一种利用激光进行pid控制光纤预制棒烧结的设备的制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种利用激光进行PID控制光纤预制棒烧结的设备，其利用一对激光发射器和接收器实时监测烧结情况，进而实时控制提升装置的进给速度，确保烧结完成后的光纤预制棒的透明化。其包括马弗管，所述马弗管的中段外环面设置有加热器，所述加热器的外部设置有保温层，所述保温层整体置于外层壳体内，疏松体的顶部设置有连接杆，烧结状态下的所述疏松体位于所述马弗管的内部，其特征在于：所述连接杆的顶端外露于所述马弗管的顶部，所述连接杆的顶部连接提升装置，所述提升装置的速度控制部件外接于控制系统，所述外层壳体两侧的外壁对应于所述加热器的加热区域位置设置有一对激光发射器和激光接收器。
【专利说明】
一种利用激光进行PID控制光纤预制棒烧结的设备
技术领域
[0001]本实用新型涉及光纤预制棒烧结的技术领域，具体为一种利用激光进行PID控制光纤预制棒烧结的设备。
【背景技术】
[0002]光纤预制棒制造过程中，一般首先采用0VD、VAD等方法制造出二氧化硅粉尘前驱体(或称为疏松体)，然后将疏松体放置于烧结炉中，通入氯气、氦气等气体脱去其中的水分和羟基，然后继续升温，使疏松体玻璃化成光纤预制棒。疏松体为多孔结构，密度一般在(0.25-0.6)g/cm3之间，横截面上密度分布如图1所示，I表示芯部密度较高，向外密度逐步减小，2表示芯部密度低于外部，疏松体的这种密度分布使其在玻璃化时非常容易出现气孔消除不完全、透明化较差等情况。这是由于外侧密度小松软层的气泡容易排出，而芯部气泡排出较困难，若疏松体进入高温区速度较快，外表面层首先玻璃化，芯部气泡排出通道受阻，排出时间变长，气泡排出速度跟不上烧结速度，就会被封闭在内部，出现透明化较差的问题；同时，如果温度过高，表面层玻璃化太快，气泡同样无法排出。可见烧结速度是影响疏松体透明化效果的主要原因，温度是次要原因。图2是疏松体玻璃化过程示意图，3是连接杆，4是疏松体，5是已经玻璃化的外层，6是玻璃化速度落后于外层的芯部，7是完全玻璃化后的疏松体。
[0003]烧结炉由石英玻璃马弗管、发热体、保温层、外层壳体、温控装置等部件组成。在疏松体烧结时，烧结炉升温至15000C左右，疏松体缓慢通过烧结炉高温区，玻璃化为光纤预制棒。
[0004]基于前面所述，疏松体在烧结时，速度不宜过快，温度不宜过高，否则容易出现透明化问题。为解决透明化问题，可以减慢疏松体进入烧结炉高温区的速度，但该方法会降低生产效率，不利于节约成本。
[0005]中国实用新型专利200410041908.3《一种疏松体光纤预制棒的烧结装置》介绍了一种变速烧结以改善光纤预制棒同心度的方法，在烧结的前半段使用相对慢的烧结速度，在烧结后半段使用相对较快的烧结速度，但该专利并没有关于疏松体是否透明化问题的表述。根据中国实用新型专利201310724822.X《一种光纤预制棒的烧结方法及设备》所述，烧结后半段提速的方法并不可行，按照其表述，烧结后半段应该降速。
[0006]为了提高烧结过程灵活性、成功率和节约成本，中国实用新型专利201310724822.X提出了一种利用激光实时控制烧结进程的办法，该方法利用一对激光发射和接收器实时监测烧结情况，若光纤预制棒透明度下降，导致激光接收器接收到的功率下降，则增加烧结温度，直至激光功率上升到预设值，表明光纤预制棒透明化程度较好，则停止增加温度。该方法可以对光纤预制棒透明化情况进行实时监控，从而进行调整，减少透明化问题的发生。但该方法烧结速度固定，不能提高效率；同时该方法存在一个重要问题:即检测是否透明的激光器位于高温区外，当激光器检测到功率下降时，该区域已经远离高温区，此时再提高烧结温度，可能会导致已经穿过高温区但仍未排出的气泡被封存于芯层，导致透明化效果较差，因此靠简单的提高烧结温度和随意的设置激光检测器安装位置，并不能完全解决光纤预制棒的透明化问题。
