一種連續製造光纖傳感器的裝置製造方法
2023-06-10 12:24:16 1
一種連續製造光纖傳感器的裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公布了一種連續製造光纖傳感器的裝置，依次包括光纖拉絲機構、儲線與裸光纖線速度調節機構、光纖傳感器加工機構、光纖保護層塗覆及固化機構和收線機構。通過儲線與裸光纖線速度調節機構暫存光纖拉絲機構拉出的裸光纖，使得光纖傳感器加工機構在靜止的裸光纖上加工光纖傳感器。實現在不影響光纖拉絲速度及光纖直徑精度以及光纖光學性能及機械強度的前提下，在線連續製造光纖傳感器。本實用新型使光纖拉絲、光纖傳感器加工、光纖保護塗覆及固化工藝一次完成，大幅提高生產效率。同時，無需離線製造光纖傳感器所需的保護塗層剝離，以及保護層再次塗覆的工藝，從而最大限度的降低了因光纖保護層不均勻而造成的對光纖傳感器特性的影響。
【專利說明】一種連續製造光纖傳感器的裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於光纖傳感器製備領域，涉及光纖拉制過程中同時在線連續加工多種不同種類的分布式光纖傳感器。
【背景技術】
[0002]分布式光纖傳感器具有良好的應用前景，其核心製備技術要求在一根長距離光纖上的不同位置以儘可能低的損耗加工光纖傳感器，使這跟光纖兼具傳感與信號傳輸的功能。傳統分布式光纖傳感器的製備方法是使用已拉制好的光纖製備單個的光纖傳感器，再將這些傳感器串聯熔接成一根長距離分布式的光傳感線路。在製造單個光纖傳感器時，必須先採用化學溶劑或機械方法除去光纖原有的樹脂保護層，在光纖的石英包層結構上直接進行加工。加工完成後還要使用專用的二次塗覆裝置重建樹脂保護層結構。使用二次塗覆裝置重建的紫外光硬化樹脂其材質、結構、厚度、形狀均與光纖原有保護層不同。因此會不可避免的影響傳感器的光學性能穩定性並降低光纖傳感器的機械強度。此外將傳感器串聯熔接的工藝會因為調芯裝置的精度限制導致不可避免的附加損耗並影響到光信號的品質。同時熔接部分還要使用熱收縮護套固定，這會降低光纖的可繞性，以及系統的可靠性。在光纖從預製棒拉製成絲後，隨即在線製造光纖傳感器，並進行保護層塗覆及固化工藝，可以有效的解決上述問題，並大幅提高生產效率，降低成本。
[0003]然而，傳統光纖傳感器例如採用光纖光柵結構的光纖傳感器的製造要求在靜止狀態下進行，而無法實現動態在線製備。英國南安普頓大學的L.Dong等人提出了採用單脈衝全息幹涉法實現在光敏光纖的拉制過程中動態在線寫入光柵的方法[I]。雖然上述文獻資料實現了動態條件下光柵的在線寫入，但此成柵方法存在幾大難點，造成此方法很難形成成熟的光柵製備技術。光纖始終處於運動狀態時，光纖的徑向位置隨著時間變化，總是不可避免的產生一定量的偏移；光纖軸向的運動速度也會因為為了保持光纖直徑在設計誤差範圍內，不間斷的進行調整。這些都會直接影響光柵製作的精度。同時因為光纖始終處於運動狀態，對光柵製作設備的光學系統設計與控制精度要求高，導致設備複雜化，高價化並影響設備的穩定性。另外因為光纖處於運動狀態，無法使用接觸式以及所需加工時間較長的加工方式。所以這種方法只適用於拉制對光非常敏感的例如載氫增敏的特種光纖。
