专利名称：检测纤维张力的方法
技术领域：
本发明涉及光导纤维，特别涉及一种在拉伸该纤维时检测纤维张力的方法。
在制造光学玻璃纤维时，纤维是从已被加热到足够高的温度的玻璃预型件或拉伸坯料的端部拉制的。生产光导纤维的一个较重要的加工参数是纤维在拉伸过程中的张力，特别是纤维在热区域与第一涂层器之间的区域内的张力。该张力的大小影响纤维的最终特性，包括纤维的直径、最后的强度以及通过光应力效应影响它的光学特性。
从加工角度看，纤维的张力也影响拉伸工艺过程的总的稳定性和产量。过大的张力会导致热区域中的纤维的快速颈缩(形成细颈)和最终的断裂。如果不仔细加以控制，单是为了降低纤维张力而增长热区域的温度会引起拉伸共振和根部振荡，从而产生用通常的纤维直径监测设备很难控制的纤维直径的振荡变化。拉伸期间的纤维振动也对纤维涂层产生不利的影响。
纤维张力与拉伸纤维的预型件的根部的玻璃的粘度有关，且与纤维被拉制时的速度有关。由于玻璃的粘度是温度的函数，拉伸张力可通过调节熔炉的温度来控制。
熔炉本身的温度可利用象高温计或热电偶等常用温度检测技术加以测量和控制。然而，由于拉伸过程的热力学现象，该控制方法不能对根部温度提供充分的控制。根部上方的预型件部分起着减少根部温度的热沉(热潭)作用。如果熔炉的温度保持不变，根部将随着预型件尺寸的变小而变得较热。因此，当预型件在纤维拉制过程中体积(尺寸)变小时，恒定的炉温将导致拉伸张力的降低。
通过测量拉伸期间不同时间阶段下的拉伸张力，然后调整熔炉的温度以补偿预型件长度的减少，可以对拉伸张力进行控制。当预型件尺寸减小且热潭(沉)变小时，则降低熔炉的温度。
人们常通过测量在相对于纤维运动方向施加横向力而引起的纤维的变形来机械地检测纤维张力。专利申请号为GB2，179，339A的英国专利公开了一种三轮装置，该装置中的两个轮是加到纤维的一侧，第三个轮子则加到纤维的另一侧。第三个轮子相对最初的两个轮的位置用来量度纤维的张力。在该英国专利申请GB2，179，339A所提供的方法中，测量是在涂层设备下进行的，来自张力计的信号仅当不对纤维进行涂层时的最初准备阶段用来控制拉伸熔炉的温度。
上述三轮方法有许多缺点。它很难精确地将该装置与纤维对齐(对准)而不改变纤维的最初的路径。三个轮子与纤维的接触影响了在线纤维直径反馈回路从而降低了纤维拉伸的速度。又，当被三轮装置接触时，移动的纤维可能断裂。当涂层的纤维正被拉伸时，张力计最好能设置在熔炉的正下方。在该位置处的断裂，由于需要重新开始整个拉伸过程，所以能造成生产的损失。
专利号为4，692，615的美国专利公开了一种测量运动着的纤维的张力的非接触的方法和装置，它是通过检测纤维的运动、分析该运动以确定它的至少一个频率分量以及监测这样确定的频率分量或多个分量来监测纤维的张力的。该方法基于这样的事实，即拉伸时的光学纤维的振动特性与两端固定的张力状态下的绳的振动特性至少是一次近似地相对应的。纤维在根部和第一涂层施加器之间形成了一根拉伸的绳子。
拉伸的绳子的波方程是F＝μ(2Vδ)2……(1)
其中，F是加在纤维上的力，μ是纤维的线性密度，V是基本谐振频率，以及δ是纤维的悬浮长度。如果测得振动的基本谐振频率，那么上述力或张力的大小可以通过计算得出。但是，往往频率的最大峰值是由旋转的机器或其他周期性的振动源所引起的噪声，而不是由纤维基本振动频率产生的。
鉴于已有技术的以上情况，很明显，改进监测光学纤维在拉伸期间的张力的现有方法很有必要。本发明的目的正是提供这样一种改进的监测系统。
更具体地说，本发明的一个目的是提供一种能用在线的连续的方式来监测纤维张力的自动的、非接触的方法。本发明的另一个目的是提供一种用来监测热区域与第一涂层装置之间的光学纤维张力的改进的方法。本发明还有一个目的是提供一种即使纤维振动中包括由旋转机器或其他类似的振动而产生的成分，也能产生一精确的张力指示的非接触纤维张力监测方法。
