можно усреднять не более или не менее чем 8 спектров). Результат здесь по-прежнему 512 действительных чисел. 3. The current amplitude spectrum is averaged together with the last eight previously calculated spectra (no more or no less than 8 spectra can be averaged). The result here is still 512 real numbers.

4. Результат операции усреднения сглаживается цифровым способом. Это осуществляется сверткой результата этапа 3 с единичной импульсной функцией. Операция подобна "усреднению проб с запоминанием". Единичная импульсная функция показана на фиг.5. Многопроцессорный компьютер, используемый для этого расчета, не в состоянии проводить операцию свертки, так что на практике БПФ рассчитывается как для единичного импульса, так и для среднего спектра, и два комплексных набора множатся друг на друга. Затем рассчитывается обратная функция быстрого преобразования Фурье результата. Это свойство сверток и быстрых преобразований Фурье очень распространено. Результатом этого этапа опять является набор из 512 действительных точек данных. Для увеличения сглаживания единичная импульсная функция делается более широкой. Если ширина единичной импульсной функции равна только единице, то сглаживания не будет. Типичный результат этой операции можно видеть на фиг.6, который получен цифровой операции сглаживания, где ширина единичной ступенчатой функции была равна 6. 4. The result of the averaging operation is digitally smoothed. This is done by convolution of the result of stage 3 with a single impulse function. The operation is similar to “averaging samples with storage”. A single impulse function is shown in FIG. 5. The multiprocessor computer used for this calculation is not able to perform the convolution operation, so in practice the FFT is calculated both for a single pulse and for the middle spectrum, and two complex sets are multiplied. Then, the inverse function of the fast Fourier transform of the result is calculated. This property of convolutions and fast Fourier transforms is very common. The result of this step is again a set of 512 valid data points. To increase smoothing, a single impulse function is made wider. If the width of a unit impulse function is equal to only one, then there will be no smoothing. A typical result of this operation can be seen in Fig.6, which is obtained by the digital smoothing operation, where the width of a single step function was 6.

5. Результат этапа 4 основа подвергается свертке, но на этот раз с измененной ступенчатой функцией, показанной на фиг.7, где ширина равна 6. Фактическая операция осуществляется, как по этапу 4 (перемножением БПФ). То есть, многопроцессорный компьютер рассчитывает БПФ как для модифицированной ступенчатой функции фиг. 7, так и для сглаженного сигнала, показанного на фиг. 6, и два набора комплексных чисел перемножаются. Затем рассчитывают обратной БПФ результата. В результате этого этапа получают набор из 512 действительных чисел, представляющих производную результата этапа 4. Производная является практически производной по ширине модифицированной единичной функции, использованной при свертке. Если ширину модифицированной ступенчатой функции увеличить, результат расчета будет более гладким, но теряется разрешение. 5. The result of step 4, the base is convolved, but this time with the modified step function shown in Fig. 7, where the width is 6. The actual operation is carried out as in step 4 (FFT multiplication). That is, the multiprocessor computer calculates the FFT as for the modified step function of FIG. 7, and for the smoothed signal shown in FIG. 6, and two sets of complex numbers are multiplied. Then, the inverse FFT of the result is calculated. As a result of this step, a set of 512 real numbers is obtained representing the derivative of the result of step 4. The derivative is practically the derivative of the width of the modified unit function used in the convolution. If the width of the modified step function is increased, the calculation result will be smoother, but the resolution will be lost.

6. Результат этапа 5 теперь просматривают для нахождения всех частотных "пиков", т. е. точек, где наклон сглаженного частотного спектра равен нулю. Это производится нахождением всех точек функции из этапа 6, нулевого значения. В большинстве случаев, вследствие конечного количества точек, точное прохождение производной через нуль находится между точками функции. Поэтому пик также определяется тем, что он находится между двумя точками с положительным наклоном ниже по частоте (левее), и отрицательным наклоном выше по частоте (правее). Добавочно, чтобы предотвратить попадание шумовых точек спектра, также требуется, чтобы величина сглаженного спектра в точке предполагаемого пика была бы выше порога. В результате этого этапа получают список всех точек функции этапа 5, где величина равна нулю, или соседние величины имеют противоположные знаки, а величина спектра по этапу 4 выше порога шумов. 6. The result of step 5 is now scanned to find all frequency “peaks,” that is, points where the slope of the smoothed frequency spectrum is zero. This is done by finding all points of the function from step 6, a zero value. In most cases, due to a finite number of points, the exact passage of the derivative through zero is between the points of the function. Therefore, the peak is also determined by the fact that it is between two points with a positive slope lower in frequency (to the left) and a negative slope higher in frequency (to the right). Additionally, in order to prevent the noise points of the spectrum from entering, it is also required that the smoothed spectrum at the point of the assumed peak be above the threshold. As a result of this step, a list of all points of the function of step 5 is obtained, where the value is zero, or neighboring values have opposite signs, and the spectrum value in step 4 is above the noise threshold.