[0007]所以，仍需要一种能够在提高烧结效率同时保证透明化设备。
【发明内容】
[0008]针对上述问题，本实用新型提供了一种利用激光进行PID控制光纤预制棒烧结的设备，其利用一对激光发射器和接收器实时监测烧结情况，进而实时控制提升装置的进给速度，确保烧结完成后的光纤预制棒的透明化。
[0009]—种利用激光进行PID控制光纤预制棒烧结的设备，其技术方案是这样的:其包括马弗管，所述马弗管的中段外环面设置有加热器，所述加热器的外部设置有保温层，所述保温层整体置于外层壳体内，疏松体的顶部设置有连接杆，烧结状态下的所述疏松体位于所述马弗管的内部，其特征在于:所述连接杆的顶端外露于所述马弗管的顶部，所述连接杆的顶部连接提升装置，所述提升装置的速度控制部件外接于控制系统，所述外层壳体两侧的外壁对应于所述加热器的加热区域位置设置有一对激光发射器和激光接收器，所述激光发射器的射出端所射出的激光依次透过对应位置的外层壳体、保温层、加热器、马弗管并最终被所述激光接收器所接收，所述激光发射器、激光接收器分别连接所述控制系统，所述激光发射器射出的功率、激光接收器接收的功率分别被实时传输至所述控制系统，所述控制系统内置有PID模块，PID模块通过比对激光发射器射出的功率、激光接收器接收的功率的差值实时控制所述提升装置的速度控制部件。
[0010]其进一步特征在于:所述马弗管的下端侧部设置有进气口，所述马弗管的上端侧部设置出气口，所述马弗管的顶部盖装有密封盖，所述连接杆的下端贯穿所述密封盖后伸入所述马弗管的内腔；
[0011]所述激光接收器与发射器之间形成有激光贯穿轴线，所述外层壳体对应于激光贯穿轴线的位置设置有贯穿孔，所述保温层对应于所述激光贯穿轴线的位置设置有耐高温透明窗口，所述加热器的加热段对应于所述激光贯穿轴线的位置设置有贯穿避让孔，所述马弗管为石英玻璃马弗管，确保激光从激光发射器沿着激光贯穿轴线、穿过对应位置的疏松体后最终会被激光接收器所接收；
[0012]所述激光贯穿轴线位于所述加热器半高平面的下方，所述激光贯穿轴线与所述加热器半高平面之间的具体为L，L的数值为O?300_;
[0013]优选地1^取值介于150mm?180mm。
[0014]—种利用激光进行PID控制光纤预制棒烧结的方法，其特征在于:疏松体脱水后，利用一对激光发射器和接收器实时监测正在烧结的疏松体的烧结情况，进而实时控制提升装置的进给速度，在保证烧结温度不变的情况下，确保烧结完成后的光纤预制棒的透明化。
[0015]其进一步特征在于:将疏松体放入马弗管中，通入氦气与氯气，之后加热器开始加热，到达1200°C，开始脱水，排出反应废气，当脱水结束后，加热器继续加热到1500 ± 10°C，开始烧结，此时激光发射器发出激光，功率SP1，通过外层壳体、保温层、加热器、马弗管，穿过已透明的疏松体，到达激光接收器，激光接收器接收到的激光功率为P2，控制系统内的PID模块通过实时比对?:与?2的大小，实时控制所述提升装置的速度控制部件，直至烧结结束，加热器停止加热，烧结炉温恢复至待机温度，准备下一次生产；
[0016]在烧结时，激光发射器发射功率为P1的激光，穿过透明化的疏松体，由激光接收器接收，接收到的激光功率为P2，PjPP2的差值为ΛΡ，预先测得疏松体透明化状态的下的功率差值Po，Po与ΛΡ进行比对，若ΛΡ>Ρο，则说明疏松体透明化效果较差，PID模块控制下降速度变慢;SAPSPo，则说明疏松体透明效果较好，PID模块控制下降速度变快。