为了实现前面所述的以及其它目的，本发明的某些方面提供了一种监测运动中的纤维张力的方法，它包括以下步骤(a)在垂直于纤维运动的方向检测纤维的运动;
(b)分析上述检测到的运动以确定它的许多频率分量，每一个频率分量有某一数值，这些分量中的一个构成最大值分量;
(c)将上述最大值分量的频率加倍，以便得到一双倍频率2(fm1);
(d)确定一接近频率2(fm1)的频率分量的存在，从而证实该最大值分量就是纤维运动的基本谐振频率;以及(c)由上述验证的基本谐振(波)频率分量确定纤维的张力。
根据本发明的一个较佳的实施例，同时还分析第二最高频率分量fm2以确定是否有一接近两倍频率fm2(2fm2)的频率分量。该接近2(fm1)的分量称为第一二次谐振分量，而接近2(fm2)的分量称为第二二次谐振分量。如果第二二次谐振分量在频率上接近2(fm2)的程度超过第一二次谐振接近2(fm1)的程度，那么就认为fm2是纤维运动的基本谐振频率。
一表示基本纤维振动频率的信号用在反馈电路中控制拉伸熔炉的温度，从而控制拉伸纤维的张力。
下面的附图作为说明书的一部分，它与说明书一起用来描述本发明的较佳实施例，并解释本发明的主要构思。
图1是纤维拉伸装置的方框示意图;
图2是图1的纤维位置监测器的方框示意图;
图3是图1的带通滤波器产生的典型位置与时间的波形曲线;
图4是图3的纤维位置信号的傅里叶变换;
图5是表示用来数字化地光滑图4的波形的一单位脉冲函数;
图6是被光滑后的傅里叶频谱;
图7是表示用来得到图6的频谱的导数的有所改变的单位阶跃函数;以及图8是用来确定纤维运动的基本谐波频率的计算机辅助方法的流程表。
参见图1。图中画出了一光学纤维拉伸系统，其中，玻璃预型件10垂直放置在拉伸熔炉的马弗炉11中。加热元件12至少对预型件10的底部提供热量。在进行通常的起动程序之后，纤维14由牵引机20从预型件10的根部13拉伸。在离开马弗炉11后，纤维14碰到直径监测器15，该监测器提供一信号给调节牵引机20的速度的反馈控制回路以使纤维直径保持恒定。纤维14然后经过位置监测器16、冷却管17以及涂层器18。该涂层后的纤维也可经过一涂层熟化装置，且如果有必要，还可再经过另外的涂层器(未画出)进行涂层。对预型件垂直向下的驱动和牵引机驱动的反馈控制可根据英因专利申请GB2，179，339A提供的控制算法来进行。
根据本发明，在确定运动纤维14的张力时，进行下列步骤以避免产生错误的张力信号(a)位置检测器16检测垂直于纤维运动方向的纤维14的运动。任何一种位置监测器，包括专利号为4，692，615的美国专利所公开的Reticon位置检测系统都能使用，不过较好的装置是图2所示的装置;
(b)分析上述检测得的运动(情况)，以确定它的频率分量以及每一个频率分量的大小;
(c)选择一个具有最大值的频率分量fm1;
(d)分析其余的频率分量，确定频率fm1是否有一二次谐振(波)频率。进行该步骤是为了证实上述最大值分量是纤维运动的基本谐波频率。二次谐波是指2(fm1)即两倍于频率fm1的一上下在给定范围内的频率分量;
(e)然后根据证实的基波谐波频率分量确定纤维的张力。
步骤(b)到(e)可由几个分开的处理机、一数定计算机、一阵列处理机来完成。步骤(b)，例如，能由专利号为4，692，615的美国专利提供的频谱分析器完成。
根据本发明的一较佳实施例，第二最高频分量fm2也可以认为是纤维运动的基本谐波的可能的候选者。因此分析其余的频率分量以便确定是否有接近2(fm2)或两倍于频率fm2的二次谐波。接近2(fm1)的分量称为第一二次谐波，而接近2(fm2)的分量则称为第二二次谐波。如果第二二次谐波在频率上接近2(fm2)的程度高于第一二次谐波接近2(fm1)和程度，那么fm2就被认为是基本谐波频率。
类似地可确定是否有一接近于2(fm3)的频率分量，即两倍于第三最高频率分量fm3的频率。
