本發(fā)明一般涉及制造玻璃預(yù)型件或管材，以及具體地涉及在拉制預(yù)型件或管材時通過測量和計算施加于預(yù)型件或管材的吸持力來控制預(yù)型件或管材的粘度。

背景技術(shù)：

光學(xué)預(yù)型件、石英玻璃管或棒是通過將石英玻璃部件（例如，圓柱體、錠或?qū)⑿景舨迦雸A柱體內(nèi)的非塌陷柱中棒（ric）組件）沿垂直朝向引入加熱區(qū)中以使下端開始軟化和形成玻璃絲束來制造。然后將絲束置于牽拉裝置中，例如包括一個或多個牽拉輪的裝置。絲束的牽拉速率由牽拉輪的速度來控制，牽拉輪可以根據(jù)成型區(qū)域溫度或粘度以及輪支承的絲束的重量施加向下或向上的力。

為了實現(xiàn)可重復(fù)制造工藝，必須針對給定預(yù)型件或管材尺寸、吞吐量和部件的幾何形狀來控制成型區(qū)域中（即，處于或剛好低于加熱區(qū)處）石英玻璃部件的粘度。對于由非塌陷ric組件進行預(yù)型件拉制尤其重要，因為當(dāng)熔爐溫度太高或太低（即，玻璃粘度太低或太高）時，芯棒玻璃將會以與外包層玻璃的牽拉速率不同的速率牽拉，這對于光纖應(yīng)用會導(dǎo)致變形和非期望的波導(dǎo)。例如，當(dāng)玻璃加熱到2000℃時，+/-10℃的變化對于粘度具有重大影響。目前控制預(yù)型件或管材牽拉的技術(shù)包括使用光測高溫計來測量高于加熱區(qū)、低于加熱區(qū)的玻璃溫度和/或加熱元件的外表面的溫度。但是，基于溫度的控制預(yù)型件或管材牽拉的方法不可靠，因為所測得的高溫計溫度可能由于諸如照準(zhǔn)高溫計、高溫計管上的遮擋物、高溫計鏡頭的清潔度或傳感器本身的校準(zhǔn)和漂移等的變動因素而變化很大。因為粘度隨溫度具有指數(shù)關(guān)系（例如，在一些情況中，溫度上30℃的變化可能導(dǎo)致粘度上200%的變化），所以即使測得的溫度上微小的誤差也會導(dǎo)致粘度中巨大的差異，并由此導(dǎo)致成型行為上的巨大差異。相應(yīng)地，期望一種確定有效粘度并由此確定更精確的絕對牽拉溫度然后將其用于控制預(yù)型件或管材牽拉的新方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供用于確定玻璃預(yù)型件和管材制造工藝的成型區(qū)域的有效粘度的方法。在制造工藝過程中，將大塊玻璃部件加熱并由大塊玻璃部件牽拉出絲束。使用牽拉裝置來控制對絲束施加向上或向下力來牽拉絲束的速率。本發(fā)明還提供生產(chǎn)玻璃的細長部件的方法，其包括在成型區(qū)域處以一定溫度加熱大塊玻璃部件，在所述成型區(qū)域處從所述大塊玻璃部件牽拉出絲束，使用牽拉裝置來控制從所述大塊玻璃部件牽拉出絲束的速率，計算軟化區(qū)域施加的吸持力，基于所述成型區(qū)域的期望粘度來確定所述吸持力是否等于期望吸持力，以及如果所述吸持力不等于所述期望吸持力，則調(diào)整所述成型區(qū)域的溫度。在這些方法中，通過計算所述大塊玻璃部件施加于所述絲束的吸持力并將所述吸持力與所述成型區(qū)域的粘度建立相關(guān)性。

在一些實施例中，通過確定施加于絲束的重力，確定牽拉裝置施加于絲束的牽拉力，以及基于所述重力和牽拉力來計算大塊玻璃部件施加于絲束的吸持力來計算吸持力。所述吸持力、牽拉力與重力之和等于0（因為恒定的牽拉速度，所以沒有加速度，并且由此作用于絲束的凈作用力為0）。

