在线测量疏松体密度的方法及装置与流程

本发明涉及光纤预制棒的vad法制造领域，具体是涉及一种在线测量疏松体密度的方法及装置。

背景技术：

近几年电信行业根据“十二五”规划加速移动基站建设，又因受到光纤预制棒反倾销等因素的影响，行业需求快速增长，国内出现了极大的光纤预制棒供不应求现象，而这一现象受国内电信固定资产投资快速增长的影响，且未来几年国内电信运营商对光纤的需求仍将维持快速增长趋势，因此稳定并且提高光纤预制棒生产产能，对于目前光纤预制棒生产企业有着格外重要的意义。

对于使用vad(气相轴向沉积法)和ovd(外气相沉积法)法制备光纤预制棒的生产企业，光纤预制棒的生产主要经过疏松体沉积和疏松体烧结两道工序。

疏松体沉积，是通过二氧化硅与二氧化锗粉尘颗粒的沉积，形成白色的圆柱状疏松体，其密度一般在0.2～0.6g/cm³之间，蹭碰过程中易断裂，因此密度控制是生产预制棒疏松体的关键参数之一。

疏松体烧结，是通过将沉积好的预制棒疏松体放置在烧结炉内进行高温烧结，变成透明的玻璃预制棒成品。疏松体烧结工序是产品成型的最终工序，是用于光纤预制棒生产的一个非常重要的工序。

在疏松体烧结工序中，容易发生因生产的预制棒疏松体密度较低导致预制棒疏松体断裂的现象，断裂的预制棒疏松体掉落在炉心管内后，对预制棒疏松体烧结工艺造成以下后果：

(1)疏松体在掉落过程中可能会直接砸裂炉心管底部，导致炉心管报废。

(2)掉落的疏松体积聚在炉心管底部，可能会堵塞炉心管的进气口，导致炉心管报废。因为进气口堵塞后，工艺气体无法按照设定的流量进入炉心管内部，从而造成预制棒疏松体的脱水和烧结无法达到预期效果。

(3)掉落的疏松体积聚在炉心管底部，积聚到一定高度后，会使得预制棒疏松体的有效行程变短，造成其无法完成正常的脱水工艺行程或者烧结工艺行程，导致炉心管报废。

综上所述，光纤预制棒疏松体的一次掉落就可能导致整根炉心管的报废。炉心管一般采用高纯石英玻璃制作，长度为3米以上，价格昂贵，此外炉心管在搬运、移动过程中容易破碎，更换和安装炉心管是一项十分繁重的工作，因此光纤预制棒疏松体的掉落会明显降低光纤预制棒的生产效率，频繁地更换炉心管，更显著增加了生产成本。

所以，在实际生产过程中，生产人员需要定期对生产的预制棒疏松体进行离线密度测试，防止因密度低造成预制棒疏松体断落至炉心管而导致炉心管报废。离线密度测试，需要将预制棒疏松体搬运至密度测试仪上，一方面增加了操作人员的工作负荷与工作时间，降低了生产效率，另一方面也增加了预制棒疏松体在搬运及挂棒过程中的损坏风险。同时，为了提高生产效率，离线密度测试只是定期对某批次的预制棒疏松体进行密度测试，不能排除因生产不稳定导致的部分预制棒疏松体密度较低的现象。未经过密度测试的预制棒疏松体送至炉心管内部进行脱水和烧结时，增加了炉心管报废的风险。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种在线测量疏松体密度的方法及装置，能保证预制棒疏松体生产时的安全性，也及时精确反馈了预制棒疏松体的密度数据，避免因光纤预制棒疏松体密度低掉落至炉心管内造成的炉心管报废，而且也避免了离线测试操作，能显著降低操作人员的工作负荷与工作时间，有效提高生产效率。

本发明提供一种在线测量疏松体密度的方法，适用于vad法制造光纤预制棒，该方法包括以下步骤：

vad设备包括提升平台、旋转引杆、旋转电机、沉积引杆、沉积腔体，先将外径扫描仪固定于沉积腔体的外部，高度高于沉积起始位置10～100mm；再将气动锁紧夹头、圆环式称重传感器固定在提升平台的底部凹槽内；然后将旋转电机放置在圆环式称重传感器的上方，并调整旋转引杆，使旋转引杆与圆环式称重传感器同轴；将沉积引杆与旋转引杆连接，使沉积引杆与旋转引杆同轴，记录下圆环式称重传感器的读数g1，作为一个常量；

