拉制波导预成型坯的改进方法 【发明背景】
本发明涉及加热和拉伸玻璃预成型坯来生产玻璃棒的方法和装置，该玻璃棒具有均一的预定直径，同时棒直径的偏差限制在预定值内。当一部分预成型坯到达使预成型坯部分软化并开始在重力作用下向下移动的温度时，这种新的方法和装置就开始控制玻璃棒的直径。
制备拉延预成型坯(从该拉延预成型坯可以拉制出光学波导纤维)的有效方法包括首先制备核芯预成型坯。加热核芯预成型坯并拉伸成多个核芯棒，作为沉积包层玻璃的饵棒。波导纤维的性能很大程度上取决于核芯和包层玻璃的几何均匀性和尺寸。因此，需要仔细地控制预成型坯的几何结构，以确保最终的波导纤维有合适的几何结构。
特别是，控制从核芯预成型坯拉制出的核芯棒的几何结构是关键。最终波导纤维的圆度以及核芯和包层的相对直径比和同心度取决于对核芯棒绝对尺寸以及沿核芯棒各点尺寸均一性的控制。由于最近对超高性能波导纤维的需求增加，因此从核芯预成型坯拉制核芯棒的步骤变得更为重要。低的衰减和高的频带宽度很大程度上取决于波导的几何结构。另外，由于核芯掺杂材料(如锗)的价格持续上升，从而激发了对核芯预成型坯(它含有波导生产过程中所用的基本全部的掺杂材料)利用率的改进。
核芯棒拉制过程中效率最低的部分在开始步骤中。将预成型坯降低至炉中，直至预成型坯的末端以及靠近末端的一部分预成型坯在炉子加热区(hot zone)内。预成型坯部分软化，一滴玻璃料滴开始从预成型坯末端流下。当玻璃料滴伸展离开预成型坯末端时，通过玻璃原丝从预成型坯上悬垂下来的玻璃料滴从炉中出现并能被一机械装置夹住。一旦玻璃原丝被夹住，几何结构控制算法程序(包括夹具速度和玻璃内的张力)被启动，原丝直径被变成预定值。目标速度指，当过程处于稳态且棒直径为标称直径时，在玻璃棒上一点处测得的速度。控制参数是：
—炉温；
—拉伸(夹取装置)速度；
—拉伸张力；和
—预成型坯进入加热区域的进料速度。
各参数是紧密相关的。例如，炉温降低会使拉伸速度降低，除非增大拉伸张力。如果增大拉伸张力而不升高炉温或增大向下进料的速度，则棒直径会在目标值之下。为了正确地控制直径，必须连续测定直径，并调节控制参数(通常是半连续的)。通常，用计算机连接预成型坯拉制装置的控制设备，并用一种算法程序来控制拉制的玻璃棒的直径。
当玻璃棒直径接近目标值(即当只需稍微改变控制参数)时，对相互影响的拉制参数的控制最准确。预成型坯拉制过程本身存在的问题是，在连接的玻璃原丝或棒可被夹住并开始完全控制的拉制之前，起始玻璃料滴必须经过预成型坯的距离。在玻璃原丝可被夹住和直径控制开始之前，玻璃原丝的直径可能是目标直径的十分之一。结果是：在进行所需的大直径校正时，相当一部分(高达25％)核芯预成型坯玻璃会损失在料滴和所拉制的偏离目标直径的棒中。
因此，在波导生产过程中需要有一种改进的预成型坯拉制方法和相关装置来减少预成型坯玻璃的损失，从而降低成本，提高设备利用率，该方法是从玻璃料滴下落开始起(即在玻璃被夹住之前)控制拉制棒的直径。特别是，在料滴和预成型坯体间伸展的玻璃原丝直径远远偏离目标直径之前开始控制直径，就可最大程度地节省时间和材料。
发明概述
本发明满足了对预成型坯拉制过程最初阶段的控制进行改进的需要。
本发明的第一方面是控制从细长的预成型坯拉制出的玻璃棒直径的方法。预成型坯垂直悬于炉内，以使预成型坯末端和邻近末端的预成型坯部分在炉加热区内。加热预成型坯直至预成型坯软化，玻璃料滴开始在重力作用下下落离开预成型坯。连接料滴和预成型坯其余部分的玻璃原丝或玻璃棒和料滴一起被拉制。在一个关键的加工步骤中，当连接原丝的直径与棒目标直径的差别不超过+/-75％时，测定移动料滴的速度。这一速度测定结果可用于两方面。可以汇编成含有速度测定值的数据库，并分析找出能提供与预定棒直径相符的料滴速度的炉温。从根据经验确定的该炉温开始拉制步骤，这样就确保了料滴下落时的棒直径在目标直径的+/-75％范围内。在精确地确定了起始炉温后，在料滴开始下落到夹具夹取期间通常不需要进一步调节炉温。在本方法的一个实例中，炉子设定在一第一炉温下来加热预成型坯的末端。一旦形成料滴，就将炉温设定成第二温度，维持该温度直至料滴下落通过炉子并被夹具夹取。第一温度通常高于第二温度。第一温度通常在高于第二温度20至100℃的范围内。夹具是在玻璃棒从炉中伸出后将其夹紧并拉伸地机械装置。夹具夹取时的棒直径通常比目标值的+/-75％小得多。然而，当起始棒直径在+/-75％范围内时本发明的方法和装置会起作用。