[0017]采用上述技术方案后，将疏松体放入马弗管中，之后通气、加热，进行脱水，脱水结束后，加热器继续加热到1500±10°C，并维持温度稳定，开始烧结，之后激光发射器维持固定时间间隔发出激光，功率SP1，穿过已透明的疏松体，到达激光接收器，接收到的激光功率为P2，PID模块通过比对激光发射器射出的功率、激光接收器接收的功率的差值实时控制所述提升装置的速度控制部件，直至烧结结束，加热器停止加热，烧结炉温恢复至待机温度，准备下一次生产，其利用一对激光发射器和接收器实时监测正在烧结的疏松体的烧结情况，进而实时控制提升装置的进给速度，确保烧结完成后的光纤预制棒的透明化。
【附图说明】
[0018]图1为疏松体径向密度分布示意图；
[0019]图2为图2疏松体玻璃化过程示意图；
[0020]图3为本实用新型的设备的结构示意图；
[0021]图中序号所对应的名称如下:
[0022]连接杆3、疏松体4、已经玻璃化的外层5、玻璃化速度落后于外层的芯部6、完全玻璃化后的疏松体7、提升装置8、密封盖9、出气口 1、加热器11、保温层12、外层壳体13、耐高温透明窗口 14、激光发射器15、激光接收器16、马弗管17、进气口 18、贯穿避让孔19、加热器半高平面20、激光贯穿轴线21、控制系统22、PID模块23、贯穿孔24。
【具体实施方式】
[0023]—种利用激光进行PID控制光纤预制棒烧结的设备，见图3:其包括马弗管17，马弗管17的中段外环面设置有加热器11，加热器11的外部设置有保温层12，保温层12整体置于外层壳体13内，疏松体4的顶部设置有连接杆3，烧结状态下的疏松体4位于马弗管17的内部，连接杆3的顶端外露于马弗管17的顶部，连接杆3的顶部连接提升装置8，提升装置8的速度控制部件外接于控制系统22，外层壳体13两侧的外壁对应于加热器11的加热区域位置设置有一对激光发射器15和激光接收器16，激光发射器15的射出端所射出的激光依次透过对应位置的外层壳体13、保温层12、加热器11、马弗管17并最终被激光接收器16所接收，激光发射器15、激光接收器16分别连接控制系统22，激光发射器15射出的功率、激光接收器16接收的功率分别被实时传输至控制系统22，控制系统22内置有PID模块23，PID模块23通过比对激光发射器射出的功率、激光接收器接收的功率的差值实时控制提升装置8的速度控制部件。
[0024]马弗管17的下端侧部设置有进气口18，马弗管17的上端侧部设置出气口 10，马弗管17的顶部盖装有密封盖9，连接杆3的下端贯穿密封盖9后伸入马弗管17的内腔；
[0025]激光接收器16与激光发射器15之间形成有激光贯穿轴线21，外层壳体13对应于激光贯穿轴线21的位置设置有贯穿孔24，保温层12对应于激光贯穿轴线的位置设置有耐高温透明窗口 14，加热器11的加热段对应于激光贯穿轴线21的位置设置有贯穿避让孔19，马弗管17为石英玻璃马弗管，确保激光从激光发射器15沿着激光贯穿轴线21、穿过对应位置的疏松体4后最终会被激光接收器16所接收；
[0026]激光贯穿轴线21位于加热器半高平面20的下方，激光贯穿轴线21与加热器半高平面20之间的具体为L，L的数值为O?300mm;
[0027]优选地L取值介于150mm?180mm，该高度可以保证检测到的疏松体的透明化度可以及时得到控制和调整，确保整个光纤预制棒的透明化；
[0028]激光发射器15和激光接收器16为ZMlOX型激光测径仪，但并不限于该型激光测径仪，与其功能相同的其他厂商生产的激光测径仪均可达到本实用新型的效果；
[0029]用于耐高温透明窗口14的材料为透明氧化铝陶瓷，但不局限于氧化铝材料，任何耐火度大于1600 0C的激光可透过耐火材料均可以充当耐高温透明窗口 14。
