專利名稱：拉伸光纖的裝置和控制光纖預型體的進給速度的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種用于拉伸(draw)光纖的裝置和用于控制光纖的進給速度的方法。更具體地說，本方法涉及一種預型體(preform)，通過該預型體來穩(wěn)定光纖的拉伸速度，以使光纖的外徑保持均勻。
背景技術(shù)：
通常來說，當拉伸光纖時，使用光纖的拉伸速度來控制光纖的外徑的長度。圖1是顯示用于拉伸光纖的裝置的基本配置的視圖。
如圖1所示，該裝置包括光纖預型體進給器2；熔化爐3，它加熱和熔化光纖預型體1；外徑測量單元4，它測量光纖6的外徑；光纖敷涂裝置5；絞盤7；卷軸8，它纏繞光纖6；以及PID控制單元9。預成型進給器2將一定量的光纖預型體1輸送到熔化爐3，輸送的量等于已拉伸的光纖6的量。光纖敷涂單元5執(zhí)行為光纖6涂敷涂層的過程，以便保護光纖，從而防止潮濕、磨損、雜質(zhì)等。絞盤7的旋轉(zhuǎn)使用摩擦力來拉動光纖，從而使光纖保持均勻的外徑。
此時，至少將光纖預型體的熔化溫度設置為爐3的熔化溫度，并且固定光纖預型體的進給速度。光纖的熔化率與光纖的拉伸率相同。因此，按照以下的等式1給出光纖的拉伸速度。
等式1Df＝Dp√(Sp/(Sf×1000)其中(Df(mm)拉伸光纖的外徑，Sf(m/min)光纖的拉伸速度，Dp(mm)預型體的外徑，Sp(mm/min)預型體的進給速度)。
執(zhí)行光纖拉伸過程，以便盡可能獲得具有均勻尺寸的外徑的光纖，從而使光纖的光衰減最小化，以及改善光纖的張力。
按照慣例，為了使光纖的外徑保持均勻，依據(jù)預成型光纖的熔化率的變化，控制絞盤的速度。參考圖2，此傳統(tǒng)的控制方法總結(jié)如下。
圖2是說明傳統(tǒng)的控制過程的流程圖。首先，在接收到表示光纖的外徑的信號之后(S21)，確定是否執(zhí)行自動控制(S22)。當確定的結(jié)果是不執(zhí)行自動控制(S23)時，輸出信號，以便固定絞盤的速度(S24)。當確定的結(jié)果是執(zhí)行自動控制(S25)時，檢查外徑的信號(S26)，并且依據(jù)檢查的結(jié)果，使用PID控制單元，控制絞盤的速度(S27)。
然而，通常，隨著光纖的消耗，預型體的長度變得較短(如圖3所示)，并且在預型體的內(nèi)部積累了用于熔化預型體的熱量。熱量的積累使預型體的熔化率發(fā)生變化，從而增加了預型體的熔化率。同時，隨著預型體增加的熔化率來改變拉伸速度，以便使光纖的外徑保持均勻。
圖3a、3b和3c是分別顯示正常預型體的形狀、預型體的里面的部分開始消耗時的預型體、以及只留下最里面的部分時的預型體。此時，參考符號3 1和32分別表示連接管和預型體。
圖4為示出耗盡預型體的里面部分時，已有技術(shù)的光纖拉伸速度的變化的曲線圖。這里，垂直與水平軸分別表示歸一化Δ拉伸速度以及光纖拉伸時間(min)。
如圖4所示，在里面的部分開始消耗的25分鐘內(nèi)，拉伸速度的變化不是非常陡。然而，隨著消耗的繼續(xù)，拉伸的速度突然地增加。只有當余下最里面的部分時(如圖3c所示)，由于預型體的量不足夠，拉伸速度突然降低，結(jié)果，完成光纖的拉伸的過程。
因此，當只使用絞盤來控制光纖的外徑時(如現(xiàn)有技術(shù))，會出現(xiàn)以下的問題。首先，光纖逐漸變得越來越不直，從而增加了光纖的光特性的不合格率。其次，拉伸速度的變化導致了光纖的外徑或者保護涂層的不均勻性的增加。第三，需要的連續(xù)的觀察來控制進給速度，從而，勞動力的使用效率低下。

發(fā)明內(nèi)容
因此，考慮到現(xiàn)有技術(shù)的以上問題，提出了本發(fā)明。所以，本發(fā)明的目的是提供一種用于拉伸光纖的裝置，以及一種用于控制光纖預型體的進給速度的方法，因而，即使當在光纖的拉伸期間，由于熱量的累積導致預型體內(nèi)部熱量的變化，仍可以保持均勻的光纖拉伸速度。
本發(fā)明的另一目的是提供一種用于拉伸光纖的裝置，以及一種控制光纖預型體的進給速度的方法，從而可以穩(wěn)定從預型體的里面的部分中拉伸的光纖的光特性。
