张家祥程振洲邹昌光蒋雪萍-小型自动化光纤拉丝系统的研制

1、小型自动化光纤拉丝系统的研制张家祥 程振洲 邹昌光 蒋雪萍 韩霈泽 韩冰 宋峰 )作者简介 宋峰(1967- )，男，教授，主要从事激光、光纤技术等方向的研究。E-mail：fsong) (南开大学物理学院光子学中心,天津,300071)摘要 本文首先阐述了适合于光纤激光测径的双光束干涉法原理，介绍了应用该原理自行设计开发的小型自动化光纤拉丝系统的主要结构，并给出了该系统的主要性能技术指标。本文中介绍的小型自动化光纤拉丝系统不但可以实现商用光纤拉丝机的典型功能，而且具有价格低廉，可扩展性能强等优点，特别适用于实验室对新型材料光纤的研发。关键词 光纤激光测径；光纤拉丝；自动控制系统；单片机中图分

2、类号 TP202 文献标识码 A1 引言在光纤技术迅猛发展的今天，人们对光纤材料的要求已经不仅仅限于普通的硅酸盐玻璃，众多特殊材料近年来引起了人们的广泛兴趣 1-2，并且用其制作的光纤已经被逐渐应用于很多重要领域 3-5。然而，目前对于大部分特种光纤的制造只有极少数的国外单位才能做到，为了能使我国在这一领域可以有所突破，对光纤制备的研究是十分必要的。市面上已有商用的光纤拉制设备出售，其价格比较昂贵，参数设置和调整比较复杂，体积比较庞大，一般适合于工业生产。而在实验室研发过程中，一般要求能够根据材料特性方便灵活地改变参数、体积较小、价格便宜、精度足够、使用方便，而往往不要求拉丝速度快、功能全面。

3、可见商用光纤拉丝设备不能够完全满足实验室对光纤研发的需求。本文介绍了一种自行开发的小型自动化光纤拉丝系统，可以对不同材质（各种玻璃、塑料等）及规格的纤维进行拉制。此系统采用双光束干涉法作为光纤直经测量原理，用Visual C+编写了测控程序，通过对光纤拉丝过程中动态采集到的条纹图像的分析，不仅能够做到光纤直径的动态监测，而且可以将测量结果反馈给单片机，通过对步进电机拉丝速度的改变来实现拉丝过程中对光纤直径的实时控制。另外，此系统还可以通过单片机自动完成对加热炉的温度控制，光纤预制棒的喂料及拉制光纤的收集等功能。整套系统功能完善，可扩展性能强，具有很高的实用性，并且价格低廉，非常适合实验室中对特

4、种光纤的研发和小型生产单位的需求。2 直径测量原理光纤拉丝过程中的直径监测是光纤制备工艺中的核心之一，设计光纤拉丝系统时，我们采用了实时动态激光测径技术。光纤与一般不透明的细丝有所不同，一般的细丝在激光照射下只会产生衍射效应，但是由于光纤是透明介质，所以当激光照射到光纤后，在接收屏上所产生的图像将由两种条纹叠加而成。一是沿光纤边缘产生的夫琅和费衍射条纹；二是透过光纤的折射光线和经光纤表面的反射光线所产生的双光束干涉条纹。它们分别对应着不同的直径测量原理。（1）、夫琅和费衍射根据接收屏上的条纹分布所得到的测量公式为6： 其中：为纤维直径,为入射光波长, L为狭缝到接收屏的距离,S为相邻暗条纹中心

5、的距离。（2）、双光束干涉根据接收屏上的条纹分布所得到的测量公式为7： 其中：为纤维直径,为入射光波长, L为狭缝到接收屏的距离,S为相邻暗条纹中心的距离。根据光强分布特点可知：在衍射图像中高级明条纹衍射光强衰减的很快（一级明条纹最大亮度仅为零级明条纹最大亮度的4.7%），而干涉明条纹最大光强将达到零级明条纹最大亮度4倍，并且最大光强理论上不会衰减。所以大多数高级衍射明条纹光强不及干涉明条纹光强的1%，即我们用照相设备所记录下来的图像是以干涉条纹为主。因此我们仅利用公式对光纤直径进行测量。3 小型自动化光纤拉丝系统结构小型自动化光纤拉丝系统包括：光纤拉丝塔（预制棒喂料系统，加热系统，光纤直径测

6、量系统，光纤涂敷系统，光纤收集系统）和操控设备，如图 1 所示。图1 小型自动化光纤拉丝系统结构示意图Fig.1 Automatic optical fiber drawing system setup预制棒喂料系统采用了线性运动丝杠滑台（1）（指图1中（1），下同）。在步进电机的驱动下，根据纤径、预制棒直径、拉丝速度等参数进行计算，控制预制棒以一定速度被送入加热系统中。加热系统是由镍铬电热丝制作而成的加热炉（2），炉温最高可达到1000度，完全可以满足对磷酸盐玻璃（软化点小于600度）预制棒拉制的要求。为了实现温度的精确测温及自动控温，电炉中安装了K型热电偶，利用带有冷端补偿的运算放大器芯片

7、AD595将热电偶产生的电压放大，并由MX7705转换为16位精度的数字信号并传输给单片机。单片机利用PID控制算法，输出可变占空比方波驱动可控硅加热电炉，使整个加热系统稳定于4之内。从炉中拉成丝后，光纤冷却定型，被送入光纤直径测量系统。光纤直径测量系统主要包括：He-Ne激光器（3），条纹接受屏（4）和图像采集CCD（5）。光纤施棒的系统，构如下就要经过两个针孔式的限位器垂直通过氦氖激光束，采用激光测径的方法对光纤直径进行无接触式测量。当激光束照射光纤时产生干涉，干涉条纹由CCD采集，并送入计算机中计算分析。光纤经过直径测量系统后，进行涂敷。光纤涂敷系统主要由涂敷模具（6）和紫外线固化装置（