[0030]—种利用激光进行PID控制光纤预制棒烧结的方法，采用图3的设备:疏松体4脱水后，利用一对激光发射器15和激光接收器16实时监测正在烧结的疏松体4的烧结情况，进而实时控制提升装置8的进给速度，在保证烧结温度不变的情况下，确保烧结完成后的光纤预制棒的透明化。
[0031]将疏松体4放入马弗管17中，通过进气口18通入氦气与氯气，之后加热器11开始加热，到达1200°C，开始脱水，从出气口 10排出反应废气，当脱水结束后，加热器11继续加热到1500 ±10°C，开始烧结，此时激光发射器15发出激光，功率Sp1，通过外层壳体13、保温层12、加热器11、马弗管17，穿过已透明的疏松体4，到达激光接收器16，激光接收器16接收到的激光功率为P2，控制系统22内的PID模块23通过实时比对?!与?2的大小，实时控制提升装置8的速度控制部件，直至烧结结束，加热器11停止加热，烧结炉温恢复至待机温度，准备下一次生产；
[0032]在烧结时，激光发射器15发射功率为P1的激光，穿过透明化的疏松体4，由激光接收器16接收，接收到的激光功率为P2，PdPPW^差值为ΛΡ，预先测得疏松体透明化状态的下的功率差值Po，Po与ΛΡ进行比对，若ΛΡ>Ρο，则说明疏松体透明化效果较差，PID控制下降速度变慢;SAPSPo，则说明疏松体透明效果较好，PID控制下降速度变快。
[0033]通过公式I计算AP，PID模块所对应的提升速度由公式2计算得到:
[0034]ΛΡ = Ρ1-Ρ2(公式I)。
[0035]V = Vt^m(Po-AP)或V = Vq.η.(Ρο/ΛΡ)(公式2)。
[0036]以上式中=P1为发射功率，P2为接收功率，V为PID调整后速度，Vo为初始速度，Po为初始给定比对功率，ΛΡ为实际功率差，m、n为功率速度转化系数，为经验值。
[0037]PID即为同步控制的意思，PID模块通过反馈的ΛΡ数值实现同步控制提升装置8的速度，可以使整个系统准确、稳定运行。
[0038]具体实施例一:见图3，激光发射器15、激光接收器16对应所形成的激光贯穿轴线21位于加热器11半高平面20下方150mm处，发射器与激光器处于同一水平线上，激光发射器15发射的激光束宽度0.ro<d<D，D为完全玻璃化后的疏松体的平均外径。在设备初始调试阶段，由激光发射器15发射一束功率SPa的激光，穿过外层壳体13、保温层12、加热器11、马弗管17和为了调试而设置的完全玻璃化后的疏松体，激光接收器16接收到的功率为Pb，上下移动、转动完全玻璃化后的疏松体，取得(Pa-Pb)的平均值即为初始Po，系数m在调试中确定，并保证I.0mm/min^V^?8.0mm/miη ；
[0039]当疏松体4脱水完成后，加热器11开始加热，30min炉温升到(1500土 10) °C，玻璃化步骤开始，激光发射器15、激光接收器16通电启动，根据公式I计算出ΛΡ。此时ΛΡ〈Ρο，表明疏松体4尚未到达激光贯穿轴线21处，此阶段PID模块不启用，疏松体4以Vo = 3mm/min的固定速度下降；当首次出现ΛΡ多Po时，表明疏松体4已到达激光贯穿轴线21处，此时PID模块启动，控制系统22接管疏松体4的下降速度，按照V = Vo+m(P『AP)规则，PID模块控制烧结速度；
[0040]烧结结束的识别:当疏松体4以最快速度连续运行超过5min时，说明烧结结束，此时PID模块退出控制，加热器11在30min将炉温降至待机温度，同时完全玻璃化后的疏松体以100mm/min的速度提出马弗管17，随后开始进行下一次的生产。
[0041]具体实施例二
[0042]见图3，激光发射器15、激光接收器16对应所形成的激光贯穿轴线21位于加热器11半高平面20下方180mm处，在设备初始调试阶段，利用和例I 一样的方法确定Po，系数η在调试中确定，并保证1.0mm/min<V<8.0mm/min ；