将石墨定位块放置在旋转电机与提升平台之间的空隙中，限制但不固定旋转电机纵向的移动；缓慢锁紧气动锁紧夹头，限制并固定旋转电机，使旋转电机锁孔的中心水平轴线与气动锁紧夹头的中心水平轴线处于同一高度；盖上金属防尘罩，使金属防尘罩处于提升平台表面的凹槽内，并覆盖包裹旋转电机，旋转电机的电源线与控制线从金属防尘罩的走线口穿出，正常进行预制棒疏松体的生产；生产前将沉积靶棒连接到沉积引杆，并记录下沉积靶棒的质量m，作为一个常量；

预制棒疏松体的生产结束后，缓慢松开气动锁紧夹头，并记录下圆环式称重传感器的读数g2，g2为一个变量，提取出外径扫描仪及体积计算模块计算出的预制棒疏松体的体积v；

根据公式计算出预制棒疏松体的密度：预制棒疏松体的密度＝((g2-g1)/g-m)/v，g为重力加速度常数，将预制棒疏松体的密度以数字信号的形式输出，完成整个预制棒疏松体密度的在线测量过程；取出生产完毕的预制棒疏松体，缓慢锁紧气动锁紧夹头，继续正常进行下一根预制棒疏松体的生产过程。

在上述技术方案的基础上，生产预制棒疏松体时，圆环式称重传感器与旋转电机的高度间距为2～5mm，圆环式称重传感器与旋转引杆的径向间距为2～5mm；测量预制棒疏松体重量时，圆环式称重传感器与旋转电机直接接触，并反馈测量到的预制棒疏松体重量。

本发明还提供一种在线测量疏松体密度的装置，适用于vad法制造光纤预制棒，vad设备包括提升平台、旋转引杆、旋转电机、沉积引杆、沉积腔体，该装置包括重量测量组件、体积测量组件和密度计算模块，重量测量组件固定放置于提升平台处，用于测量预制棒疏松体的重量，体积测量组件固定放置于沉积腔体外部，用于扫描并计算预制棒疏松体的体积；该装置在预制棒疏松体沉积结束的状态下进行测量；

所述重量测量组件包括压力传感器、气动锁紧夹头，所述重量测量组件存在固定态和自由态两种工作状态，两种工作状态均为静止状态，气动锁紧夹头实现固定态、自由态的切换：气动锁紧夹头锁紧后，重量测量组件实现固定态，满足沉积生产所需的刚性环境；气动锁紧夹头松开后，重量测量组件实现自由态，此时已停止生产，压力传感器直接反馈预制棒疏松体的重量；

所述体积测量组件用于扫描并计算预制棒疏松体的体积，所述体积测量组件包括外径扫描仪和体积计算模块，所述外径扫描仪用于测量并记录整个预制棒疏松体沉积起始至结束时的外径曲线；全程扫描并记录整个疏松体外径轮廓数据，仅在预制棒疏松体生产停止后完成整个扫描记录过程；所述体积计算模块用于：根据外径扫描仪测量的外径曲线，计算预制棒疏松体的体积；

所述密度计算模块用于：根据压力传感器反馈的重量和体积计算模块计算的体积，计算出预制棒疏松体的密度。

在上述技术方案的基础上，所述压力传感器为圆环式称重传感器，所述气动锁紧夹头由处于同一平面的前后左右4个气动夹头组成，端面采用锥面设计，锁紧4个气动夹头时，重量测量组件实现固定态，圆环式称重传感器无读数；松开4个气动夹头时，重量测量组件实现自由态，圆环式称重传感器的读数为连带旋转电机、沉积引杆在内的预制棒疏松体的重量。

在上述技术方案的基础上，所述重量测量组件与旋转电机、提升平台的外形尺寸匹配，所述圆环式称重传感器的内径尺寸比旋转引杆的外径尺寸大4～10mm，所述圆环式称重传感器的外径尺寸比旋转电机的外径尺寸小4～10mm，所述圆环式称重传感器的高度为10～20mm。