一拉伸控制计算机47可以包含有用来控制牵引机速度、预型件垂直向下馈送以及熔炉温度的算法。该计算机47可以采用Digital11/73型计算机。纤维14的直径由监测器15测量，该监测器给拉伸控制计算机提供一可对纤维的线性密度进行动态计算的信号。纤维的振动部分的特征长度可从实际设备的尺寸测得，但最好通过实验确定。通过测量基本谐波频率然后再使用一三轮接触张力计周期性地测量实际的张力可确定上述特征长度以及系统的校正(定标)。该校正步骤仅在设备的初始安装时才需要进行，此外只有设备的结构有变化时才需要重新校正。为了谨慎起见，上述校正步骤可隔一个时期进行一次例如每年一次。
将一个与基本频率分量成比例的信号送到拉伸控制计算机中，后者通过将频率与当前的纤维直径的结合，计算出纤维张力，计算时使用下列等式T＝α+βd2V2……(2)其中d是纤维直径，V是基本谐波频率，而α和β是从等式(1)由实验确定的代表综合参数的常数。如图1所示，来自控制算法48的倍号馈给温度控制电路49(它也可以是拉伸计算机47的一个组成部分)，然后该电路控制加热元件12的温度。例如，熔炉的温度能控制得保持拉伸张力基本不变。
为了实现本发明，应用了下面的系统。
纤维振动的测量由图2所示的光学装置来完成。来自激光器24的光由一圆柱形透镜26在一水平轴线上分散开，从而提供一纤维能在基间移动和被照射的相当大的区域。虚线27表示光散开的范围。光撞到纤维14后，被在所有方向上反射和折射，它大多数以前方位角折射。由于纤维相对于系统的其余部分的尺寸相当小，因而纤维可以有效地作为分散光的点光源来对待。透镜30和31设置在离纤维大约1.2英寸地方，以便把被照射的纤维的图象在检测器32和33的表面上重新聚焦成点。纤维离开透镜的距离、检测器离开透镜的距离以及透镜的焦距决定了系统的放大倍数。该放大倍数是正交于透镜的中心轴线的移动的长度与相应的检测器上的重新聚焦的点的移动长度的比。检测器32和33是市场上可购得的横向效应单元，它是由L.S.Watkins发表在《应用光学》1979年7月1日的第18卷第13期PP2214-2222上的“激光束折射……梯度剖面”一文所述的那种单元。这些检测器的每一个都是一个有两个阳极和一个阴极的硅检测器。两个阳极和一公共阴极之间的相对电势差就是衡量聚焦在检测器上的光的位置的量度。当光点沿着检测器的长度方向移动时，阳极与一公共阴极间的电势差也发生变化。如果点是在一个检测器的中央，那么它们的电势差是相等的。由于透镜把被照射的纤维的图象重新聚焦在检测器上，电势差就与纤维的位置发生了联系。两个检测器用来同时测量在两个正交平面上的纤维的位置。来自两个检测器的信号用在一反馈回路中以确定预型件在X-Y(水平)面上的位置。
由于只需要一个检测器的输出信号来提供振动信息，因此仅画出检测器33的输出电路。在一具体的实施中，振动是在垂直于拉伸台的表面的平面内测量的。来自检测器33的两个输出信号由放大器34和35放大，该两个放大器输出在电路36中相减，从而在输出37处得到差值信号。一市场上可购得的放大器可用来完成上述放大和减法功能。在输出37处的放大/差值信号则代表纤维的瞬时位置。
相类似的放大器/减法器电路单用于检测器32来得到确定预型件10在X-Y平面上的位置所需的另外的信号。
出现在终端37的纤维位置信号通过一带通滤波器/放大器39输入到模/数转换器41中。除了提供-50倍的放大以外，电路39仅将1到40Hz之间的频率输入到A/D转换器41中。为了除去纤维的位置信号，而只留下振动信息，并且去除有可能混淆在计算结果中的高频噪声，滤波是必要的。由电路39产生的具有代表性的位置与时间的关系的波形曲线如图3所示。
放大后的纤维位置信号由模/数转换器41转换成数字信号，上述模/数转换器41以12位的分辩率对位置信号每秒钟采样100次。由于在转换器41内部用了一个高分辩率的电子时钟作为基准，因此采样的间隔时间是能得到保证的。在10.24秒的时间间隔内，可采集到1024个点。采样时间和数据点的数量决定了该装置的分辩率和工作范围。