另一种方法是，在料滴下落时可调节炉温以维持棒直径在目标棒直径的+/-75％范围内。另外，在料滴炉温经验值未知的情况下，也可采用这种准连续调节方法。从预成型坯直径和目标直径计算可获得与目标棒直径有关的目标拉制速度。当第一次速度测定结束后，开始控制棒直径。如果速度高于目标值，则降低炉温，当棒直径低于目标值时则相反。在料滴通过炉时，连续测定速度，调节炉温。当料滴及其拖尾(tailing)棒从炉中出现的长度足以被夹取时，将速度测定装置转到料滴下落的线路外，用夹取装置来继续拉制棒。夹取装置最初向下的速度设定为测定装置最后测得的速度某一百分数。已经发现，至少约为最终测定速度40％的夹具最初速度是可以接受的。较佳的夹具最初速度约为夹具夹取棒之前的料滴速度的55％。速度测定值和预成型坯尺寸还被用来确定预成型坯应降低放入炉加热区的合适速度。预成型坯的移动速度通过均衡进出加热区的质量的算式获得。
在预成型坯拉制新方法的一个实例中，在夹具夹取后，拉伸张力恒定保持在预定值处，直径通过调节其它控制参数来控制。
由于直径控制在料滴下落的很早阶段开始，因此不会使直径的值远离目标值。因此，达到目标直径的时间大大减少，预成型坯利用率大大得到改善。
使过程中第一次测定速度的时间足够地早，以确保料滴速度低于目标速度，这样就可最有效地使用该方法。因此，测定装置必须移入炉内以便在料滴离开预成型坯末端时测定其速度。因此，测定装置的传感部分必须由热阻材料制成。
炉温以及确定棒直径的其它参数的控制最好用经合适的控制算法程序编程的计算机来实现，该控制算法程序根据的是预成型坯的尺寸、料滴速度和目标速度以及有效控制棒直径的其它恰当的参数(如棒张力)。设定夹取装置最初速度等于最终测得的料滴速度的某一合适百分数，这样就可使起始直径控制平稳过渡到稳态直径控制。当夹取装置开始从预成型坯拉制棒时，开始稳态控制。当夹具起始速度低于最终测得的料滴速度时，可获得优秀的起始控制以及向稳态控制的过渡。当然，当起始料滴速度低于夹具起始速度时，可将过程带入稳态。
测定装置的实例包括热阻平板以及与之相连的用于检测平板和料滴间接触的传感器。在检测到接触后，平板立即移动到离料滴预定距离处。当料滴再次接触平板时，从已知的料滴移动时间和移动距离就可计算出料滴的速度。重复该测定顺序直至料滴通过炉子。
在平板和传感器组合的一个实例中，传感方式是一种测定平板支承的料滴重量的秤盘机构(scale mechanism)。在一个较佳的实例中，当平板承受的料滴重量不超过10克时，记录成料滴和平板接触。
本发明的第二方面是控制从预成型坯拉制成的棒直径。装置包括竖直固定在框架上的炉。在炉上方有一个预成型坯悬垂装置，它能使预成型坯在炉内上下移动，使预成型坯移动到炉内水平面的中央位置。
测定料滴速度的装置位于炉下方，它被固定成能竖直地上下移动。为测定装置提供一个固定架是很方便的，当足量的料滴和与之相连的玻璃原丝从炉中伸出使得料滴和玻璃原丝可被夹取时，固定架可以旋转或滑离料滴下落的线路。夹取装置也位于炉下方，在速度测定装置已经旋转或滑离外露的玻璃料滴后，它移动到夹取玻璃棒的位置。
测定装置、预成型坯悬垂装置和夹取装置由马达驱动，通常是由精确的步进马达控制。马达可用与其连接的计算机控制。计算机可含有算法程序，该算法程序用于调节以料滴下落为开始的预成型坯拉制起始阶段中的炉温、预成型坯的移动以及传感器的移动速度。计算机还可含有包括控制夹具速度的算法程序，这样就可使起始拉制阶段平稳过渡到料滴和相连的玻璃原丝已被夹具夹取的拉制阶段。
在装置的一个实例中，在夹取装置中加入了测定施加到预成型坯上的力(即预成型坯张力)的装置。测定装置可以是测力传感器。测得的张力可用作维持棒直径控制的数学模型中的可调节参数。根据该张力测定值来控制炉温是非常有利的。另外，在预成型坯拉制过程中可用该装置(如测力传感器)维持施加恒定的张力。
附图简述
图1是从预成型坯拉制成棒的装置的方框图。
图2是与控制连接的拉伸控制的方框图。
图3是原来的过程与本发明相比常见的棒直径对时间的图表。
发明详述