在上述技术方案的基础上，所述气动锁紧夹头与旋转电机的外形尺寸匹配，气动锁紧夹头端面两边均采用锥面设计，锥面角度为10～35°，气动锁紧夹头松开时，其水平中心轴线比旋转电机锁孔的水平中心轴线高2～5mm，气动锁紧夹头工作时始终缓慢动作。

在上述技术方案的基础上，所述重量测量组件还包括石墨定位块和金属防尘罩，气动锁紧夹头位于石墨定位块的上方，石墨定位块位于圆环式称重传感器的上方，金属防尘罩包覆在旋转电机、气动锁紧夹头、石墨定位块、圆环式称重传感器之外；所述石墨定位块用于限制重量测量组件的固定态、自由态切换时的位移；所述金属防尘罩用于防止环境中的粉尘颗粒影响装置的测量精度与正常工作。

在上述技术方案的基础上，所述石墨定位块的宽度与旋转电机、提升平台凹槽之间的间隙匹配，石墨定位块的高度与提升平台凹槽的高度一致，石墨定位块的数量为4～8个。

在上述技术方案的基础上，所述金属防尘罩与旋转电机、提升平台的外形尺寸匹配，金属防尘罩的高度比旋转电机的高度大60～100mm，所述金属防尘罩的走线口的尺寸与旋转电机的电源线和控制线尺寸匹配。

在上述技术方案的基础上，所述外径扫描仪的测量范围与生产的预制棒疏松体的外径匹配，外径扫描仪固定于沉积腔体的外部，位置高于预制棒疏松体沉积起始位置10～100mm。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明将外径扫描仪固定于沉积腔体的外部，将气动锁紧夹头、圆环式称重传感器固定在提升平台的底部凹槽内；将旋转电机放置在圆环式称重传感器的上方，并调整旋转引杆，使旋转引杆与圆环式称重传感器同轴；将沉积引杆与旋转引杆连接，使沉积引杆与旋转引杆同轴，记录下圆环式称重传感器的读数g1，作为一个常量；

将石墨定位块放置在旋转电机与提升平台之间的空隙中，限制但不固定旋转电机纵向的移动；缓慢锁紧气动锁紧夹头，限制并固定旋转电机，使旋转电机锁孔的中心水平轴线与气动锁紧夹头的中心水平轴线处于同一高度；盖上金属防尘罩，使金属防尘罩处于提升平台表面的凹槽内，并覆盖包裹旋转电机，旋转电机的电源线与控制线从金属防尘罩的走线口穿出，正常进行预制棒疏松体的生产；生产前将沉积靶棒连接到沉积引杆，并记录下沉积靶棒的质量m，作为一个常量；

预制棒疏松体的生产结束后，缓慢松开气动锁紧夹头，并记录下圆环式称重传感器的读数g2，g2为一个变量，提取出外径扫描仪及体积计算模块计算出的预制棒疏松体的体积v；

根据公式计算出预制棒疏松体的密度：预制棒疏松体的密度＝((g2-g1)/g-m)/v，g为重力加速度常数，将预制棒疏松体的密度以数字信号的形式输出，完成整个预制棒疏松体密度的在线测量过程；取出生产完毕的预制棒疏松体，缓慢锁紧气动锁紧夹头，继续正常进行下一根预制棒疏松体的生产过程。

本发明在完成疏松体沉积后，直接测量预制棒疏松体的密度，不仅能够保证预制棒疏松体生产时的安全性，也及时精确反馈了预制棒疏松体的密度数据，避免因光纤预制棒疏松体密度低掉落至炉心管内造成的炉心管报废，而且也避免了离线测试操作，能够显著降低操作人员的工作负荷与工作时间，有效提高生产效率。

(2)本发明中的重量测量组件存在固定态和自由态两种工作状态，两种工作状态均为静止状态，气动锁紧夹头实现固定态、自由态的切换：气动锁紧夹头锁紧后，重量测量组件实现固定态，满足沉积生产所需的刚性环境；气动锁紧夹头松开后，重量测量组件实现自由态，此时已停止生产，压力传感器直接反馈预制棒疏松体的重量，而且预制棒疏松体在生产过程中与圆环式称重传感器处于分离状态，能够充分保证预制棒疏松体生产过程的稳定性和安全性。

