CN103449716A - 一种vad法制造光纤预制棒的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种VAD法制造光纤预制棒的装置和方法，装置包括有立式机架，立式机架的上端安设旋转夹盘，旋转夹盘与上下移动座相连接，在立式机架的下方安设有喷灯组件，喷灯组件与燃气和化学气体原料供应***相连通，其特征在于在旋转夹盘或上下移动座上安设重力传感器，重力传感器的输出端与控制单元相联。本发明采用粉末预制棒重量作为反馈信号到控制单元，控制单元根据重量信息控制上下移动座的上移速度，带动粉末预制棒不断上移，直至达到粉末预制棒预定的长度。本发明测量速度快、灵敏度高，能对整个粉末预制棒进行实时在线监测，检测精度高，稳定性强，重力传感器安设在VAD设备上，结构简单，占用空间小，安装使用方便。

Description

一种VAD法制造光纤预制棒的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种VAD法（外部气相沉积法）制造光纤预制棒的装置和方法，适用于光纤制造技术领域。

背景技术

VAD轴向沉积方法制造光纤预制棒已经出现有多年，制作过程中大都通过对于粉末预制棒本体进行测量来控制粉末原料的喷射量，获得满足要求的产品。其中美国专利US 6834516通过使用高温计测量粉末预制棒末端的温度进行控制，其缺点是测量点较少，控制精度不够高。在此基础上，中国专利CN 200610129070进行了改善，通过温度测量单元，探测从粉末预制棒的尖端到包覆层部分多个区域的温度分布，取得最高及最低温度点，来调整喷射原料的供应数量，同时在线调整两个喷灯火焰焦点的距离，来实现稳定的生产。

但是以上两种温度反馈和控制方法依然存在一些不足：1、温度分布的测量不能快速获取，需要较长的时间，从而导致反馈的结果滞后；2、调整喷灯火焰焦点的距离需要移动喷灯的角度及位置，相当于设备本身发生了移动，易于影响设备的稳定性；3、温度的测量方法需要在设备前端增加单独的单元，使得设备空间增大。以上问题的存在在实际生产中将会导致控制精度低，粉末预制棒外径变化范围大，沿预制棒方向上折射率变化不稳定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种VAD法制造光纤预制棒的装置和方法，它不仅结构简单、使用方便、性能稳定，而且测量速度快、灵敏度高且易于实现测量过程自动化。

本发明为解决上述所提出的问题所采用的装置技术方案为：

包括有立式机架，立式机架的上端安设旋转夹盘，旋转夹盘与上下移动座相连接，在立式机架的下方安设有喷灯组件，喷灯组件与燃气和化学气体原料供应***相连通，其特征在于在旋转夹盘或上下移动座上安设重力传感器，重力传感器的输出端与控制单元相联。

按上述方案，所述的重力传感器为电阻应变式重力传感器。

按上述方案，所述的控制单元由PLC（可编程逻辑控制器）和计算机组成，控制单元的输出端与旋转夹盘和上下移动座的驱动控制单元相联，并与燃气和化学气体原料供应***控制单元相联。

按上述方案，所述的喷灯组件包括预制棒芯部喷灯和预制棒包层喷灯。

按上述方案，所述的预制棒芯部喷灯和预制棒包层喷灯对应旋转夹盘固定在立式机架下方一侧，其中预制棒芯部喷灯的喷射方向与垂线的夹角35～45度，预制棒包层喷灯的喷射方向与垂线的夹角为30～40度。

按上述方案，所述的燃气和化学气体原料供应***包括质量流量计MFC和气动阀门。

本发明制作光纤预制棒方法的技术方案为：

将靶棒垂直夹持固定在旋转夹盘上，旋转夹盘下移至靠近喷灯组件处，同时通过控制单元进行装置的初始化设定，

开启旋转夹盘，使靶棒缓慢旋转，同时开启喷灯组件、燃气和化学气体原料供应***，

喷灯组件按照预设的喷射流量将燃烧状态的化学气体原料喷射至旋转的靶棒，沉积形成粉末预制棒的芯部和包层，旋转夹盘缓慢上移，控制单元根据情况通过质量流量计MFC和气动阀门对粉末原料喷射流量进行控制和调整，

旋转夹盘或上下移动座上的重力传感器将粉末预制棒的重量信息连续传输给控制单元，通过对预设直径、移动高度和粉末预制棒重量的综合运算，获得粉末预制棒的上移速度和转速，

喷灯组件不断燃烧喷射，粉末预制棒的芯部和包层不断延伸，重量不断增加，重力传感器连续检测粉末预制棒重量，控制单元根据重量信息控制上下移动座的上移速度，带动粉末预制棒不断上移，直至达到粉末预制棒预定的长度。

