一种旋转光纤制备方法及设备与流程

本发明属于光纤光缆技术领域，更具体地，涉及旋转光纤的制备方法和制备设备。

背景技术：

近年来,旋转光纤随着光纤电流互感器的广泛应用而受到光纤生产厂家的重视。光纤电流互感器的工作原理为普遍采用的法拉第磁光效应。当一束线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时，线偏振光的偏振面就会线性随着平行于光线方向的磁场的大小发生旋转。通过测量载流导体周围线性偏振光偏振面的旋转角度，就可间接地测量出导体中的电流值。

通常的光纤电流互感器由低线性双折射光纤绕环形成，其中传输的偏振光容易受到制备缺陷(例如,纤芯椭圆化、非对称性应力等)和外界因素（例如，温度、弯曲、震动等）等的影响，导致测试结果准确度和可靠性不高。本发明的旋转光纤，制备的原理在常规保偏光纤的基础上，通过轴线旋转引入圆双折射，与光纤本身的线性双折射共同形成椭圆双折射，在旋转速度高时即为圆偏振态保持光纤。圆偏振态保持光纤（即旋转光纤）具有较低的限制损耗，从而可提高电流互感器等传感应用的测试结果准确度和可靠性。采用圆偏振态保持光纤制作的光纤电流互感器,经过远程温度补偿,精度可以达到正负万分之四以内。

传统低双折射光纤的制备方法在公开号为1472153的专利《低偏振模色散单模光纤的制造方法及该方法制备的光纤》中提出，即在拉丝过程中来回搓动光纤来实现旋转，这种方法不适用于单一旋转方向匀速旋转的光纤，该方法主要是降低光纤的偏振膜色散，而不是生产旋转光纤。旋转光纤的制备方法在公开号为103359929A的专利《扭转光纤的制造方法》中提出，采用预制棒拉伸成大芯径光纤然后再二次加热旋转生成扭转光纤，该方法需要将大芯径光纤的涂覆层剥离然后再拉丝扭转，这种方法较复杂，不适用于商业生产中制造圆偏振保持光纤，且该方法第二次拉丝采用水平拉丝，在重力作用下会对光纤的几何形状和结构造成影响。专利号为102503116的中国专利《一种旋转光纤的制造方法及旋转收丝装置》中提出采用收线盘旋转的方法制备旋转光纤，该方法控制难度大，难以保持丝径的稳定。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种简单可行、控制难度低的旋转光纤的制备方法和设备。

本发明的旋转光纤的制备方法，使用的旋转光纤的制备装备，包括拉丝塔和安装在拉丝塔顶部的竖直驱动装置，所述竖直驱动装置连接水平进给机构，所述水平进给机构上安装有旋转装置，所述旋转装置下面固定连接用于夹持光纤预制棒的卡棒机构，所述卡棒机构向下依次为通过拉丝塔固定的加热炉、第一丝径测量仪、涂覆装置、固化装置、第二丝径测量仪、牵引装置和收线装置。

本发明提供的旋转光纤的制备方法，包括如下步骤：

1）将待拉丝的光纤预制棒竖直夹持在卡棒机构上，通过竖直驱动装置和水平进给机构移动光纤预制棒，使光纤预制棒的锥部移动到加热炉的热区；

2）将光纤预制棒加热到熔融状态后形成光纤，光纤向下牵引时不断得到冷却，光纤通过涂覆装置均匀地涂覆涂料，然后经过固化装置把涂料固化，后由牵引装置以速度V2持续牵引，收集到收线装置上；通过控制预制棒进给速度和牵引速度控制丝径在恒定的范围内；

3）当光纤直径达到要求数值并趋于稳定时，卡棒机构以角速度V1旋转，牵引装置以角速度V3旋转,卡棒机构和牵引装置同时相反方向旋转，或者只有一个机构处于旋转状态另外一个机构不旋转，并满足V2/(V1+V3)=μ，μ为制备的旋转光纤的螺距。

理想的旋转光纤的螺距是2~10mm。

按上述技术方案,所用于旋转拉丝的预制棒是小直径预制棒,直径在15～50mm之间；预制棒尾端的直径比预制棒的直径要大2mm以上，可有效防止预制棒滑落；预制棒的翘曲度要0.2mm以下，以保证旋转拉丝时跳动量在允许的范围内。

按上述技术方案,竖直驱动装置驱动预制棒进给机构，其驱动速度根据预制棒直径、光纤直径和拉丝速度等参数实时控制，拉丝速度范围在5m～20m/min，预制棒进给机构的最小速度达到0.2mm/min。

按上述技术方案,所述加热炉加热温度控制在1600-1800℃，加热炉炉口到热区的长度在20mm以内，加热炉内由惰性气体保护。

预制棒竖直驱动装置位于塔身的顶层，带动卡棒机构向下慢速进料；卡棒机构带有隔热板；所述的加热炉位于预制棒水平进给机构的下部，其热区到炉口的距离约20cm，加热炉带炉温测量功能；炉口设置对中孔，配合预制棒的准直。