[0043]当疏松体4脱水完成后，向上提升，尖端到达加热器11半高平面20时，将提升装置8内的位移传感器置O，提升装置8内设有位置传感器，检测位移，加热器11开始加热，30min炉温升到(1490±20)°C，玻璃化步骤开始，激光发射器15、激光接收器16通电启动，根据公式I计算出ΛΡ。此时ΛΡ〈Ρο，表明疏松体4尚未到达激光贯穿轴线21处，此阶段PID模块不启用，疏松体4以Vo = 4mm/min的固定速度下降；45min后首次出现ΛΡ彡Po时，表明疏松体4已到达激光贯穿轴线21处，此时PID模块启动，控制系统22接管疏松体4的下降速度，按照V = V0.η.(Ρο/ΛΡ)规则，PID控制烧结速度；
[0044]烧结结束的识别:比对位移传感器反馈值I与疏松体的长度1，若I多1，则说明烧结结束，加热器11在30min将炉温降至待机温度，同时完全玻璃化后的疏松体以(100 ± 20)mm/min的速度提出马弗管，随后开始进行下一次的生产。
[0045]以上对本实用新型的具体实施例进行了详细说明，但内容仅为本实用新型创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型创造的实施范围。凡依本实用新型创造申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用新型的专利涵盖范围之内。
【主权项】
1.一种利用激光进行PID控制光纤预制棒烧结的设备，其包括马弗管，所述马弗管的中段外环面设置有加热器，所述加热器的外部设置有保温层，所述保温层整体置于外层壳体内，疏松体的顶部设置有连接杆，烧结状态下的所述疏松体位于所述马弗管的内部，其特征在于:所述连接杆的顶端外露于所述马弗管的顶部，所述连接杆的顶部连接提升装置，所述提升装置的速度控制部件外接于控制系统，所述外层壳体两侧的外壁对应于所述加热器的加热区域位置设置有一对激光发射器和激光接收器，所述激光发射器的射出端所射出的激光依次透过对应位置的外层壳体、保温层、加热器、马弗管并最终被所述激光接收器所接收，所述激光发射器、激光接收器分别连接所述控制系统，所述激光发射器射出的功率、激光接收器接收的功率分别被实时传输至所述控制系统，所述控制系统内置有PID模块，PID模块通过比对激光发射器射出的功率、激光接收器接收的功率的差值实时控制所述提升装置的速度控制部件。2.如权利要求1所述的一种利用激光进行PID控制光纤预制棒烧结的设备，其特征在于:所述马弗管的下端侧部设置有进气口，所述马弗管的上端侧部设置出气口，所述马弗管的顶部盖装有密封盖，所述连接杆的下端贯穿所述密封盖后伸入所述马弗管的内腔。3.如权利要求1或2所述的一种利用激光进行PID控制光纤预制棒烧结的设备，其特征在于:所述激光接收器与发射器之间形成有激光贯穿轴线，所述外层壳体对应于激光贯穿轴线的位置设置有贯穿孔，所述保温层对应于所述激光贯穿轴线的位置设置有耐高温透明窗口，所述加热器的加热段对应于所述激光贯穿轴线的位置设置有贯穿避让孔，所述马弗管为石英玻璃马弗管。4.如权利要求3所述的一种利用激光进行PID控制光纤预制棒烧结的设备，其特征在于:所述激光贯穿轴线位于所述加热器半高平面的下方，所述激光贯穿轴线与所述加热器半高平面之间的距离为L，L的数值为O?300mm。5.如权利要求4所述的一种利用激光进行PID控制光纤预制棒烧结的设备，其特征在于:L取值介于150mm?180mm D
【文档编号】C03B37/018GK205616786SQ201620160116
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年3月3日
【发明人】胡付俭, 柏文俊, 马康库, 劳雪刚, 杜森, 冯程
【申请人】江苏亨通光电股份有限公司