按上述方案，所述的燃气为氢气或天然气。

按上述方案，所述的喷灯组件包括预制棒芯部喷灯，预制棒芯部喷灯喷射沉积形成粉末预制棒芯层的反应为：

CH₄ + 2O₂ =CO₂+2H₂O

或 2H₂+O₂=2H₂O

SiCL₄+H2O=SiO₂+HCL

GeCL₄+H₂O=GeO₂+HCL

喷射沉积反应中通过掺入GeCL₄化学材料，水解反应后生成GeO₂，生成的GeO₂最后形成预制棒芯部高折射率芯层粉末体。

按上述方案，所述的喷灯组件包括预制棒包层喷灯，预制棒包层喷灯喷射沉积形成粉末预制棒包层的反应为：

CH₄ + 2O₂ =CO₂+2H₂O

或 2H₂+O₂=2H₂O

SiCL₄+H2O=SiO₂+HCL

喷射沉积反应中通过掺入四氯化硅，水解反应生成SiO₂，生成的SiO₂最后形成预制棒包层的高纯石英玻璃粉末体。

按上述方案，所述的初始化设定包括固定位置的还原，重力传感器的归零，控制单元的参数设定，燃气和化学气体原料供应***原料的准备。

本发明的有益效果在于：1、采用粉末预制棒重量作为反馈信号到PLC，测量速度快、灵敏度高，能对整个粉末预制棒进行实时在线监测，检测精度高，稳定性强，同时避免了环境对于测量件的影响；2、重力传感器安设在VAD设备上，结构简单，占用空间小，安装使用方便； 3、喷灯固定安设，喷射沉积的稳定性更好。

附图说明

图1 为本发明一个实施例的总体结构示意图。

图2 本发明一个实施例中旋转夹盘和上下移动座的局部结构放大示意图。

图3 本发明一个实施例中预制棒加工控制示意图。

图4 本发明一个实施例的工艺的流程示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

本发明装置的实施例如图所示，包括有立式机架01，立式机架的上端安设旋转夹盘02，旋转夹盘与上下移动座03相连接，上下移动座安设在立式垂直导轨04上，并与螺杆驱动机构相连，螺杆驱动机构包括螺杆13 和驱动装置10，上下移动座通过上端的悬架09与旋转夹盘连接，在悬架上安设重力传感器12，所述的重力传感器为电阻应变式重力传感器；在立式机架的下方安设有喷灯组件，所述的喷灯组件包括预制棒芯部喷灯05和预制棒包层喷灯06，所述的预制棒芯部喷灯和预制棒包层喷灯对应旋转夹盘固定在立式机架下方一侧，其中预制棒芯部喷灯的喷射方向与垂线的夹角为35～45度，预制棒包层喷灯的喷射方向与垂线的夹角为30～40度；喷灯组件与燃气和化学气体原料供应***相连通，燃气和化学气体原料供应***包括质量流量计MFC和气动阀门。重力传感器的输出端与控制单元相联，控制单元由PLC（可编程逻辑控制器）和计算机组成，控制单元的输出端与旋转夹盘和上下移动座的驱动控制单元相联，并与燃气和化学气体原料供应***控制单元相连接。由此构成气相轴向沉积装置。

本发明制作光纤预制棒过程为：将靶棒08垂直夹持固定在旋转夹盘上，旋转夹盘下移至靠近喷灯组件处，同时通过控制单元进行装置的初始化设定，初始化设定包括固定位置的还原，重力传感器的归零，控制单元的参数设定，燃气和化学气体原料供应***原料的准备，开启旋转夹盘，使靶棒缓慢旋转，同时开启喷灯组件、燃气和化学气体原料供应***，喷灯组件按照预设的喷射流量将燃烧状态的化学气体原料喷射至旋转的靶棒，沉积形成粉末预制棒的芯部和包层，旋转夹盘缓慢上移，控制单元根据情况通过质量流量计MFC和气动阀门对粉末原料喷射流量进行控制和调整，上下移动座上的重力传感器将粉末预制棒的重量信息连续传输给控制单元，通过对预设直径、移动高度和粉末预制棒重量的综合运算，获得粉末预制棒的上移速度和转速，喷灯组件不断燃烧喷射，粉末预制棒的芯部和包层不断延伸，重量不断增加，重力传感器连续检测粉末预制棒重量，控制单元根据重量信息进行综合运算，控制上下移动座的上移速度，带动粉末预制棒不断上移，并调整上移速度，同时对化学气体原料喷射流量进行调整，直至达到粉末预制棒预定的长度。

在粉末预制棒的沉积生成过程中，旋转夹盘按照设定值旋转并向上提升，以回补由于喷灯喷射反应材料沉积而形成的向下生长部分，从而保持芯部喷灯和包层喷灯与粉末预制棒的角度、高度相对固定；预制棒芯部喷灯喷射沉积形成粉末预制棒芯层的反应为：