纤维的实际张力经常有为数几克的变动。这种张力变动主要来自纤维直径控制电路。牵引机的速度被周期性地调节，例如每秒钟一次。当纤维直径大于或小于设定点的值时，牵引机拉伸纤维的速度就会比某一平均拉伸速度快或慢一些。由于纤维张力是拉伸速度的函数，因此纤维张力是发生变化的。由于这个原因，因此对在下面计算步骤3要讨论的数值频谱取平均值。另外，纤维运动量也包括许多不是驻波系统的一部分的分量。为了在存在噪声的情况下达到确定一精确、可靠和稳定的张力读数的目的，发展了一些算法。在下面详细的九个计算步骤中，步骤1到5由阵列处理器45完成，它是7020型数据翻译器，而步骤6到9则由一监督(管理)计算机46来完成，它是基于微处理器的80386计算机。为了完成计算步骤1到9，这些市场上可购得的计算机可根据常用的编程技术进行编程。
图8是表示当由位置监测器16测得纤维的运动后用来确定纤维运动的基本谐波频率的计算机辅助过程。具体的计算步骤序号表示在流程图的适当的功能块或几个块中。如标有“起动”的方框下面的内容所示。计算机46先对阵列处理机45和A/D转换器41进行初始化，并且也使这些设备开始工作。对阵列处理机进行初始化的步骤包括在它的步骤中加进工作序列和初始数据值。对A/D转换器进行初始化的步骤包括对它(A/D转换器)提供诸如运行速度和增益之类的初始数据值。
计算步骤
1.在进行确定纤维振动的基本频率的一系列计算步骤中，首先进行快速傅里叶变换(FFT)。该FFT是对包含1024个数据点的最后一组数字化数据进行的。这一计算产生512个不同的复合傅里叶系数。
2.复合傅里叶系数的值通过将复合的傅里叶系统的实数值与虚数值的平方和开平方根得到。这就产生了512个实数值(1/2个数据点的数目)，把它叫作数值频谱。图4表示这个计算的代表性结果。
3.当前数值型频谱与原先的最后8个计算所得的数值频谱(也可以超过或少于8个)一起取平均。此时的计算结果仍是512个实数数。
4.上述平均运算的结果被数字化光滑。它是通过一单位脉冲函数将来自步骤3中的结果旋转(卷积)得到的。该过程类似于“矩形(小间隙)波串平均”。上述单位脉冲函数如图5所示。用来进行计算的阵列处理机不能完成旋转(卷积)运算，所以，实际上是对单位脉冲平均频谱两者进行FFT计算，然后两个复合阵列相乘。然后计算该结果的逆FFT。这种旋转(卷积)和FFT的特性是很普通的。该步骤的结果也是一个512个实数数据点的阵列。为了增大光滑量，可以加宽该单位脉冲函数。如果单位脉冲函数的宽度仅是1，那么将不发生任何光滑过程。图6表示该运算过程的一个代表性结果，它是通过单位阶跃函数的宽度N是6的数字化光滑操作(运算)而得到的。
5.将步骤4得到的结果再旋转(卷积)。但此时是改用图7所示的脉宽N为6的单位阶跃函数来进行的。实际计算是如步骤4(FFTS相乘)所示那样来完成的。也就是说，阵列处理机对图7的修改过的单位阶跃函数和图6所示的平滑的信号计算FFT，然后两个复合的阵列相乘。然后计算该结果的逆FFT。此步骤的结果是512个实数的阵列，它代表来自步骤4的结果的导数。这个导数是在用于旋转(卷积)的修改的单位阶跃函数的宽度上的导数。如果上述修改的单位阶跃函数的宽度增加，这个计算结果将更平滑，但是失去了分辩率。
6.对步骤5的结果现在进行扫描，以便寻找所有频率“峰值”，即光滑后的频谱的斜率是零的点。它是通过寻找步骤6阵列结果中所有结果是零的点来得到的。在大多数情况下，由于点的数量不是无限的，因为导数为零的位置不在一精确的点上，因此精确的零导数的位置是不知道的。所以，波峰值也定义为两个点之间且当较低的一边(左边)有一个正的斜率和较高的一边(右边)有一个负的斜率时的两点之间。另外，为了防止频谱中的噪声的点被检测出，还要求选的峰值上的点的光滑后的频谱的值在某一阈值之上。总之，此步骤的结果是步骤5的结果中其值为零或者相邻的两个值有相反符号的所有的点，并且点的值如步骤4所示大于噪声阈值。
