一种光纤预制棒的烧结装置及方法与流程

本发明涉及光纤预制棒烧结领域，具体为一种实时监控预制棒直径，进而实时控制温度和速度，以实现预制棒直径均匀化的烧结装置和方法。

背景技术：

目前，光纤预制棒在烧结过程中，烧结炉温度是通过温度控制系统进行控制，在烧结前对烧结温度进行阶段性地设定，每一个阶段有恒定的温度，每2个阶段间有设定的温度变化速率，烧结过程中的温度按照预先设定的温度和温度变化速率进行改变；送棒速度是通过控制电机控制，在烧结前对送棒速度进行预先设定，每一阶段有固定的速度，烧结过程中的速度按照预先设定的进行变化。

目前影响光纤预制棒的直径控制主要有以下几点，第一，疏松体有效部分的单位长度上的质量均匀性较差，即不同区域沉积的sio2粉末的量差异较大；第二，烧结过程中，高温区玻璃体的黏度由烧结温度决定，此部分玻璃体是拉伸还是收缩，主要取决于内摩擦阻力（与黏度成正比）和高温区下方玻璃体的重力，和此部分玻璃体在高温区的时间（即送棒速度）有关。根据以上可以看出，随着疏松体玻璃化的长度变长，其温度和速度均要进行变化，目前的烧结工艺不利于预制棒直径控制。

中国发明专利02138227.1介绍了一种设计收缩比例系数k值，烧结完后验证，通过不断调整烧结温度，牵引速度，气氛等工艺参数来修正k值的预制棒烧结方法。该方法存在2个弊端，一是k值的设计决定了预制棒的长度，对于预制棒直径和透明度控制效果很小；二是k值受原料疏松体预制棒的密度影响，不同疏松体沉积设备生产的疏松体密度有差异，因此在实际生产过程中，同样的k值需要每台设备对应1套烧结工艺参数，不利于生产管理和实际操作。

中国发明专利200410041908.3介绍了一种改变送棒速度，来改善预制棒同心度和椭圆度的预制棒烧结方法。该方法中也是预先设定不同阶段的送棒速度，不利于预制棒直径控制。

中国发明专利201310724822.x介绍了一种利用激光反馈控制系统，实时监测预制棒透明度，实时调整温度，以有效控制预制棒透明度的预制棒烧结方法。未提及预制棒直径的控制方法。

中国发明专利201610118776.2介绍了一种利用激光反馈控制系统，实时监测预制棒透明度，实时调整送棒速度，以确保预制棒透明化的预制棒烧结方法。未提及预制棒直径的控制方法。

技术实现要素：

本发明旨在针对上述问题，克服当前烧结过程中不能对预制棒直径进行有效控制的问题，提出一种通过实时监测预制棒直径，实时调整温度和速度，能够有效控制预制棒直径的设备及其方法。

本发明的技术方案在于：

一种光纤预制棒的烧结装置，包括炉体及伸入炉体内部的马弗管，所述马弗管的两端均伸出于炉体外，所述马弗管内设有预制棒；所述炉体内马弗管外侧至炉体内壁之间依次设有环绕有加热装置以及隔热层；还包括控制系统、速度控制装置、直径反馈装置及温度测量装置；

其中，温度测量装置为测量加热器温度的温度测量装置；

直径反馈装置为测量预制棒直径的直径反馈装置；

速度控制装置为控制预制棒运动速度的速度控制装置；

所述控制系统一端分别连接温度测量装置及直径反馈装置，另一端与速度控制装置连接，速度控制装置还与预制棒连接。

所述控制系统包括控制电脑及与控制电脑分别连接的速度控制柜以及温控柜；所述速度控制柜一端连接预制棒、一端连接直径反馈装置，一端连接控制电脑；温度测量装置通过温控柜进而连接控制电脑。

所述速度控制装置包括依次连接的石英吊杆及送棒装置，速度控制柜依次通过送棒装置、石英吊杆与预制棒连接。

所述炉体、隔热层及加热装置上均设有供温度测量装置穿过的第一贯穿孔，所述加热装置穿过第一贯穿孔位于炉体内；所述炉体、隔热层及加热装置上均设有第二贯穿孔，直径反馈装置位于炉体外部且与第二贯穿孔的位置对应；第二贯穿孔与第一贯穿孔的距离d满足-50≤d≤50mm。

所述-10mm≤d≤30mm。

所述温度测量装置为热电偶，所述热电偶。

所述直径反馈装置为激光测径仪或图像式测径仪。

所述预制棒为粉末体预制棒。

一种光纤预制棒的烧结方法，使用如上所述光纤预制棒的烧结装置，该过程如下：在烧结时，通过直径反馈装置实时监控烧结过程中的预制棒直径，进而实时控制烧结温度和进棒速度，确保预制棒直径的均匀化。