(3)本发明在预制棒疏松体生产停止后进行测量，使得体积测量组件可以扫描并记录整个疏松体外径轮廓数据，得到最精确的疏松体体积，测量的疏松体密度更精确，为安全生产提供了准确的分析数据，能够避免因光纤预制棒疏松体密度低掉落而造成的炉心管报废问题，显著提高光纤预制棒的生产稳定性。

(4)本发明避免了离线测量中光纤预制棒疏松体的多次取棒、挂棒及运输过程，规避了前述操作中预制棒疏松体破碎的风险，明显降低了操作人员的工作负荷，能够节省生产时间，有效提高光纤预制棒的生产效率。

(5)本发明能够规避因光纤预制棒疏松体密度低掉落而造成的炉心管报废问题，间接提高了炉心管的使用寿命，能够有效降低生产成本。

附图说明

图1是本发明实施例中在线测量疏松体密度装置的整体装配示意图。

图2是本发明实施例中重量测量组件的结构示意图。

图3是本发明实施例中气动锁紧夹头松开时的结构示意图。

图4是本发明实施例中重量测量组件移除防尘罩的俯视图。

图5是本发明实施例中金属防尘罩的结构示意图。

图6是本发明实施例中圆环式称重传感器的示意图。

附图标记：1-提升平台，2-旋转引杆，3-沉积引杆，4-预制棒疏松体，5-沉积腔体，6-外径扫描仪，7-金属防尘罩，8-旋转电机，9-气动锁紧夹头，10-石墨定位块，11-圆环式称重传感器，12-集尘槽，13-气动锁紧夹头的中心水平轴线，14-旋转电机锁孔的中心水平轴线，15-凹槽，16-金属防尘罩的走线口。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明实施例提供一种在线测量疏松体密度的方法，适用于vad法制造光纤预制棒，包括以下步骤：

参见图1、图2所示，vad设备包括提升平台1、旋转引杆2、旋转电机8、沉积引杆3、沉积腔体5，先将外径扫描仪6固定于沉积腔体5的外部，高度高于沉积起始位置10～100mm，例如30mm；再将气动锁紧夹头9、圆环式称重传感器11固定在提升平台1的底部凹槽内；然后将旋转电机8放置在圆环式称重传感器11的上方，并调整旋转引杆2，使旋转引杆2与圆环式称重传感器11同轴；将沉积引杆3与旋转引杆2连接，使沉积引杆3与旋转引杆2同轴，记录下圆环式称重传感器11的读数g1，作为一个常量。

参见图2、图3所示，将石墨定位块10放置在旋转电机8与提升平台1之间的空隙中，限制但不固定旋转电机8纵向的移动；缓慢锁紧气动锁紧夹头9，限制并固定旋转电机8，使旋转电机锁孔的中心水平轴线14与气动锁紧夹头的中心水平轴线13处于同一高度；盖上金属防尘罩7，参见图4所示，使金属防尘罩7处于提升平台1表面的凹槽15内，并覆盖包裹旋转电机8，参见图5所示，旋转电机8的电源线与控制线从金属防尘罩的走线口16穿出，正常进行预制棒疏松体的生产；生产前将沉积靶棒连接到沉积引杆3，并记录下沉积靶棒的质量m，作为一个常量；

预制棒疏松体的生产结束后，缓慢松开气动锁紧夹头9，并记录下圆环式称重传感器11的读数g2，g2为一个变量，提取出外径扫描仪6及体积计算模块计算出的预制棒疏松体的体积v；

根据公式计算出预制棒疏松体的密度：预制棒疏松体的密度＝((g2-g1)/g-m)/v，g为重力加速度常数，将预制棒疏松体的密度以数字信号的形式输出，完成整个预制棒疏松体密度的在线测量过程；取出生产完毕的预制棒疏松体，缓慢锁紧气动锁紧夹头9，继续正常进行下一根预制棒疏松体的生产过程。

生产预制棒疏松体时，圆环式称重传感器11与旋转电机8的高度间距为2～5mm，圆环式称重传感器11与旋转引杆2的径向间距为2～5mm，测量预制棒疏松体重量时，圆环式称重传感器11与旋转电机8直接接触，并反馈测量到的预制棒疏松体重量。