7.从步骤6得到的频率峰值按照值的大小排列，最大的峰值排在第一位，等等。
8.为了确定二次谐波的存在，分析最上面的三个峰值。具有另一峰值位于最接近于理想的二次谐波的位置的峰值被定义为基本频率。如果几个最高的峰值中没有一个在理想二次谐波位置的1.5HZ范围内，那么作为一个安全措施，就认为没有基本频率而不予指定。
9.步骤1到8可以周期性地重复。然而，一量找到了一个基本频率，最好计算就“锁”到该频率上。对算法的后来的计算，仅在先前计算的“锁域”内的频率峰值才在步骤7和8中加以考虑。如果在锁域内找不到频率，那么需对整个算法进行评估。这样做是为了防止在计算过程中混进虚假的信号。实际上，频率是不可能很快地改变的，把算法寻找基本频率的范围缩小是对该算法的一个较切合实际的方法。寻找基本频率的一个有用的范围是2HZ。即使当一峰值是在该锁域内，必须有二次谐波频率存在这样一个条件仍然是需要的。
下面假定的例子是本发明方法的工作过程的代表性例子。在计算机46中进行步骤6之后产生了下列频率峰值表频率(HZ) 数值8.1 7511.0 9016.5 3523.1 2030.0 17进行步骤7以后产生下列数值次序的排列频率(HZ) 数值11.0 908.1 7516.5 3523.1 2030.0 17为了寻找二次谐波，在步骤8中对最大的三个峰值进行分析。
频率 频率 接近于频率×2(HZ) ×2 的频率 差值11.0 22.0 23.1 1.18.1 16.2 16.5 0.316.5 33.0 30.0 3因为另一个频率峰值离它的理想的二次谐波仅差0.3HZ，由此可确定8.1HZ的频率是基本的谐波频率。因为22.0HZ(两倍于11.0HZ)的频率与最接近的频率峰值的差是1.1HZ，大于0.3HZ，所以具有最大值的频率分量被排除在外。至于第三最高频率峰值16.5Hz，由于最接近的频率峰值与理想的二次谐波相差3.0Hz，在可允许的差值1.5Hz之外，因而第三最高频率峰值16.5Hz也被排除。所以，在10.5Hz和16.5Hz的峰值是噪声。
权利要求
1.一种监测运动纤维的张力的方法，其特征在于它包括下列步骤检测与纤维移动方向垂直的方向上的纤维运动；分析检测到的运动，由此确定它的多个频率分量，每一个频率分量有一数值，并且选择构成最大值分量的频率分量fm1，进一步分析上述多个频率分量以确定是否存在fm1的谐波，从而验证该最大值分量是纤维运动的基本谐波频率；以及由上述验证过的基本谐波频率分量确定上述纤维的张力。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于进一步的分析步骤包括将最大值分量加倍，得到一两倍的频率2(fm1);以及确立接近上述两倍频率2(fm1)的频率分量的存在，以验证该最大值分量就是纤维运动的基本谐波频率。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于分析步骤包括从上述多个频率分量中至少分别选择第一和第二最高值频率分量fm1和fm2;加倍步骤进一步包括将频率分量fm2加倍得到2(fm2);以及确立步骤包括检查上述多个频率分量，从而确定存在一接近频率2(fm1)的频率分量，一接近2(fm1)的频率分量称为第一二次谐波;检查上述多个频率分量，从而确定存在一接近频率2(fm2)的频率分量，一接近2(fm2)的频率分量称为次第二二次谐波;以及如果上述第二二次谐波在频率上接近2(fm2)的程度高于上述第一二次谐波接近2(fm1)的程度，那么选择上述第二二次谐波为基本谐波。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于检测步骤包括在拉伸熔炉中加热光学纤维预型件;从上述预型件中拉伸光学纤维;将上述纤维经过涂层装置，在那里将涂层加到上述光学纤维上;以及检测位于上述预型件与上述涂层装置之间的位置处的光学纤维的运动。