依據(jù)本發(fā)明的第一方面，通過提供用于拉伸光纖的裝置，可以實現(xiàn)上述和其他目的，該裝置包括熔化爐，它熔化光纖預型體；預型體進給器，它將預型體進給到熔化爐中；絞盤，它通過向預型體施加張力來拉伸光纖；外徑測量單元，它測量拉伸光纖的外徑；以及控制單元，它控制光纖的外徑，其中，控制單元包括計算單元，它接收從絞盤輸出的拉伸速度信號，并且計算預型體的進給速度。
優(yōu)選的是，計算單元在當前時期前的任意時期內(nèi)的拉伸速度的斜率(slope)，通過使用計算得到的斜率，獲得以后的任意時間的預計的拉伸速度，然后估算依據(jù)在當前拉伸速度和目標拉伸速度之間的差別的補償值，以及估算在當前拉伸速度和稍后的任意時間預計的拉伸速度之間的差別的補償值，并且依據(jù)估算的補償值，計算預型體的進給速度。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種控制光纖預型體的進給速度的方法，該方法包括步驟按照預定抽樣周期的時間間隔，存儲光纖的拉伸速度數(shù)據(jù)；檢查當前的拉伸速度是處在穩(wěn)定的拉伸速度范圍，還是處在不穩(wěn)定的拉伸速度范圍，并且當檢查的結(jié)果是當前的拉伸速度處于不穩(wěn)定的拉伸速度范圍時，開始對預型體進給速度的自動控制；依據(jù)存儲的拉伸速度數(shù)據(jù)，獲得最近的拉伸速度變化趨勢；依據(jù)最近的拉伸速度變化趨勢，獲得稍后的任意時間的拉伸速度的預計的偏差；依據(jù)預計的值，獲得預型體的進給速度的補償值；通過修改補償值，獲得預型體進給速度的修正值；以及向目標速度添加預型體的進給速度的修正值，或者從目標速度中減去預型體進給速度的修正值。
優(yōu)選的是，在步驟向目標速度添加預型體的進給速度的修正值，或者從目標速度中減去預型體進給速度的修正值期間，當預型體的進給速度在從負預定值到正預定值的預定范圍內(nèi)時，通過將負預定值或者正的預定值加到當前進給速度上，改變當前的進給速度，并且按照預定的時間間隔，重復用于改變當前的進給速度以及確定修正值的范圍的過程，直到進給的速度達到目標速度，從而防止進給速度的突然變化。


從結(jié)合附圖采用的以下詳細描述中，將更加清楚地理解本發(fā)明的上述和其他目的、特征、以及其他優(yōu)點圖1是顯示用于拉伸光纖的裝置的基本配置的視圖；圖2是顯示用于控制光纖的外徑的常規(guī)過程的流程圖；圖3a、3b和3c是顯示預型體的形狀的視圖；圖4是顯示當預型體的里面的部分被消耗時，在現(xiàn)有技術(shù)中的光纖拉伸速度的常規(guī)變化的曲線圖；圖5是說明在依據(jù)本發(fā)明的、用于拉伸光纖的裝置中的信號流的視圖；圖6是顯示依據(jù)本發(fā)明，控制光纖預型體的進給速度的過程的流程圖；圖7是顯示依據(jù)本發(fā)明，用于分類和傳送預型體的進給速度的過程的流程圖；圖8是說明相對于拉伸速度的損耗特性的曲線圖；以及圖9是說明當預型體的里面的部分被消耗時，拉伸速度變化的曲線圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在，將參考圖5到圖8，詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。在圖中，即使在不同的圖中示出，也使用相同的參考符號表示相同或者相似的元件。在以下的描述中，當可能使本發(fā)明的主題相當不清楚時，將忽略其中包含的已知功能和配置的詳細描述。
圖5是說明依據(jù)本發(fā)明，在用于拉伸光纖的裝置中的信號流的視圖。
與現(xiàn)有技術(shù)相似，該裝置包括熔化爐、預型體進給器、光纖外徑的測量單元、敷涂單元、絞盤、卷軸、以及控制單元。以下，將集中對控制單元進行描述。
如圖5所示，控制單元10從絞盤20中接收表示光纖的拉伸速度的信號，并且使用接收到的拉伸速度信號，計算預型體的進給速度?？刂茊卧?0依據(jù)計算得到的值，輸出變化的預型體的進給速度信號，以便改變預型體進給器30的預型體進給速度。預型體進給速度的變化導致預型體進入爐中以便熔化的速率發(fā)生改變。這導致了光纖的外徑的變化。當由于外徑的變化，從外徑測量單元40接收到改變的外徑信號時，控制單元10改變絞盤的速度，以便使外徑保持均勻，從而改變光纖拉伸速度。