7. Пикам частотного спектра из этапа 6 придается ранг по величине пика. Пику с максимальной амплитудой дается высший ранг и т.д. 7. The peaks of the frequency spectrum from step 6 are ranked by the magnitude of the peak. The peak with the maximum amplitude is given the highest rank, etc.

8. Три наибольших пика анализируют на наличие вторых гармоник. Пик, который имеет составляющую, самую близкую к положению идеальной второй гармоники, признается как основная частота вибрации. Если ни один из максимальных пиков не имеет другого пика в пределах 1,5 Гц от положения идеальной второй гармоники, тогда для безопасности считается, что фундаментальной частоты нет. 8. The three largest peaks are analyzed for second harmonics. A peak that has a component closest to the position of the ideal second harmonic is recognized as the fundamental vibration frequency. If none of the maximum peaks has another peak within 1.5 Hz of the position of the ideal second harmonic, then for safety it is considered that there is no fundamental frequency.

9. Этапы 1-8 должны периодически повторяться. Однако после определения основной частоты вибрации предпочитают "прицепиться" к этой частоте в дальнейших расчетах. Для последующих расчетов по алгоритму, алгоритм рассматривает лишь частоты пиков в пределах "диапазона захвата" предыдущих расчетов для этапов 7 и 8. Если в этом диапазоне не оказывается пиков частоты, тогда работают по полному алгоритму. Это используется для предотвращения рассмотрения в расчетах неправильных сигналов. На практике основная частота не может очень быстро меняться, так что диапазон частот, который должен рассматриваться алгоритмом, сужается, что соответствует физике процесса. Полезным диапазоном частот, в котором следует искать основную частоту вибрации, является 2 Гц. Выполнение требования по наличию второй гармоники должно проверяться, если пик частоты находится в диапазоне захвата. 9. Steps 1-8 should be repeated periodically. However, after determining the fundamental frequency of vibration, they prefer to “cling” to this frequency in further calculations. For subsequent calculations by the algorithm, the algorithm considers only the peak frequencies within the “capture range” of the previous calculations for steps 7 and 8. If there are no frequency peaks in this range, then the full algorithm works. This is used to prevent consideration of incorrect signals in calculations. In practice, the fundamental frequency cannot change very quickly, so that the frequency range that should be considered by the algorithm narrows, which corresponds to the physics of the process. A useful frequency range in which the fundamental vibration frequency should be sought is 2 Hz. The second harmonic requirement must be verified if the frequency peak is in the capture range.

Следующий гипотетический пример типичен для работы по способу изобретения. Выполнение этапа 6 в компьютере 46 дает в результате следующие показатели наличия пиков частот:
Частота, Гц Амплитуда
8,1 75
11,0 90
16,5 35
23,1 20
30,0 17
Выполнение этапа 7 дает следующее расположение по рангам амплитуды:
Частота, Гц Амплитуда
11,0 90
8,1 75
16,5 35
23,1 20
30,0 17
В этапе 8 три верхних пика анализируются на присутствие второй гармоники (см. таблицу).The following hypothetical example is typical of the method of the invention. The implementation of step 6 in the computer 46 results in the following indicators of the presence of frequency peaks:
Frequency, Hz Amplitude
8.1 75
11.0 90
16.5 35
23.1 20
30.0 17
The implementation of step 7 gives the following location in terms of amplitude:
Frequency, Hz Amplitude
11.0 90
8.1 75
16.5 35
23.1 20
30.0 17
In step 8, the three upper peaks are analyzed for the presence of the second harmonic (see table).