在一些其他實施例中，通過測量絲束中介于加熱區(qū)域與牽拉裝置之間的點處的應(yīng)力所致雙折射，確定在與測量的應(yīng)力所致雙折射對應(yīng)的點處施加于絲束的力量值，并且通過對介于加熱區(qū)域與所述點之間絲束重量的重力效應(yīng)校正所述力量值來計算吸持力，以計算所述吸持力。

基于成型區(qū)域的粘度控制預(yù)型件或管材牽拉的設(shè)備包括用于將剛好高于成型區(qū)域上的大塊玻璃部件加熱的加熱區(qū)、用于確定牽拉裝置施加于絲束的力的系統(tǒng)和用于確定所述絲束的重量的系統(tǒng)。在一個實施例中，用于確定牽拉裝置施加于絲束的力的系統(tǒng)是用于測量施加于牽拉裝置的電動機的電壓的伏特計，其中可以利用牽拉裝置施加于絲束的力來校準(zhǔn)所述電壓。在另一個實施例中，用于確定牽拉裝置施加于絲束的力的系統(tǒng)是安裝于牽拉裝置的一個或多個荷重元件。

附圖說明

在結(jié)合附圖閱讀時，從下文詳細描述更好地理解本發(fā)明。要強調(diào)的是，根據(jù)慣常實踐，附圖的多個特征部并非按比例繪制。相反，為了簡明，隨意地將多種特征部的尺寸進行放大或縮小。附圖中包含的是如下附圖：

圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的用于形成玻璃預(yù)型件或管材的設(shè)備的示意圖；

圖2是示出施加于根據(jù)本發(fā)明公開的實施例的圖1的設(shè)備形成的玻璃絲束的多種力的示意圖；以及

圖3a-3e是一系列曲線圖，其示出在示范性預(yù)型件或管材牽拉工藝期間，吸持力（圖3a）、牽拉力（圖3b）、絲束長度（圖3c）、玻璃溫度（圖3d）和牽拉速度（圖3e）可如何與時間成函數(shù)地變化。

具體實施方式

參考圖1，可以使用設(shè)備10以由大塊玻璃部件120（例如，玻璃圓柱體或玻璃錠）形成玻璃絲束110。通過在加熱區(qū)200中將玻璃部件120加熱，玻璃部件120的下端將軟化并形成絲束110。絲束110可以進入牽拉裝置300，牽拉裝置300包括驅(qū)動多個牽拉輪310的電動機305，其中牽拉輪310對絲束110施加向下力或向上力以控制從玻璃部件120的牽拉速率。向下力將增加牽拉速率，而向上力將降低牽拉速率。

參考圖2，實施例采用設(shè)備10來通過計算成型區(qū)域210施加于玻璃絲束110上的吸持力fh以確定成型區(qū)域210的粘度。成型區(qū)域210處的吸持力fh主要是由于熔化的玻璃表面張力的微小且相對恒定貢獻的玻璃粘度。由于粘度對溫度呈指數(shù)性相關(guān)性，甚至成型區(qū)域處小的絕對溫度變化都可能導(dǎo)致粘度的大變化，并且由此也導(dǎo)致吸持力fh中的大變化。因此，對于預(yù)型件或管材牽拉，尤其對于要求包層對內(nèi)芯比中失真最小的波導(dǎo)或光纖應(yīng)用，控制成型區(qū)域處的吸持力fh或有效粘度對于實現(xiàn)高質(zhì)量和生產(chǎn)良率是比使用存在諸多不精確性的常規(guī)基于高溫計的溫度測量和控制更精確且靈敏的方式。如果吸持力fh偏離基于成型區(qū)域210的期望粘度的期望吸持力，則可以校正向加熱區(qū)提供的熱以在成型區(qū)域210中實現(xiàn)期望的粘度。

為了確定吸持力fh，應(yīng)該將施加于玻璃絲束110的所有其他力納入考慮：即，牽拉裝置300施加的牽拉力fp和重力fg（即，成型區(qū)域210以下的絲束110的重量）。雖然圖2中將牽拉力fp示出為與吸持力fh同向的向上力，但是如上文論述，牽拉裝置300可以對絲束110施加向下力或向上力。相應(yīng)地，將理解的是，如公式中所使用的，當(dāng)牽拉裝置300對絲束110施加與重力fg反向的向上力時，fp為正，以及當(dāng)牽拉裝置300對絲束110施加與重力fg（在本文中按定義為負數(shù)）同向的向下力時，fp為負。由于玻璃絲束以0加速度的恒定速度被牽拉而使施加于絲束110的凈力為0（公式1），所以吸持力可以計算為作用于絲束110的其他力的算術(shù)和的反向（公式2）。