第一丝径测量仪放置在加热炉下口较近位置，利于光纤丝径的快速反馈；第一丝径测量仪上带用于隔热的石墨隔热环和冷却水通道；涂覆装置通过内外两次涂覆将涂料涂覆在光纤上面，内外层涂覆集成在一个涂覆装置内，涂覆模具内径比常规拉丝的内径要大；固化装置安装在涂覆装置下面，带抽风和排烟管道。

第二丝径测量仪放置在固化装置的下方；所述的收线装置放置在牵引装置下端。

按上述技术方案,制备旋转光纤过程中光纤断纤时，预制棒立即停止旋转，牵引旋转装置停止旋转。

本发明还提供一种旋转光纤的制备装备，包括拉丝塔和安装在拉丝塔顶部的竖直驱动装置，所述竖直驱动装置连接水平进给机构，所述水平进给机构上安装有旋转装置，所述旋转装置下面固定连接用于夹持光纤预制棒的卡棒机构，所述卡棒机构向下依次为通过拉丝塔固定的加热炉、第一丝径测量仪、涂覆装置、固化装置、第二丝径测量仪、牵引装置和收线装置。

拉丝塔高度5～6m，塔身上分布安装螺纹孔，设备依次自上而下安装在塔身上。

卡棒机构由三爪卡盘、法兰轴、旋转驱动机构和XY调整机构组成。预制棒夹持在精密三爪卡盘的卡爪中，三爪卡盘安装在空心法兰轴上，法兰轴分布三个向内的调整螺栓精密调整预制棒的垂直性；法兰轴利用一个伺服电机进行驱动，制备旋转光纤时的法兰轴的转速在600～700r/min的范围内；法兰轴所在的旋转机构安装在一个XY调整机构上，可在线实时调整预制棒在炉口的对中性。

所述加热炉为石墨电阻炉或者电阻炉。炉口设置对中孔。

所述固化装置是紫外固化灯箱。

按上述技术方案,牵引装置采用高减速比的减速机，牵引轮转动一圈牵动的光纤长度是0.5m，光纤牵引装置带张力测量功能。

按上述技术方案,牵引装置由驱动电机、传动机构、安装面板、张力调整装置、轮组和碳刷组成。

按上述技术方案,收线装置由排线机构和卷绕机构组成。

本发明取得的有益效果为：

1、本发明通过预制棒和牵引装置同时反方向旋转，可以制备更低螺距的旋转光纤，大大降低了生产难度。例如拉丝速度为6m/min,预制棒旋转速度为600转/ min, 牵引机构旋转速度为600转/ min,则可达到5mm的螺距，如果继续降低拉丝速度，提高预制棒和主牵引机构的旋转速度，螺距将会更短，所制备的传感器的效果将更佳。本发明的预制棒旋转速度可达1000转/ min，主牵引机构旋转速度为4000转/ min，折合旋转速度比现有技术更高。

2、本发明在预制棒拉丝的过程中一次成型成旋转光纤然后涂覆，比成品光纤剥离涂层后再加热熔融拉伸并旋转的制备方法要更简单可靠。并且本发明采用竖直方向拉丝，所有的拉丝设备均垂直安装在拉丝塔上，若采用加热熔融光纤进行二次拉丝，拉丝方向为水平方向，在重力作用下会对光纤的几何形状和结构造成影响。

3、本发明的主牵引旋转方式，既能够通过主牵引控制拉丝时光纤的丝径，也能准确的保持光纤拉制过程中处于对中位置，不影响涂覆时辅料的附着，光纤的抖动很小，减少了塔断等事故的发生。如果直接旋转收丝装置，控制难度很大，难以保持丝径的稳定，基本难以实现光纤的连续生产。

4、本发明设备结构简单，设备集成度高，运行稳定，一次性成型为旋转光纤，提高了旋转光纤的生产效率。

附图说明

图1为本发明的旋转光纤的制备设备示意图。

图2为本发明的牵引装置和收线装置的结构示意图。

图中: 1-竖直驱动装置,2-进给机构,3-旋转装置,4-卡棒机构,5-预制棒,6-加热炉,7-第一丝径测量仪,8-涂覆装置,9-固化装置,10-第二丝径测量仪,11-牵引装置,12-收线装置, 13-收丝桶，14-减速机，15-驱动电机，16-传动机构，17-旋转轴，18-安装面板，19-张力调整装置，20-轮组， 21-碳刷,22-卷绕机构，23-排线机构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用 于限定本发明。

图1为本发明的旋转光纤的制备设备。它包括旋转拉丝、竖直驱动装置1、进给机构2、旋转装置3、卡棒机构4、加热炉6、第一丝径测量仪7、涂覆装置8、固化装置9、第二丝径测量仪10、牵引装置11、收线装置12。拉丝塔塔身高度5～6m，塔身上分布安装螺纹孔，设备依次自上而下安装在塔身上；竖直驱动装置2位于塔身的顶层，带动旋转装置3和卡棒机构4向下慢速进料；卡棒机构4带有隔热板；加热炉6位于预制棒进给机构2的下部，其热区到炉口的距离约20cm，加热炉6带炉温测量功能；炉口设置对中孔，配合预制棒的准直；