一种光纤预制棒的烧结方法，使用如上所述光纤预制棒的烧结装置，该过程如下：

1、烧结前测试预制棒的重量、直径、长度。依据其重量、长度及设计参数（锥头长度）计算出预制棒等比例烧结（k值为1）后的玻璃体直径d0。依据其重量、直径分布计算出预制棒密度；

2、烧结程序运行前在控制电脑设定目标直径d1、最大值dmax和最小值dmin，d1=ad0，其中a取值在0.9-0.95，优选0.92；

3、开始烧结时，通过直径反馈装置实时监控烧结过程中的预制棒直径d；

若d＞dmax,则表示预制棒直径超出控制上限，需要升温和降速；若dmin＜d＜dmax，则表示预制棒直径在设定范围内，正常烧结至目标直径d1；若d＜dmin,则表示预制棒直径超出控制下限，需要降温和升速。

速度控制装置的控制原理为：

v1是指当前的速度，l是当前送棒装置的位置，l0是程序设定的结束位置，b是常数，取值0.01-0.02。

温度调节的控制原理为：

t=t1-10*（v-v1），其中，t1是指当前的温度。

本发明的技术效果在于：

本发明实时监测预制棒直径，实时调整温度和速度，达到有效控制预制棒直径的目的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为实施例3中沿轴向长度方向预制棒直径分布图。

图3为实施例3中沿轴向长度方向送棒速度和温度变化图。

附图标记：1-送棒装置，2-石英吊杆，3-马弗管，4-预制棒，5-炉体，6-隔热层，7-加热装置，8-直径反馈装置，9-热电偶，10-速度控制柜，11-温控柜，12-控制电脑。

具体实施方式

实施例1

一种光纤预制棒4的烧结装置，包括炉体5及伸入炉体5内部的马弗管3，所述马弗管3的两端均伸出于炉体5外，所述马弗管3内设有预制棒4；所述炉体5内马弗管3外侧至炉体5内壁之间依次设有环绕有加热装置7以及隔热层6；还包括控制系统、速度控制装置、直径反馈装置8及温度测量装置；

其中，温度测量装置为测量加热器温度的温度测量装置；

直径反馈装置8为测量预制棒4直径的直径反馈装置8；

速度控制装置为控制预制棒4运动速度的速度控制装置；

所述控制系统一端分别连接温度测量装置及直径反馈装置8，另一端与速度控制装置连接，速度控制装置还与预制棒4连接。

实施例2

在实施例1的基础上，还包括：

所述控制系统包括控制电脑12及与控制电脑12分别连接的速度控制柜10以及温控柜11；所述速度控制柜10一端连接预制棒4、一端连接直径反馈装置8，一端连接控制电脑12；温度测量装置通过温控柜11进而连接控制电脑12。所述速度控制装置包括依次连接的石英吊杆2及送棒装置1，速度控制柜10依次通过送棒装置1、石英吊杆2与预制棒4连接。所述炉体5、隔热层6及加热装置7上均设有供温度测量装置穿过的第一贯穿孔，所述加热装置7穿过第一贯穿孔位于炉体5内；所述炉体5、隔热层6及加热装置7上均设有第二贯穿孔，直径反馈装置8位于炉体5外部且与第二贯穿孔的位置对应；第二贯穿孔与第一贯穿孔的距离d满足-50≤d≤50mm。优选，-10mm≤d≤30mm。所述温度测量装置为热电偶9，所述热电偶9。所述直径反馈装置8为激光测径仪或图像式测径仪。所述预制棒4为粉末体预制棒4。

实施例2

一种光纤预制棒4的烧结方法，使用如上所述实施例1的烧结装置，该过程如下：

在烧结时，通过直径反馈装置8实时监控烧结过程中的预制棒4直径，进而实时控制烧结温度和进棒速度，确保预制棒4直径的均匀化。

实施例3

一种光纤预制棒4的烧结方法，使用如上所述实施例1的烧结装置，该过程如下：

1、选取一根粉末体，其理论直径d0为134.8mm；

2、烧结程序运行前在控制电脑12设定目标直径d1为124mm，d1=0.92d0；最大值dmax为125.2mm和最小值dmin为122.7mm，；

3、开始烧结时，通过直径反馈装置8实时监控烧结过程中的预制棒4直径d；

加热装置7开始升温，30min将炉体5温度升高到1530℃。预制棒43.0mm/min开始下降，初始d＜d1，表示预制棒4均匀部分还未到直径反馈装置8，此阶段不启用控制系统。当首次出现d＞d1的情况，说明预制棒4均匀部分已到达直径反馈装置8水平面，此时开启控制电脑12，控制温度和速度变化。控制电脑12进行速度及温度的调节。

速度控制装置的控制原理为：

v1是指当前的速度，l是当前送棒装置1的位置，l0是程序设定的结束位置，b是常数，取值0.01-0.02。

温度调节的控制原理为：

t=t1-10*（v-v1），其中，t1是指当前的温度。

速度和温度的调节如图3所示。