8、7）构成。光纤经过涂敷模具后，在光纤的外表面形成一层紫外线固化树脂，马上进入紫外线固化装置使树脂凝固，完成对光纤的涂敷。最后，光纤收集系统通过调整绞盘（8）的收集速度，控制光纤直径，进而收集到成品标准光纤。操控设备负责分析处理光纤拉丝塔中所采集到的所有信号，并反馈给光纤拉丝塔，指挥光纤拉丝塔的运转，主要包括：自动控制系统（9），控制显示面板（10）和计算机（11）三部分。操控设备采用PC机与单片机结合的控制方式，PC机利用串口转换卡将RS232串口总线转换为RS485总线，并挂接五个AT89S52单片机作为下位机，实现自动控制与参数显示。喂料与拉丝绞盘所使用的步进电机由四枚LMD18245芯片

9、驱动，实现了电机的单步八细分，提高了系统运行的稳定性，减少了抖动。PC机的控制软件由Visual C+编写，负责图像采集处理、数据采集显示与下位机任务分配，协调整套设备的运转。整个光纤拉丝塔运转起来后，可以做到自动控制，并且可以针对不同材料的特性，方便地调整操控设备及光纤拉丝塔的参数，以用来制作不同类型的特种玻璃光纤。4 主要技术性能指标a) 具有温度自动检测和控制、芯径自动测量和控制、自动喂料、自动拉丝等功能，整个过程由微机自动控制； b) 可以用来自动拉制光纤和其他玻璃纤维；c) 具有涂敷功能以保护光纤和玻璃纤维；d) 可以针对不同的材料和实际需求设定不同的温度和纤维直径；e) 预制棒位置

10、、炉温、纤径、拉丝速度等参数可以实时显示；f) 系统具有可升级性，以方便以后在需要的时候，可以更换温度更高的炉子，可以对软件操作部分更新换代； g) 小型自动化光纤拉丝系统包括两部分：光纤拉丝塔和操控设备；h) 仪器具体参数：1 喂料速度：0.37-10毫米/分钟（可以通过更改程序调整）； 2 预制棒最大行程：11厘米；3 可安装的预制棒直径范围：12-17毫米；4 电炉尺寸及最高温度：电炉内腔圆柱形，直径35毫米，高65毫米，最高温度9000C；5 温度稳定性：当温度大于400摄氏度以后，温度波动变化不大于2%；6 可测量直径：80-250微米；7 光纤拉制速度：0.1-1米/秒；8 绞盘直

11、径：30厘米；9 拉丝柜高度：2.5-3米；5 结论小型自动化光纤拉丝系统是一个由光学、机械、电子与软件结合的自动控制系统，所涉及的单片机片上程序与PC机控制软件的编写，电子系统设计及机械装置的设计具有自主知识产权，可以方便地进行软件与硬件改造，可以用来拉制各类光纤、玻璃丝以及熔点低（低于1000摄氏度）的其他材料纤维。整套系统功能完善，可扩展性能强，并且价格低廉，特别适用于实验室对新型材料光纤的研发。本课题得到国家大学生创新性实验计划NK0714和新世纪优秀人才支持计划NET-04-0224资助。参考文献：1 Song F, Zhang GY, Shang MR, et al. Three-

12、photon phenomena in the upconversion luminescence of erbium-ytterbium-codoped phosphate glass J. Appl. Phys. Lett. , 2001, 79 (12): 1748-1750.2 B. Hwang, S. Jiang, T. Luo, et al. Cooperative upconversion and energy transfer of new high Er3+ - and Yb3+ - Er 3+ -doped phosphate glasses J. J. Opt. Soc.

13、 Amer. B., 2008, 17 (5): 833-839.3 Feng Song, Zhenzhou Cheng, Changguang Zou, et al. Compact high power broad band Er3+-Yb3+-codoped superfluorescent fiber J. Appl. Phys. Lett. , 2008, 93 (9): 901108.4 Li L, Morrell M, Qiu T, Temyanko V L, et al . Short cladding-pumped Er/Yb phosphate fiber laser wi

14、th 1.5 W output power J. Appl. Phys. Lett. , 2004, 85 (14): 2721-2723.5 Yongdan Hu, Shibin Jiang, Tao Luo, et al. Performance of High-Concentration Er3+-Yb3+-codoped Phosphate Fiber Amplifiers J. IEEE Photonics Technology Letters, 2001, 13 (7): 657-659.6 D. M. Smithgall, L. S. Watkins, R. E. Frazee.

15、 High Speed Non-contact fiber diameter measurement using forward light scattering J. Applied Optics, 1977, 16 (9): 2395-2402.7 吴建兵,李川奇.用向前近轴远场干涉法测量光纤直径的研究 J.计量技术,1998, 11：2-5.Automatic Optical Fiber Drawing SystemJiaxiang Zhang, Zhenzhou Cheng, Changguang Zou, Xueping Jiang, Peize Han, Bing Han, Fen

16、g Song(Photonics Center, College of Physics Science, Nankai University, Tianjin 300071)Abstract In this paper, we put forward that the interference theory is more effective and precise than diffraction method to calculate diameters of fiber in the process of fiber drawing. Then we introduce the main

17、 construct of the automatic optical fiber drawing system which is developed by ourselves. And the main technical indexes of this system are given in the following section. The automatic optical fiber drawing system demonstrated in this paper not only can achieve the classical function of general fiber drawing tower, but also has many distinct