CH₄ + 2O₂ =CO₂+2H₂O

或 2H₂+O₂=2H₂O

SiCL₄+H₂O=SiO₂+HCL

GeCL₄+H₂O=GeO₂+HCL

喷射沉积反应中通过掺入GeCL₄化学材料，水解反应后生成GeO₂，四氯化锗的分子量为214.45，通过水解转化为GeO₂，分子量为104.6，化学反应比率：104.6/214.15=48.8%，四氯化锗通过水解转化为GeO₂的转化效率为48.8%，意味着1千克的四氯化锗可以形成0.488千克的GeO₂，生成的GeO2最后形成芯部高折射率芯层粉末体。

预制棒包层喷灯喷射沉积形成粉末预制棒包层的反应为：

CH₄ + 2O₂ =CO₂+2H₂O

或 2H₂+O₂=2H₂O

SiCL₄+H₂O=SiO₂+HCL

喷射沉积反应中通过掺入四氯化硅，四氯化硅，分子量为170.08，通过水解转化为SiO₂，分子量为60.09，化学反应比率：60.09/170.09=35.3%，转化效率为35.3%，意味着1千克的四氯化硅可以形成0.353千克的高纯石英玻璃。生成的SiO₂最后形成预制棒包层的高纯石英玻璃粉末体。

为获得最佳的光纤结果，包括衰减、截止波长、色散等参数，D/d外包层直径与芯部直径比率控制在4.0±0.5的范围内，相应四氯化硅的外包层比率约在93%左右，四氯化硅的芯部比率约在6%左右，四氯化锗比率约1%，精确计算得到化学气体原料的流量值，控制单元通过质量流量计MFC对化学气体原料供应***进行信号输出调整，粉末预制棒外径的波动变化量与化学原料供应***的修正频率相关。

图1为装置的总体结构示意图，包括立式机架01，具有上下移动功能的上下移动座03通过垂直导轨04与立式机架连接在一起，预制棒芯部喷灯05和预制棒包层喷灯06位于立式机架下方一侧，旋转夹盘02通过悬架与上下移动座相连接，所要沉积的粉末预制棒07固定在旋转夹盘上。

图2为旋转夹盘和上下移动座的局部结构放大图，13为螺杆***， 09为悬架，10为螺杆的驱动装置，通过螺杆的转动，使得悬架带动负载***上升或是下降，11为旋转夹盘的驱动装置，悬架上安设电阻应变重力传感器12，旋转夹盘带动粉末预制棒按照设定的速度进行旋转。

图3为预制棒加工示意图，沉积制造的粉末预制棒重量随着时间逐渐增加，重力传感器将粉末预制棒的重量连续传输给PLC控制***，计算机根据重量信息进行综合运算，同时相关的控制参数可以通过计算机进行输入和修改，通过PLC控制上下移动座的上移速度，带动粉末预制棒不断上移，并调整上移速度，同时对燃气和化学气体原料喷射流量进行调整，燃气和化学气体原料供应***包括质量流量计MFC和气动阀门，由其对化学气体的流量进行控制后输出到喷灯组件，最终实现对于粉末预制棒的制造。

喷灯是化学气体反应的场所，两个喷灯反应生成的材料沉积在粉末预制棒的末端，粉末预制棒的重量逐渐增加并向下延伸，重力传感器连续测量粉末预制棒制造过程中的重量变化量，单位时间内的重量变化量为沉积速度，为更加精确控制粉末预制棒的外观及最后的折射率图形的稳定性，理论上，沉积重量变化的时间间隔越小越好，实际制造中根据经验会给出一个最佳的控制时间。

控制单元计算好设定时间内的重量变化量，进行换算后得到需要的化学原料流量，预制棒芯部喷灯05和预制棒包层喷灯06的流量不同,包层喷灯只有四氯化硅，其调整量为重量增加量乘以外包层比例，再除以转换效率0.353, 四氯化硅的外包层比率约在93%左右，这与所设计的包层与芯层的比率有关系。

芯部喷灯有两种化学原料需要进行控制，四氯化硅流量控制量为重量增加量乘以芯层二氧化硅比例约6%，再除以转换效率0.353, 四氯化锗流量控制量为重量增加量乘以二氧化锗比例1%，再除以转换效率0.488, 二氧化硅和二氧化锗的含量比率与所设计的包层与芯层的比率有关系。