圖6是顯示依據(jù)本發(fā)明，用于控制光纖預型體的進給速度的過程的流程圖。參考圖6，預型體的進給速度描述如下。
當開始光纖拉伸過程時(S51)，重新設置計時器(S52)。每次啟動計時器t1時(S53)，存儲表示光纖拉伸速度的絞盤速度數(shù)據(jù)(S54，S55)。此時，“t1”表示用于收集數(shù)據(jù)的抽樣時間。
按下用于自動控制預型體進給速度的激勵器，以便激活自動控制(S56)，并且每次啟動計時器t2時(S57)，確定當前的拉伸速度是在穩(wěn)定的拉伸速度范圍中，還是在不穩(wěn)定的拉伸速度范圍中(S58)。當確定的結(jié)果是當前的拉伸速度處于穩(wěn)定的拉伸速度范圍中(S59)時，每次啟動計時器t2時，重復步驟S58的確定。當確定的結(jié)果是當前的拉伸速度處于不穩(wěn)定的速度范圍中時(S60)，則開始自動進給速度控制(S61)。
當開始自動進給速度控制(S61)時，計算最近的拉伸速度變化趨勢(S62)。每次啟動計時器t1時，使用收集的數(shù)據(jù)執(zhí)行對最近的拉伸速度變化趨勢的計算。依據(jù)三個條件加速、減速、勻速，以及用于觀察變化趨勢的兩個不同的時間長度，將最近的拉伸速度變化趨勢分類為5種類型。依據(jù)各自不同的速度變化方式，將變化的趨勢歸類為以下5種類型的其中之一加速Lt(長期加速S621)、加速St(短期加速S622)、勻速(S623)、減速St(短期減速S624)、以及減速Lt(長期減速S625)。
在步驟(S62)已經(jīng)確定速度變化趨勢類型之后，對于每一種趨勢類型，計算時間t3后的預計的偏差V。以及預計的偏差表示依據(jù)當前的速度變化趨勢估算的、時間t3之后的絞盤速度值。在下表1中給出了趨勢類型的確定，以及預計的偏差的計算。
表1

(D當前的拉伸速度數(shù)據(jù)，D1t1時間前的拉伸速度數(shù)據(jù)，D2t2時間前的拉伸速度數(shù)據(jù))。
在計算預計的偏差之后(S63)，依據(jù)以下的等式2計算預型體的進給速度的補償值CV(S64)。
等式2CV＝(Df/Dp)2×2V＝[{Dp√(Sp/(Sf×1000))}/Dp]2×2V＝(Sp×2V)/(Sf×1000)(Df拉伸光纖的外徑，Dp預型體的外徑，Sf光纖拉伸速度，CV預型體的進給速度的補償值)然而，隨著拉伸的速度變得離穩(wěn)定的拉伸速度范圍更遠，可以修改預型體的進給速度的補償值CV(S65)，以使拉伸速度向穩(wěn)定的范圍加速。因此，在計算了預型體的進給速度的初始補償值CV之后(S64)，依據(jù)以下的等式3計算預型體的進給速度的修正值CS(S65)。
等式3CS＝(CV/3)2，(CS相對于離穩(wěn)定范圍的距離的修正值，CV預型體的進給速度的補償值)在計算了預型體的進給速度的修正值CS之后(S65)，確定修正值CS的符號是正還是負(S66)。換句話說，確定是減去還是加上計算得到的修正值CS。此時，進行修正值CS的符號的確定，從而絞盤的速度變得離穩(wěn)定的拉伸速度范圍更近。
最后，依據(jù)確定的符號，通過將計算的修正值CS加到目標速度TS上，或者從目標速度TS中減去計算的修正值CS，獲得最終的預型體的進給速度，以便保持穩(wěn)定范圍內(nèi)，以及使預型體保持在穩(wěn)定的狀態(tài)。
此時，當絞盤的速度突然增加或者降低時，它的突然變化的速度輸入導致光纖外徑的變化。為了防止外徑的變化，依據(jù)圖7所示的流程圖的步驟，對進給速度進行分類以便傳送。
如圖7所示，為了執(zhí)行進給速度校正(S71)，從目標速度中減去當前的速度，以便計算它們之間的偏差(S72)。然后，對偏差進行檢查(S73)。當檢查的結(jié)果是偏差處于預定的范圍例如從-0.1mm/min到0.1mm/min的范圍內(nèi)時(S74)，由于兩者的速度接近，將進給速度保持在當前的速度(S75)。如果檢查的結(jié)果是偏差小于-0.1mm/min(S77)時，從當前的速度中減去0.1(S78)，然后傳送得到的值(S79)。當檢查的結(jié)果是偏差大于0.1mm/min(S80)時，在當前的速度上加上0.1(S81)，然后傳送得到的值(S82)。重復該過程(從S72到S76)，以使當前的速度從目標速度進入預定的范圍。