[0004]武漢理工大學的姜德生等人提出了先拉制裸光纖再在以恆定速度運動的光纖上動態在線寫入光柵並完成保護層塗覆及固化工藝[2]。進一步拓展此方法可以在光柵寫入時將光纖移動速度設定為零，完成光柵刻寫後，重新移動光纖進行塗覆工藝。這種方法可以解決光纖拉絲速度不穩定狀態下以及動態過程中寫光柵時存在的問題。但是使用這種先拉制裸光纖再寫光柵的方法存在以下問題。將光纖拉制與保護層塗覆分開的工藝不可避免的使裸露的光纖長時間與空氣接觸。而在普通的光纖拉絲工藝中，裸光纖與空氣接觸的時間一般不會超過十數秒。因為裸露的光纖直徑僅為125微米，其表面極易吸附水蒸汽與細小的懸浮顆粒，產生細小的裂痕與缺陷，這將會影響到光纖的機械強度與光學性能的長期穩定性。嚴重時光纖還會斷裂。另外將拉絲與保護層塗覆這兩項工藝都是耗時的工藝。將兩者分開不可避免的降低生產效率。雖然拉絲工藝可以在一個相對較快的速度下進行，但因為裸光纖強度有限，拉絲速度會受到很大制約。
[0005][I] L Dong et al., 「Single pulse Bragg gratings written during fiber
,Electron Lett., 29, 1577-1578 (1993)。
[0006][2]實用新型專利申請CN102590929，實用新型人姜德生武漢理工大學。
實用新型內容
[0007]本實用新型的目的是針對傳統在線光纖傳感器的製造方法存在的諸多技術難點和自身難以克服的技術不足，以及以傳統在線方法製造的光纖傳感器存在可靠性差等問題提出一種在線連續製造光纖傳感器的裝置及其方法。
[0008]本實用新型為實現上述目的，採用如下技術方案:
[0009]一種連續製造光纖傳感器的裝置，其特徵在於:該裝置依次包括光纖拉絲機構、儲線與裸光纖線速度調節機構、光纖傳感器加工機構、光纖保護層塗覆及固化機構和收線機構；
[0010]所述光纖拉絲機構用於將光纖預製棒連續拉製成裸光纖，並傳送至儲線與裸光纖線速度調節機構；
[0011]所述儲線與裸光纖線速度調節機構用於暫存光纖拉絲機構傳送的裸光纖，調節輸出的裸光纖線速度為O至V』，並傳送至光纖傳感器加工機構；
[0012]所述光纖傳感器加工機構用於在靜止的裸光纖上加工光纖傳感器；
[0013]所述光纖保護層塗覆及固化機構用於在加工了光纖傳感器的裸光纖上塗覆保護層並固化，形成帶保護層光纖；
[0014]所述收線機構用於收取帶保護層的光纖。
[0015]其進一步特徵在於:儲線與裸光纖線速度調節機構包括一根固定的定軸和一個可調整與定軸距離的動軸，所述定軸和動軸上設置有多個繞線定位輪，裸光纖交替繞在動軸和定軸上的繞線定位輪上。
[0016]光纖傳感器加工機構可以採用下述多種形式。:
[0017]1.所述光纖傳感器加工機構包括雷射器與光柵模板,在裸光纖的纖芯部分直接刻寫光柵。
[0018]2.所述光纖傳感器加工機構包括波長10微米的二氧化碳雷射器或波長3微米的鉺摻雜YAG雷射器以及退火處理加熱裝置，在裸光纖的包層上直接刻寫長周期光纖光柵，並退火處理。
[0019]3.所述光纖傳感器加工機構包括機械研磨裝置，用於除去光纖一部分的石英包層，製造利用衰逝波傳感的D型光纖傳感器。
[0020]4.所述光纖傳感器加工機構包括化學刻蝕裝置，用於除去光纖一部分的石英包層，製造利用衰逝波傳感的細徑光纖傳感器。