精确计算得到化学原料的流量值后，控制单元对化学原料供应***进行信号输出调整，粉末预制棒外径的波动变化量与化学原料供应***的修正频率密切相关。

粉末预制棒的延长长度根据上升螺杆的位移量进行计算得到，粉末预制棒的直径，依据重量、密度、延伸长度计算而得。

图4说明粉末预制棒制造的工艺流程示意图，步骤S21是对***进行初始化，包括固定位置的还原，重力传感器的归零，控制单元的参数设定，原料供应***的准备，喷灯***的固定等；步骤S22是在粉末预制棒制造过程中进行重量测量，实现有效的反馈；步骤S23是控制单元对反馈信号进行计算得出原料的实际偏移量；步骤S24是计算最终的原料偏移量；步骤S25把计算的数据输入到原料供应***，对输出设备进行流量调整，S26达到目标预制棒长度重量后，完成生产。

Claims (10)

1.一种VAD法制造光纤预制棒的装置，包括有立式机架，立式机架的上端安设旋转夹盘，旋转夹盘与上下移动座相连接，在立式机架的下方安设有喷灯组件，喷灯组件与燃气和化学气体原料供应***相连通，其特征在于在旋转夹盘或上下移动座上安设重力传感器，重力传感器的输出端与控制单元相联。

2.按权利要求1所述的VAD法制造光纤预制棒的装置，其特征在于所述的重力传感器为电阻应变式重力传感器。

3.按权利要求1或2所述的VAD法制造光纤预制棒的装置，其特征在于所述的控制单元由PLC和计算机组成，控制单元的输出端与旋转夹盘和上下移动座的驱动控制单元相联，并与燃气和化学气体原料供应***控制单元相联。

4.按权利要求1或2所述的VAD法制造光纤预制棒的装置，其特征在于所述的喷灯组件包括预制棒芯部喷灯和预制棒包层喷灯。

5.按权利要求4所述的VAD法制造光纤预制棒的装置，其特征在于所述的预制棒芯部喷灯和预制棒包层喷灯对应旋转夹盘固定在立式机架下方一侧，其中预制棒芯部喷灯的喷射方向与垂线的夹角为35～45度，预制棒包层喷灯的喷射方向与垂线的夹角为30～40度。

6.按权利要求1或2所述的VAD法制造光纤预制棒的装置，其特征在于所述的燃气和化学气体原料供应***包括质量流量计MFC和气动阀门。

7.一种VAD法制造光纤预制棒的方法，其特征在于采用权利要求1~6的任意装置，过程如下：

将靶棒垂直夹持固定在旋转夹盘上，旋转夹盘下移至靠近喷灯组件处，同时通过控制单元进行装置的初始化设定，

开启旋转夹盘，使靶棒缓慢旋转，同时开启喷灯组件、燃气和化学气体原料供应***，

喷灯组件按照预设的喷射流量将燃烧状态的化学气体原料喷射至旋转的靶棒，沉积形成粉末预制棒的芯部和包层，旋转夹盘缓慢上移，控制单元根据通过质量流量计MFC和气动阀门对化学气体原料喷射流量进行控制和调整，

旋转夹盘或上下移动座上的重力传感器将粉末预制棒的重量信息连续传输给控制单元，通过对预设直径、移动高度和粉末预制棒重量的综合运算，获得粉末预制棒的上移速度和转速，

喷灯组件不断燃烧喷射，粉末预制棒的芯部和包层不断延伸，重量不断增加，重力传感器连续检测粉末预制棒重量，控制单元根据重量信息控制上下移动座的上移速度，带动粉末预制棒不断上移，直至达到粉末预制棒预定的长度。

8.按权利要求7所述的VAD法制造光纤预制棒的方法，其特征在于所述的燃气为氢气或天然气CH₄。

9.按权利要求8所述的VAD法制造光纤预制棒的方法，其特征在于所述的喷灯组件包括预制棒芯部喷灯，预制棒芯部喷灯喷射沉积形成粉末预制棒芯层的反应为：

CH₄ + 2O₂ =CO₂+2H₂O

或 2H₂+O₂=2H₂O

SiCL₄+H2O=SiO₂+HCL

GeCL₄+H₂O=GeO₂+HCL

喷射沉积反应中通过掺入GeCL₄化学材料，水解反应后生成GeO₂，生成的GeO₂最后形成预制棒芯部高折射率芯层粉末体；

所述的喷灯组件包括预制棒包层喷灯，预制棒包层喷灯喷射沉积形成粉末预制棒包层的反应为：

CH₄ + 2O₂ =CO₂+2H₂O

或 2H₂+O₂=2H₂O

SiCL₄+H2O=SiO₂+HCL

喷射沉积反应中通过掺入四氯化硅，水解反应生成SiO₂，生成的SiO₂最后形成预制棒包层的高纯石英玻璃粉末体。

10.按权利要求7或8所述的VAD法制造光纤预制棒的方法，其特征在于所述的初始化设定包括固定位置的还原，重力传感器的归零，控制单元的参数设定，燃气和化学气体原料供应***原料的准备。

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