當按照這樣的方式控制光纖預型體的進給速度時，拉伸速度如圖8和9所示變化。
圖8是說明相對于拉伸速度的損耗特性的曲線圖。如該曲線圖所示，與拉伸速度不穩(wěn)定的情況相比，當拉伸速度穩(wěn)定時，改善了在預型體的里面部分的損耗特性。
圖9是說明當預型體的里面部分被消耗時，拉伸速度變化的曲線圖。如該曲線圖所示，當依據(jù)本發(fā)明，自動控制進給速度(A)時，即使在預型體的里面部分開始消耗之后，進給速度也變得幾乎一致。相反，當不執(zhí)行自動控制(B)時，如參考圖4以上所提到的，在里面部分開始消耗后的25分鐘內(nèi)，拉伸速度的變化的斜率不是很陡。但是，隨著預型體的量變小，斜率突然增加。當只余下最里面的部分時，由于預型體的量不足夠，拉伸速度突然降低，結(jié)果，完成光纖拉伸過程。
如上所述，本發(fā)明的優(yōu)點在于控制預型體的進給速度，以便穩(wěn)定拉伸速度，從而改善了光纖外徑的均勻性。
此外，本發(fā)明的優(yōu)點在于當預型體的里面的部分消耗時，穩(wěn)定絞盤的速度以便拉伸光纖，從而改善了光纖的質(zhì)量，特別是降低了損耗產(chǎn)生率。
此外，本發(fā)明的優(yōu)點在于自動控制預型體的進給速度，以便實現(xiàn)勞動力的有效管理。
雖然出于說明的目的，已經(jīng)公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，本領域的技術(shù)人員將意識到在不脫離所附權(quán)利要求公開的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行各種修改、添加、以及替換。
權(quán)利要求
1.一種用于拉伸光纖的裝置，包括熔化爐，它使光纖預型體熔化；預型體進給器，它將預型體進給到熔化爐；絞盤，它通過從熔化爐中拉伸預型體，拉伸光纖；外徑測量單元，它測量已拉伸的光纖的外徑；控制單元，它控制光纖的外徑，其中控制單元包括計算單元，該計算單元接收從絞盤輸出的拉伸速度信號，并且計算預型體的進給速度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于控制單元依據(jù)從外徑測量單元接收到的、表示光纖的外徑的變化的信號，通過調(diào)整絞盤的速度，調(diào)整光纖的外徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于計算單元計算在先前的任意時間周期內(nèi)拉伸速度的斜率，并且通過使用計算得到的斜率，獲取將來的任意時間周期的預計的拉伸速度，并且依據(jù)在當前的拉伸速度和目標拉伸速度之間的差別估算補償值，以及估算依據(jù)當前的拉伸速度和稍后的任意時間的預計的拉伸速度之間的差別的補償值，并且依據(jù)預計的補償值，計算預型體的進給速度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于先前任意的時間周期包括在由預型體進給器自動進給之前的周期。
5.一種控制光纖預型體的進給速度的方法，包括步驟(a)按照抽樣周期的間隔，存儲表示光纖的拉伸速度的數(shù)據(jù)；(b)檢查結(jié)果以確定當前的拉伸速度是否處于(i)穩(wěn)定的拉伸速度范圍和(ii)不穩(wěn)定的拉伸速度范圍的其中之一內(nèi)；(c)當檢查的結(jié)果表示預型體的拉伸速度處于不穩(wěn)定的拉伸速度范圍內(nèi)時，開始對預型體的進給速度的自動控制；(d)依據(jù)存儲的拉伸速度數(shù)據(jù)，獲取在預定時間周期內(nèi)的最近的拉伸速度的變化趨勢；(e)依據(jù)最近的拉伸速度變化趨勢，獲取隨后的任意時間的拉伸速度的預計的偏差；(f)依據(jù)預計的值，獲取預型體的進給速度的補償值；(g)通過修改補償值，獲取預型體進給速度的修正值，以使拉伸速度向穩(wěn)定的拉伸速度范圍加速；以及(h)向目標速度中加入預型體的進給速度的修正值，或者從目標速度中減去預型體的進給速度的修正值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于步驟(d)包括將速度趨勢分類為五種類型，這五種類型包括(i)長期加速、(ii)短期加速、(iii)勻速、(iv)短期減速、(v)長期減速。