Решают, что 8,1 Гц является основной гармоникой, так как пик частоты удален лишь на 0,3 Гц от идеальной второй гармоники. Частотная составляющая, имеющая наибольшую амплитуду, исключается, так как разность между 22 Гц (удвоенная 11,0 Гц) и ближайший пик частоты составляет 1,1 Гц, что более 0,3 Гц, и поэтому исключается из рассмотрения. Третий по величине пик частоты 16,5 Гц исключается из рассмотрения, так как ближайший ко второй гармонике частотный пик отличается от нее на 3 Гц, что за пределами допустимой разности 1,5 Гц. Таким образом, пики на 10,5 Гц и 16,5 Гц являются шумовыми. It is decided that 8.1 Hz is the fundamental harmonic, since the frequency peak is only 0.3 Hz away from the ideal second harmonic. The frequency component having the largest amplitude is excluded, since the difference between 22 Hz (doubled 11.0 Hz) and the nearest frequency peak is 1.1 Hz, which is more than 0.3 Hz, and therefore is excluded from consideration. The third largest frequency peak of 16.5 Hz is excluded from consideration, since the frequency peak closest to the second harmonic differs from it by 3 Hz, which is outside the allowable difference of 1.5 Hz. Thus, the peaks at 10.5 Hz and 16.5 Hz are noise.

Надписи на чертежах:
фиг. 1: 15 устройство контроля диаметра; 16 устройство контроля положения; 18 устройство нанесения покрытия; 39 усилитель с полосовым фильтром; 41 преобразователь аналог-цифра; 45 многопроцессорный компьютер; 46 наблюдательный компьютер процессора натяжения; 47 компьютер управления вытяжкой; 28 алгоритм управления; 49 управление температурой;
Фиг.2: 24 лазер; 36 устройство вычитания;
Фиг.3: по оси абсцисс секунды;
Фиг.4,6: по оси абсцисс герцы.The inscriptions on the drawings:
FIG. 1: 15 diameter control device; 16 position monitoring device; 18 coating device; 39 amplifier with a bandpass filter; 41 analog-to-digital converters; 45 multiprocessor computer; 46 observing computer processor tension; 47 exhaust control computer; 28 control algorithm; 49 temperature control;
Figure 2: 24 laser; 36 subtraction device;
Figure 3: along the abscissa axis of a second;
Figure 4.6: Hertz along the abscissa.

Claims

1. A method of controlling the manufacturing process of an optical fiber, including measuring the diameter of the fiber when it is pulled and stabilizing the fiber tension, characterized in that during the drawing process measure the transverse vibrations of the fiber, analyze the many components of the frequencies of the transverse vibrations and determine the fundamental frequency, for which of the many components of the frequencies choose one frequency with a maximum amplitude, confirm that the main frequency is a frequency with a maximum amplitude, calculate the current Fiber tension on the measured diameter and the fundamental frequency of the transverse vibrations at a deviation calculated a predetermined tension on the stabilization is carried out in accordance with this deviation.

2. The method according to claim 1, characterized in that to confirm the fundamental frequency, double the frequency with a maximum amplitude, compare the double frequency with the frequency of other components, and if there is a component with a frequency close to double the frequency, the selected frequency with the maximum amplitude is taken as the main .

3. The method according to claim 1, characterized in that for confirming the fundamental frequency from the plurality of constituent frequencies, a subsequent second frequency with a maximum amplitude is additionally selected, frequencies with a maximum amplitude are doubled, each double frequency with a maximum amplitude is compared with a corresponding close frequency, the main frequency is the frequency with the maximum amplitude, the result of comparing the doubled frequency of which with the corresponding close frequency is the smallest.

4. A method of manufacturing an optical fiber, including heating the preform, drawing the fiber, measuring while drawing its diameter and stabilizing the tension of the fiber, characterized in that the fiber is passed through the coating agent, the transverse vibrations of the fiber between the preform and the coating agent are measured, and many frequency components are analyzed transverse vibrations and determine the fundamental frequency of transverse vibrations, calculate the magnitude of the current fiber tension from the measured diameter and fundamental frequencies e of transverse vibrations, when the calculated current tension deviates from the given stabilization, tension stabilization is carried out by changing the heating temperature of the workpiece.

5. The method according to claim 4, characterized in that for determining the fundamental frequency of the transverse vibrations from the plurality of component frequencies, the oscillation frequency is selected and doubled with a maximum amplitude, the doubled frequency is compared with the frequencies of other components, and if there is a component with a frequency close to the doubled frequency, the selected frequency with maximum amplitude is taken as the main one.

6. The method according to claim 4, characterized in that for determining the fundamental frequency of the transverse vibrations from the plurality of component frequencies, the frequencies of at least two components with maximum amplitudes are selected and doubled, each doubled frequency with maximum amplitude is compared with the corresponding close frequency, and frequency take that frequency with maximum amplitude, the result of comparing the doubled frequency of which with the corresponding close frequency is the smallest.