[0021]一種採用上述裝置的連續製造光纖傳感器的方法，包括兩種工作狀態:
[0022]光纖拉制狀態:光纖拉絲機構連續拉制裸光纖，儲線與裸光纖線速度調節機構、光纖傳感器加工機構不工作，裸光纖經過儲線與裸光纖線速度調節機構、光纖傳感器加工機構，以線速度V進入光纖保護層塗覆及固化機構進行裸光纖的保護層塗覆並固化，形成帶保護層光纖；收線機構以光纖拉絲機構拉制裸光纖速度相同的線速度收取帶保護層的光纖;
[0023]光纖傳感器加工狀態:光纖拉絲機構連續拉制裸光纖，儲線與裸光纖線速度調節機構的動軸移動，拉大動軸和定軸之間的距離，加大儲線與裸光纖線速度調節機構的儲線量，使儲線與裸光纖線速度調節機構出線端裸光纖線速度為0，即裸光纖靜止；光纖傳感器加工機構在靜止的裸光纖上加工光纖傳感器，光纖保護層塗覆及固化機構不工作；光纖傳感器加工機構完成一個光纖傳感器的加工後停止工作，收線機構以大於光纖拉絲機構拉制裸光纖速度的線速度收線，光纖保護層塗覆及固化機構工作；儲線與裸光纖線速度調節機構的動軸移動，減小動軸和定軸之間的距離，減小儲線與裸光纖線速度調節機構的儲線量，直到動軸回到初始位置，收線機構恢復光纖拉絲機構拉制裸光纖速度相同的線速度收取帶保護層的光纖，等待一下個光纖傳感器的加工周期；
[0024]通過上述兩種工作狀態的轉換，實現帶有光纖傳感器光纖的連續製造。
[0025]本實用新型特點:在不影響光纖拉絲速度及光纖直徑精度以及光纖光學性能及機械強度的前提下，通過調節已完成拉絲工藝的裸光纖的線速度實現在靜止狀態下在線連續製造光纖傳感器。使用這種裝置及方法可以使光纖拉絲、光纖傳感器加工、光纖保護塗覆及固化工藝一次完成，大幅提高生產效率。同時，光纖傳感器部分的保護層與光傳輸部分光纖的保護層完全相同。無需離線製造光纖傳感器所需的保護塗層剝離，以及保護層再次塗覆的工藝，從而最大限度的降低了因光纖保護層不均勻而造成的對光纖傳感器特性的影響。另外這種裝置與方法與將光纖拉絲和光纖傳感器加工、光纖保護塗覆工藝分離的方法相比，能大幅減少光纖與空氣接觸的時間，從而減少空氣中的水分子以及其他懸浮微粒對光纖的機械強度與光學性能的影響，從而保證光纖傳感器的質量。除以上優點外，因為是在完全靜止狀態下加工光纖傳感器，所以除了在裸光纖的纖芯部通過雷射照射加工光纖光柵型光纖傳感器外，還可以直接在光纖石英包層上，使用雷射照射、機械研磨、化學蝕刻等方法在線連續製造其他類型的光纖傳感器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為本實用新型連續製造光纖傳感器的裝置示意圖。
[0027]圖2為儲線與裸光纖線速度調節裝置的示意圖。
[0028]圖3為在裸光纖的纖芯部分直接刻寫光柵的示意圖。
[0029]圖4為在裸光纖的石英包層部分直接刻寫光柵的示意圖。
[0030]圖5為在裸光纖的石英包層部分直接機械加工D形光纖傳感器的示意圖。
[0031]圖6為使用化學刻蝕方法除去裸光纖一部分石英包層製作細徑光纖傳感器的示意圖。
【具體實施方式】
[0032]如圖1所示一種連續製造光纖傳感器的裝置，依次包括光纖拉絲機構、儲線與裸光纖線速度調節機構108、光纖傳感器加工機構111、光纖保護層塗覆及固化機構和收線機構。