（1）fh+fp+fg=0

（2）fh=-(fg+fp)

因此，可以通過確定施加于絲束110的重力fg和牽拉力fp的算術(shù)和來計算吸持力fh。通過計算吸持力fh，則可以確定成型區(qū)域210的有效粘度。

可以通過絲束110的質(zhì)量m乘以萬有引力常數(shù)g（例如，約為-9.81m/s²，其中負號指示重力加速度或力的向下方向）來計算重力fg（公式4）。絲束110的質(zhì)量m等于絲束110的長度l乘以其橫截面積a乘以絲束110的密度ρ（公式3）。

（3）m=l*a*ρ

（4）fg=m*g=l*a*ρ*g

對于特定工藝和玻璃材料，絲束110的橫截面積a和密度ρ是恒定的且預(yù)先確定的。在一些實施例中，橫截面積a可以通過測量儀器410、420確定或驗證。在一些實施例中，橫截面積a的范圍可以從約1cm²至約400cm²。二氧化硅玻璃絲束的密度ρ典型地為約2.2g/cm³。但是，可設(shè)想較大以及較小橫截面積和密度，例如對于二氧化硅以外的材料制成的玻璃絲束。注意對于管材，橫截面積a不包括管材的中空內(nèi)部（例如，對于外徑d1和內(nèi)徑d2的管材，a=π[(d1/2)²-(d2/2)²]）。絲束的長度l通過測量形成絲束110的速度或使用跟蹤系統(tǒng)510（圖1）以確定絲束110的端部115的位置來確定。跟蹤系統(tǒng)510可以包括攝像視覺系統(tǒng)、激光器系統(tǒng)或確定絲束110的端部115的垂直位置的機械裝置。雖然圖2示出跟蹤系統(tǒng)510包括僅單個部件，但是跟蹤系統(tǒng)510可以包括多個部件，例如，沿著絲束110垂直布置的一系列攝像頭。

要注意的是，在典型的預(yù)型件或管材牽拉工藝中，玻璃絲束的長度（l）以及其重量（fg）都增大，使得牽拉器力（fp）也應(yīng)該被增大才能保持恒定牽拉速度（以及保持作用于玻璃絲束的凈力為0）（即，在溫度或粘度相關(guān)的吸持力fh保持恒定的同時施加更大向上力）?？梢远ㄆ谇袛嘟z束110，在此情況中，需要對牽拉力fp進行更大調(diào)整。圖3a-3e示出在預(yù)型件或管材牽拉工藝期間，吸持力（fh）、牽拉器力（fp）、絲束長度（l）、玻璃溫度和牽拉速度可如何與時間成函數(shù)地變化。牽拉器力（fp）和絲束長度（l）的鋸齒形行為是由于如下原因所致：（a）在牽拉過程中，牽拉器吸持的絲束的持續(xù)增大的長度和重量；（b）支承其且保持恒定牽拉速度所需的持續(xù)增大的牽拉器力；以及（c）絲束110定期切斷和移除。

在一個實施例中，牽拉力fp由施加于牽拉裝置300的電壓和牽拉輪310的轉(zhuǎn)矩來確定。對于給定電動機，電動機施加的轉(zhuǎn)矩可以基于施加于電動機的電壓來確定。根據(jù)所述轉(zhuǎn)矩，可以基于牽拉輪310的直徑來計算牽拉力fp，因為轉(zhuǎn)矩的量值與測量轉(zhuǎn)矩的位置與施加力的位置之間的力和距離的量值相關(guān)。可以由連接到牽拉裝置的伏特計來測量施加于牽拉裝置300的電壓。