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于它进一步包括根据确定的纤维张力控制上述拉伸熔炉的温度的步骤。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于它进一步包括下列步骤根据确定的纤维张力控制上述拉伸熔炉的温度以保持上述纤维的张力基本上不变直到该拉伸步骤结束为止。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述检测步骤包括在拉伸熔炉中加热光学纤维预型件;从上述预型件中拉伸光学纤维;将上述纤维经过涂层装置，在那里将涂层加到上述光学纤维上;以及检测位于上述预型件与上述涂层装置之间的位置处的光学纤维的运动。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于它进一步包括根据确定的纤维张力，控制上述拉伸熔炉的温度。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于它还包括根据确定的纤维张力，控制上述拉伸熔炉的温度以便保持上述纤维的张力基本上不变直到该拉伸步骤结束为止。
10.如权利要求2所述的方法，其特征在于它还包括根据确定的纤维张力控制上述拉伸熔炉的温度。
11.如权利要求2所述的方法，其特征在于它还包括根据确定的纤维张力控制上述拉伸熔炉的温度以便保持上述纤维的张力基本上不变直到该拉伸步骤结束为止。
12.一种用来检测运动中的纤维的张力的方法，其特征在于它包括以下步骤在一拉伸熔炉中加热光学纤维预型件;从上述预型件中拉出光学纤维;将上述光学纤维经过涂层装置，在那儿将涂层加到上述光学纤维上;以及检测上述纤维的在垂直于纤维运动的方向上的运动，上述运动是在上述预型件与上述涂层装置之间的一个位置处检测的;分析上述检测得的运动以确定它的多个频率分量，每一频率分量有一数值，选择构成最大值分量的一个频率分量fm1;将上述最大值分量的频率加倍，从而得到一两倍的频率2(fm1);确定一接近于上述两倍的频率2(fm1)的频率分量的存在，以验证该最大值分量是纤维运动的基本谐波频率;从上述证实了的基本谐波频率分量中确定上述纤维的张力;以及根据上述已确定了的上述纤维运动的基本谐波频率控制上述拉伸熔炉的温度。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于上述分析步骤包括从上述多个频率分量中至少分别选择第一和第二最高值频率分量fm1和fm2;上述加倍步骤进一步包括加倍频率分量fm2以获得2(fm2)频率，以及验证步骤包括检查多个频率分量以便确定存在一接近于频率2(fm1)的频率分量，该频率分量称为第一二次谐波;检查多个频率分量以便确定存在一接近于频率2(fm2)的频率分量，该接近2(fm2)的频率分量称为第二二次谐波;以及如果上述第二二次谐波在频率上接近2(fm2)的程度超过上述第一二次谐波接近2(fm1)的程度，那么选择上述次第二二次谐波作为基本谐波。
全文摘要
本发明提供一种检测光导纤维在拉伸期间的张力的非接触方法。检测垂直于纤维运动的方向上的纤维的运动。分析检测出的运动以确定它的多个频率分量，每一频率分量有一数值，其中一个分量构成最大值分量。将最大值分量的频率加倍，从而得到一两倍的频率。确定一接近于两倍频率的频率分量的存在，从而证实该最大值分量是纤维运动的基本谐波频率。然后从验证过的基本谐波频率分量确定纤维的张力。
文档编号G01L5/04GK1060715SQ91109550
公开日1992年4月29日 申请日期1991年10月5日 优先权日1990年10月5日
发明者G·E·史密斯 申请人:康宁公司