图1的方框图显示出部分装置及其大致的相对位置。刚架2支承预成型坯拉制设备的各组分，它们包括炉4、由装置14支承的速度测定装置12、由装置18支承的夹取并从预成型坯拉成棒的装置16。炉加热区用区域10表示。
画在支承装置6、14和18旁边的轴3表示这些支承被固定成在竖直和水平面内移动。因此，支承6可使预成型坯8位于炉4中央并使预成型坯移入或移出炉子。支承14可使速度测定装置12位于炉底部开口中央并使装置12向预成型坯末端移动来检测料滴的速度。支承14被安装成它能使测定装置12滑动或旋转离开料滴的线路。支承18使夹取装置位于夹取料滴和拖尾棒(当它们移出炉时)的水平面内。支承首先使夹取装置向炉子移动以便夹取棒，然后离开炉子以便拉制棒。为了确保被拉制的棒在夹取后移动平滑，可采用至少两个独立的移动夹取装置。在第一夹取装置夹住棒并靠近其离开炉子的末端后，使第二夹取装置移动至棒从炉中出现位置附近来夹取棒。这样，在拉制的棒中可保持恒定的拉伸张力，直至预成型坯耗尽。
图2显示了直径控制的示意图。支承及移动装置6、14、18以及加热区10的温度控制装置通过接口设备22与计算机20相连。与移动装置6和14或18的移动速度成比例的信号被送到计算机中。将移动数据与根据预成型坯几何结构以及拉制棒的目标直径计算得到的目标速度比较。传感器将加热区的温度传送给计算机。然后，计算机能调节预成型坯进入加热区的速度以及加热区10的温度，以获得能提供目标直径的拉棒速度。炉加热区温度可用棒张力和控制参数来控制。棒张力可用连接在夹具和夹具支承装置间的测力传感器(未示出)测定。
在棒拉制的起始阶段，夹取装置没有夹取，棒速度主要由加热区温度决定。调节预成型坯的进料速度以维持出入加热区的质量平衡。当玻璃料滴和拖尾棒(即预成型坯和料滴之间被拉制的玻璃棒)从炉中出现时，速度测定装置滑动或旋转离开，而夹取装置移动到夹取和将棒从炉中拉出的位置。当炉温、夹具速度以及向下进料的速度能提供预定目标直径时，就达到了稳态。
本领域技术人员知道，一旦棒从炉中出现足够长时，就可实时测定直径，并送入计算机用于直径控制算法程序。图中没有显示商业上可获得的直径测定装置。另外，适用于本方法的炉子类型也是本领域中已知的，因此在此不作讨论。
实施例
用石墨感应炉将掺杂了锗的二氧化硅为基的玻璃预成型坯拉制成棒。预成型坯最初的直径为76毫米。拉制后的棒的目标直径为23毫米。将预成型坯末端降低至开始设定为1915℃的炉加热区中。该温度根据经验确定适用于预成型坯。在形成料滴后，将炉加热区温度降低至1880℃并在料滴下落通过炉时保持不变。在夹具夹取前不需进一步调节温度。料滴速度测定装置包括K-KarbR平板和固定在0-300克测力传感器上的杆。平板利用直线型滑座和马达在竖直方向中移动。平板、杆、测力传感器、直线型滑座和马达购自Lintech，Monmouth California。提供一个气动滑座，以使组件能在料滴和拖尾棒从炉中出现足够夹取的距离时离开拉伸线路。平板位置的准确度为+/-1mm。平板最初的位置为低于预成型坯末端5毫米。控制程序被设定成平板一旦支承了10克重量就立即向下移动3毫米。当料滴再次在平板上产生10克负载时，通过预定距离内测得的移动时间计算出料滴的平均速度。在料滴移动离开预成型坯体时重复测定速度30次。在本实验中，如上所述不调节炉加热区温度。然而，在每次测定速度后可以进行调节。
算出目标料滴速度为180毫米/秒。棒在被夹具夹取时的直径为18-23毫米，该值非常接近目标直径。夹取装置的起始速度设定为最终测得的料滴速度的55％。
通过从料滴开始下落时测定料滴速度，可以选择恒定的炉温来提供接近目标值的起始棒直径。棒直径在目标值的+1mm和-5mm范围内。由于用新的拉制方法在料滴下落期间保持了这一容许量，因此预成型坯的利用率(定义成棒重量与预成型坯重量之比)为75％，而与之相比采用原来的棒拉制过程只有61.8％。应注意，锗用量的节省与预成型坯利用率的改善成正比。
图3显示了本发明的方法与原先的棒拉制方法的比较。原先的方法(用曲线24表示)显示出在料滴下落时有陡峭的向下趋势。约三分之一的拉制时间用于使棒直径变为目标直径(用y轴的1表示)。而代表本方法的平的直径对时间的曲线26显示出有大大改进的响应时间和更高的预成型坯利用率。
尽管本文公开和描述了本发明的具体实例，但是本发明的范围只受下列权利要求的限制。