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于在步驟(e)中，依據(jù)以下等式中的每一個，對于每一種趨勢的類型，確定隨后的任意時間的拉伸速度的預計的偏差在長期加速的情況下，V＝{(D-D2)×2+D2}-T，在短期加速的情況下，V＝{(D-D1)×3+D1}-T，在勻速的情況下，V＝(D-T)×3，在短期減速的情況下，V＝{(D-D1)×3+D1}-T，在長期減速的情況下，V＝{(D-D2)×2+D2}-T，其中，“V”表示預計的偏差，“D”表示當前的拉伸速度，“D1”表示時間t1之前的拉伸速度，以及“D2”表示時間t2前的拉伸速度。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于由以下的等式確定在步驟(f)中的預型體的進給速度的補償值CV＝(Df/Dp)2×2V＝[{Dp√(Sp/(Sf×1000))}/Dp]2×2V＝(Sp×2V)/(Sf×1000)，其中，“Df”表示已拉伸的光纖的外徑，“Dp”表示預型體的外徑，“Sf”表示光纖的拉伸速度，以及“CV”表示預型體的進給速度的補償值。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于通過以下的等式確定在步驟(g)中的預型體進給速度的修正值CS＝(CV/3)2，其中，“CV”表示預型體的進給速度的補償值，以及“CS”表示預型體進給速度的修正值。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于步驟(h)還包括對預型體的進給速度進行分類，以便傳送，從而防止預型體的進給速度的突然變化。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于在向目標速度中加入預型體的進給速度的修正值，或者從目標速度中減去預型體的進給速度的修正值的步驟中，對預型體的進給速度進行分類以便傳送，從而防止預型體的進給速度的突然變化。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于分類的傳送過程包括第一步驟通過從目標速度中減去當前的預型體的進給速度，獲取偏差；第二步驟當獲得的偏差在從負預定值到正預定值的預定范圍內(nèi)時，照原樣保持當前的進給速度；當獲得的偏差小于負的預定值時，將負的預定值加到當前的進給速度上，當獲得的偏差大于正的預定值時，將正的預定值加到當前的進給速度上；然后將相加后的當前進給速度確定為當前的進給速度；以及第三步驟重復第一和第二步驟，直到預型體的進給速度達到目標速度。
全文摘要
一種用于拉伸光纖的裝置，以及一種用于控制光纖的預型體的進給速度的方法，通過它們可以穩(wěn)定光纖的拉伸速度，以使外徑的尺寸保持均勻。依據(jù)光纖的外徑，確定絞盤速度。當絞盤的速度在目標速度的范圍之外時，控制預型體的進給速度，以使絞盤的速度落入目標范圍中?？刂茊卧铀賳卧摷铀賳卧邮諒慕g盤輸出的拉伸速度信號，并且計算預型體的進給速度?？刂茊卧罁?jù)從外徑測量單元接收到的、表示光纖的外徑變化的信號，通過調(diào)整絞盤的速度，調(diào)整光纖的外徑。
文檔編號C03B37/025GK1482084SQ03143640
公開日2004年3月17日 申請日期2003年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月29日
發(fā)明者李明燮, 鄭基太, 樸宰弘 申請人:三星電子株式會社