参见图1、图2所示，本发明实施例还提供一种在线测量疏松体密度的装置，适用于vad法制造光纤预制棒，vad设备包括提升平台1、旋转引杆2、旋转电机8、沉积引杆3、沉积腔体5，该装置包括重量测量组件、体积测量组件和密度计算模块，重量测量组件固定放置于提升平台1处，用于测量预制棒疏松体的重量，体积测量组件固定放置于沉积腔体5外部，用于扫描并计算预制棒疏松体的体积；该装置在预制棒疏松体沉积结束的状态下进行测量。

重量测量组件包括压力传感器、气动锁紧夹头9，重量测量组件存在固定态和自由态两种工作状态，两种工作状态均为静止状态，气动锁紧夹头9实现固定态、自由态的切换：气动锁紧夹头9锁紧后，重量测量组件实现固定态，满足沉积生产所需的刚性环境；气动锁紧夹头9松开后，重量测量组件实现自由态，此时已停止生产，压力传感器直接反馈预制棒疏松体的重量；

体积测量组件用于扫描并计算预制棒疏松体的体积，所述体积测量组件包括外径扫描仪6和体积计算模块，所述外径扫描仪6用于测量并记录整个预制棒疏松体沉积起始至结束时的外径曲线；全程扫描并记录整个疏松体外径轮廓数据，仅在预制棒疏松体生产停止后完成整个扫描记录过程；所述体积计算模块用于：根据外径扫描仪6测量的外径曲线，计算预制棒疏松体的体积。

密度计算模块用于：根据压力传感器反馈的重量和体积计算模块计算的体积，计算出预制棒疏松体的密度。

参见图6所示，压力传感器为圆环式称重传感器11，参见图4所示，气动锁紧夹头9由处于同一平面的前后左右4个气动夹头组成，端面采用锥面设计，锁紧4个气动夹头时，重量测量组件实现固定态，圆环式称重传感器11无读数；松开4个气动夹头时，重量测量组件实现自由态，圆环式称重传感器11的读数为连带旋转电机8、沉积引杆3在内的预制棒疏松体的重量。

重量测量组件与旋转电机8、提升平台1的外形尺寸匹配，圆环式称重传感器11的内径尺寸比旋转引杆2的外径尺寸大4～10mm，圆环式称重传感器11的外径尺寸比旋转电机8的外径尺寸小4～10mm，圆环式称重传感器11的高度为10～20mm。

气动锁紧夹头9与旋转电机8的外形尺寸匹配，气动锁紧夹头9端面两边均采用锥面设计，锥面角度为10～35°，气动锁紧夹头9松开时，其水平中心轴线比旋转电机8锁孔的水平中心轴线高2～5mm，气动锁紧夹头9工作时始终缓慢动作。

重量测量组件还包括石墨定位块10和金属防尘罩7，气动锁紧夹头9位于石墨定位块10的上方，石墨定位块10位于圆环式称重传感器11的上方，金属防尘罩7包覆在旋转电机8、气动锁紧夹头9、石墨定位块10、圆环式称重传感器11之外；石墨定位块10用于限制重量测量组件的固定态、自由态切换时的位移；金属防尘罩7用于防止环境中的粉尘颗粒影响装置的测量精度与正常工作。

石墨定位块10的宽度与旋转电机8、提升平台1凹槽之间的间隙匹配，石墨定位块10的高度与提升平台1凹槽的高度一致，石墨定位块10的数量为4～8个。石墨定位块10亦可采用石墨定位环。

金属防尘罩7与旋转电机8、提升平台1的外形尺寸匹配，金属防尘罩7的高度比旋转电机8的高度大60～100mm，参见图5所示，金属防尘罩的走线口16的尺寸与旋转电机8的电源线和控制线尺寸匹配。

外径扫描仪6的测量范围与生产的预制棒疏松体的外径匹配，外径扫描仪6固定于沉积腔体5的外部，位置高于预制棒疏松体沉积起始位置10～100mm。为了避免高温和火焰对外径扫描仪6的测量精度造成影响，该装置需要在预制棒疏松体沉积结束的状态下进行。

本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。