在另一個實施例中，通過測量直接安裝于牽拉裝置300的框架315的荷重元件320的輸出來確定牽拉力fp。荷重元件320是換能器，其將牽拉輪310施加于每個荷重元件320的應(yīng)變儀（未示出）的力轉(zhuǎn)換成電信號。然后可以測量所述電信號并將其與施加于應(yīng)變儀的力建立相關(guān)性。示范性荷重元件包括液壓荷重元件、氣動荷重元件和應(yīng)變儀荷重元件。在另一個實施例中，牽拉裝置300可以包括如卡盤或夾鉗（未示出）的握持裝置，其卡在絲束上并在位于加熱區(qū)200下方的塔上垂直移動。在此類實施例中，可以通過將荷重元件320安裝到握持裝置的臂體或機架來測量牽拉力fp。

在另一個實施例中，可以通過測量絲束110內(nèi)的應(yīng)力所致雙折射來確定吸持力fh。應(yīng)力所致雙折射是指如玻璃的材料在由于機械應(yīng)變所致的變形時的折射率的變化。機械應(yīng)變的程度越大，折射率的變化越大。為了確定應(yīng)力所致雙折射的量值，可以將傳感器610設(shè)在成型區(qū)域210處或下方，例如設(shè)在成型區(qū)域210與牽拉裝置300之間的距離x處。偏振光源（未示出）可以將偏振光照射到絲束110上，并且可以由傳感器610測量穿透絲束110的透射度。

距離x優(yōu)選地保持得足夠小，以使絲束110在測量機械拉伸應(yīng)力所致雙折射時仍處于約退火溫度。如果距離x太大，則絲束110將開始從成型區(qū)域210中的退火溫度冷卻，且冷卻程度所導(dǎo)致的熱殘余應(yīng)力將被引入到絲束110中且必須予以考慮，從而使確定來自力fh、fp和fg的純機械所致應(yīng)力大大地復(fù)雜化。

如先前論述，絲束110上的凈力為0，因為絲束以恒定速度無加速地被牽拉。相應(yīng)地，在沿著絲束的每個點處，均有等量值但是反向的向上力和向下力。反向的向上力和向下力可導(dǎo)致兩種情況：（1）拉伸，其中絲束兩端被牽拉，如繩子中那樣且導(dǎo)致正應(yīng)力；以及（2）壓縮，其中絲束兩端被推壓，導(dǎo)致負應(yīng)力。無論處于拉伸還是壓縮，在絲束110處于約退火溫度的情況下沿著絲束110上的任何點處，測得的機械所致應(yīng)力s的量值乘以絲束a的橫截面積等于此點處施加于絲束的向上力或向下力的量值：

（5）|s*a|=|向上力|=|向下力|

對于成型區(qū)域210與牽拉裝置300之間且低于成型區(qū)域210距離x的一點，根據(jù)公式（6），向上力等于吸持力fh減去所述點上方絲束的重量。

（6）（向上力）=fh–(所述點上方的絲束重量)=fh–|x*a*ρ*g|

根據(jù)上述的符號約定，其中g(shù)是負值，

（7）（向上力）=fh+(x*a*ρ*g)。

因為作用于絲束上的凈力為0，所以向上力的量值等于向下力的量值，以及可以將公式（7）代入向上力的公式（5），得到公式（8）。使用公式（8），可以根據(jù)公式（9）來解fh。

（8）s*a=fh+(x*a*ρ*g)

（9）fh=(s*a)-(x*a*ρ*g)

如公式（8）所示，當(dāng)x逼近0時，吸持力fh簡單地變成s*a；否則吸持力fh將是s*a加上點x上方絲束的重量（即，|x*a*ρ*g|）。

因為具體情況所導(dǎo)致的應(yīng)力所致雙折射的量值是絲束110的材料的已知屬性，以及重力效應(yīng)或校正（即，|x*a*ρ*g|）容易根據(jù)所有已知和基本常量的值（即，x、a、ρ和g）來確定，所以可以通過確定導(dǎo)致所測得的應(yīng)力所致雙折射（即，s*a）的力的量值來推導(dǎo)吸持力fh。換言之，在本實施例中，可以根據(jù)已知距離x處的玻璃絲束內(nèi)的應(yīng)力來確定吸持力fh，而無需直接測量持續(xù)變化的玻璃絲束長度l或牽拉力fp。