[0033]所述光纖拉絲機構包括光纖預製棒送料裝置101、光纖拉絲爐102和裸光纖抽絲裝置107 ;所述光纖拉絲爐102和裸光纖抽絲裝置107之間設有裸光纖光纖測徑儀104和裸光纖張力測量儀106。光纖拉絲爐102將光纖預製棒103拉製成裸光纖105，通過計算機處理裸光纖光纖測徑儀104接收到的信號自動調節裸光纖抽絲裝置107的的抽絲速度V (米/秒)從而精確地控制裸光纖105的直徑。
[0034]所述儲線與裸光纖線速度調節機構108用於暫存光纖拉絲機構傳送的裸光纖，調節輸出的裸光纖線速度為O至V (米/秒)，並經光纖導向定位輪110傳送至光纖傳感器加工機構111 ;所述儲線與裸光纖線速度調節機構108出線端設置有速度調節裝置後部張力測量儀109。
[0035]所述光纖傳感器加工機構111用於在靜止的裸光纖105上加工光纖傳感器。
[0036]所述光纖保護層塗覆及固化機構包括光纖保護層塗覆裝置112和保護層固化裝置113，其後部設置有光纖保護層測徑儀114和帶保護層光纖張力測量儀116。光纖傳感器加工機構111傳送來的光纖經過光纖保護層塗覆裝置112塗覆保護層和保護層固化裝置113固化保護層後形成帶保護層光纖115，送至收線機構收線。
[0037]所述收線機構依次包括帶保護層光纖抽線裝置117、收線盤速度匹配裝置118和光纖收線盤119，用於收取加工好的帶保護層光纖115。
[0038]圖2是儲線與裸光纖線速度調節裝置的示意圖。該裝置設有一個定軸204和一個動軸203。定軸204和動軸203上設置有定位盤203和繞線定位輪201。根據安放場地的布局，定軸204和動軸203可以採用上下、水平或傾斜的方向設計。裸光纖的最大儲線量Lmax (米)以及使光纖保持靜止狀態的最大時間tmax (秒)，可以通過改變動軸203的最大移動距離Dmax (米)以及改變繞線定位輪201的數量N來設計。拉絲時，將動軸203調到離定軸204最近的初始位置，並將裸光纖按照定軸204、動軸203交替的順序繞在繞線定位輪201上。在未達到傳感器製造節點處前，動軸203位置不變，通過儲線與裸光纖線速度調節裝置後的裸光纖的線速度與拉絲速度V (米/秒)也保持一致，儲線裝置的儲線量L (米)保持最小。當光纖拉制經過設計的長度間隔，達到需要進行光纖傳感器加工的位置節點時，通過電腦程式控制動軸203與定軸204間的距離以及動軸203的移動速度來改變儲線量L(米)，使裸光纖在離儲線與裸光纖線速度調節裝置時的線速度在進行光纖傳感器加工的時間間隔t (秒)內，保持為O (米/秒)。在完全靜止的狀態下加工光纖傳感器。當光纖傳感器加工結束後，在帶保護層光纖抽線裝置117的牽引下，裸光纖線速度從O逐漸加速到大於拉絲速度的一個線數度V1 (米/秒)，儲線裝置的儲線量L經過設計的時間間隔t2 (秒)，逐漸減少至最小，同時控制帶保護層光纖的線速度逐漸回到V (米/秒)。從新達到平衡狀態，為下一處光纖傳感器的加工做好準備。在儲線量L (米)保持最小的狀態下繼續拉制光纖。整個裸光纖線速度調節的過程中，採用計算機監測裸光纖張力測量儀106、速度調節裝置後部張力測量儀109、帶保護層光纖張力測量儀116的信號，使各部位光纖張力保持在設定範圍內的前提下，調節動軸203移動速度改變時的加速度。
[0039]光纖傳感器加工機構111可以採用下述多種形式。