第一丝径测量仪7放置在加热炉6下口较近位置，利于丝径的快速反馈；第一丝径测量仪7上带用于隔热的石墨隔热环和冷却水通道；涂覆装置8通过内外两次涂覆将涂料涂覆在光纤上面，内外层涂覆集成在一个涂覆装置内，涂覆模具内径比常规拉丝的内径要大；固化装置9安装在涂覆装置下面，带抽风和排烟管道；第二丝径测量仪10放置在固化装置的下方；

牵引装置11采用高减速比的减速机，以实现拉丝速度在5m/min的低速稳定拉丝，牵引轮转动一圈牵动的光纤长度是0.5m。牵引装置带张力测量功能，以检测拉丝的张力。

如图2所示，牵引装置11由驱动电机15、减速机14、传动机构16、旋转轴17、安装面板18、张力调整装置19、轮组20和碳刷21组成。驱动电机15是一种伺服电机，减速机14减速后输出的驱动力增大，传动机构16为同步带传动系统或者齿轮传动系统，旋转轴17为空心轴，生产的光纤轴中心孔穿过，安装面板18固定在旋转轴17的安装法兰上。张力调整装置19是含有舞蹈轮的机构，生产的时候，光纤绕在舞蹈轮上，舞蹈轮的上下摆动调整拉丝速度的波动，调整了光线的张力。轮组20由若干大孔径导轮组成，起到调整光纤的方向的作用。碳刷21安装在牵引装置安装面板18的安装法兰上，通过碳刷21，把牵引装置11的电机电源线、控制信号线连接到外部控制柜上，碳刷的连接作用下，整个牵引装置在旋转过程中不会出现绕线。

收线装置12放置在牵引装置11下端，收线装置由排线机构23、卷绕机构22和收丝桶13组成。排线机构23的电机和丝杠安装在塔身上，电机驱动丝杠转动让卷绕机构能够上下往返运动，从而实现光纤收集时的排线。卷绕机构22通过电机和减速机组成的驱动机构驱动收丝筒旋转，将光纤源源不断的收集到收丝筒13上。

使用图1的设备制备旋转光纤的方法。具体实施过程如下：

首先待拉丝的预制棒5进行预处理，其中预制棒是小直径预制棒,直径在15～50mm之间；预制棒的靶棒尾端的直径比预制棒的直径要大2mm以上，可有效防止预制棒滑落；预制棒的翘曲度要在0.2mm以下，以保证旋转拉丝时跳动量在允许的范围内。

然后将待拉丝的小直径的光纤预制棒5竖直夹持在旋转光纤拉丝塔的卡棒机构4的三爪卡盘上，卡棒机构由三爪卡盘、法兰轴、旋转驱动机构和XY调整机构组成，三爪卡盘安装在空心法兰轴上，法兰轴分布三个向内的调整螺栓精密调整预制棒的垂直性；法兰轴利用一个伺服电机进行驱动，制备旋转光纤时的法兰轴的转速在600～700r/min的范围内；法兰轴所在的旋转机构安装在一个XY调整机构上，可在线实时调整预制棒在炉口的对中性。其中卡棒机构的旋转方向为顺时针或者逆时针，牵引机构的旋转方向跟卡棒机构的旋转方向相反，以获得更低的螺距。在生产普通螺距的旋转光纤时，也可以让一个旋转机构处于旋转状态另外一个机构不旋转。

然后通过拉丝塔的进给机构2移动光纤预制棒，使光纤预制棒的待拉丝锥部移动到加热炉6的热区；顶层驱动装置驱动预制棒进给机构，其驱动速度根据预制棒直径、光纤直径和拉丝速度等参数经过主控制系统实时闭环控制，拉丝速度范围在10m～15m/min，预制棒进给机构的最小速度达到0.2mm/min。

将光纤预制棒在加热炉中加热到熔融状态后形成光纤丝，加热炉为石墨电阻炉或者电阻炉，加热温度控制在1600-1800℃，加热炉炉口到热区的长度在20mm以内，加热炉内由惰性气体保护。

熔融状态的光纤向下牵引时不断得到冷却，旋转特性得到固定。光纤丝通过涂覆装置8均匀地涂料，然后经过固化装置9把涂料固化。光纤涂覆前和涂覆后均有一个丝径测量仪，用于测量光纤的实时丝径，通过控制预制棒进给速度和主牵引旋转速度控制丝径在恒定的范围内；

当光纤直径达到要求数值并趋于稳定时，卡棒机构4以速度V1旋转，牵引机构11以速度V3旋转,光纤的旋转向上传递到熔融区域，并满足V2/(V1+V3)=μ，μ为制备的旋转光纤的旋转周期，理想的旋转周期至少每转5mm。

后由牵引装置11以速度V2持续牵引，最后收集到收线装置12上；制备旋转光纤时若光纤断纤，预制棒立即停止旋转，牵引旋转装置停止旋转。竖直驱动装置、牵引装置和旋转装置通过主控制系统组合成一个闭环系统，主控制系统的界面采集旋转拉丝的实时信息，并通过界面控制拉丝的各种工艺参数。