[0040]如圖3所示，本實用新型可以通過選用適合的光纖預製棒並通過在光纖傳感器加工裝置內配置波長適合的雷射器301與光柵模板302，在裸光纖纖芯部分304直接刻寫布拉格光柵、啁啾光柵和長周期光柵。裸光纖石英包層303包覆在裸光纖纖芯部分304外部。[0041 ] 如圖4所示，本實用新型可以通過在光纖傳感器加工裝置內配置波長10微米的二氧化碳雷射器或波長3微米的鉺摻雜YAG雷射器以及退火處理加熱裝置405，使雷射裝置401左右移動，在裸光纖包層402上直接刻寫長周期光纖光柵404。光纖光柵加工完畢後，使用退火處理加熱裝置405進行處理。裸光纖包層402包覆在裸光纖纖芯403外部。
[0042]如圖5所示，本實用新型可以通過在光纖傳感器加工裝置內配置機械切削裝置501，使機械切削裝置501左右移動，使用轉動的鑽頭除去光纖一部分的石英包層503，光纖纖芯504保持不變，製造利用衰逝波傳感的D形光纖傳感器。
[0043]如圖6所示，本實用新型可以通過在光纖傳感器加工裝置內配置化學刻蝕裝置601,使用氫氟酸等化學試劑除去光纖一部分的石英包層602 (603),光纖纖芯604保持不變，製造利用衰逝波傳感的細徑光纖傳感器。刻蝕前的石英包層602，刻蝕後的石英包層603。
【權利要求】
1.一種連續製造光纖傳感器的裝置，其特徵在於:該裝置依次包括光纖拉絲機構、儲線與裸光纖線速度調節機構、光纖傳感器加工機構、光纖保護層塗覆及固化機構和收線機構； 所述光纖拉絲機構用於將光纖預製棒連續拉製成裸光纖，並傳送至儲線與裸光纖線速度調節機構； 所述儲線與裸光纖線速度調節機構用於暫存光纖拉絲機構傳送的裸光纖，調節輸出的裸光纖線速度為O至V』，並傳送至光纖傳感器加工機構； 所述光纖傳感器加工機構用於在靜止的裸光纖上加工光纖傳感器； 所述光纖保護層塗覆及固化機構用於在加工了光纖傳感器的裸光纖上塗覆保護層並固化，形成帶保護層光纖； 所述收線機構用於收取帶保護層的光纖。
2.根據權利要求1所述的連續製造光纖傳感器的裝置，其特徵在於:儲線與裸光纖線速度調節機構包括一根固定的定軸和一個可調整與定軸距離的動軸，所述定軸和動軸上設置有多個繞線定位輪，裸光纖交替繞在動軸和定軸上的繞線定位輪上。
3.根據權利要求1或2所述的連續製造光纖傳感器的裝置，其特徵在於:所述光纖傳感器加工機構包括雷射器與光柵模板，在裸光纖的纖芯部分直接刻寫光柵。
4.根據權利要求1或2所述的連續製造光纖傳感器的裝置，其特徵在於:所述光纖傳感器加工機構包括波長10微米的二氧化碳雷射器或波長3微米的鉺摻雜YAG雷射器以及退火處理加熱裝置，在裸光纖的包層上直接刻寫長周期光纖光柵，並退火處理。
5.根據權利要求1或2所述的連續製造光纖傳感器的裝置，其特徵在於:所述光纖傳感器加工機構包括機械研磨裝置，用於除去光纖一部分的石英包層，製造利用衰逝波傳感的D型光纖傳感器。
6.根據權利要求1或2所述的連續製造光纖傳感器的裝置，其特徵在於:所述光纖傳感器加工機構包括化學刻蝕裝置，用於除去光纖一部分的石英包層，製造利用衰逝波傳感的細徑光纖傳感器。
【文檔編號】G01D5/353GK203785692SQ201420128695
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年3月20日 優先權日:2014年3月20日
【發明者】何祖源, 馬麟 申請人:何祖源