一種連續(xù)制造光纖傳感器的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種連續(xù)制造光纖傳感器的裝置及方法，依次包括光纖拉絲機構(gòu)、儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)、光纖傳感器加工機構(gòu)、光纖保護層涂覆及固化機構(gòu)和收線機構(gòu)。通過儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)暫存光纖拉絲機構(gòu)拉出的裸光纖，使得光纖傳感器加工機構(gòu)在靜止的裸光纖上加工光纖傳感器。實現(xiàn)在不影響光纖拉絲速度及光纖直徑精度以及光纖光學(xué)性能及機械強度的前提下，在線連續(xù)制造光纖傳感器。本發(fā)明可以使光纖拉絲、光纖傳感器加工、光纖保護涂覆及固化工藝一次完成，大幅提高生產(chǎn)效率。同時，無需離線制造光纖傳感器所需的保護涂層剝離，以及保護層再次涂覆的工藝，從而最大限度的降低了因光纖保護層不均勻而造成的對光纖傳感器特性的影響。
【專利說明】一種連續(xù)制造光纖傳感器的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖傳感器制備領(lǐng)域，涉及光纖拉制過程中同時在線連續(xù)加工多種不同種類的分布式光纖傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]分布式光纖傳感器具有良好的應(yīng)用前景，其核心制備技術(shù)要求在一根長距離光纖上的不同位置以盡可能低的損耗加工光纖傳感器，使這跟光纖兼具傳感與信號傳輸?shù)墓δ堋鹘y(tǒng)分布式光纖傳感器的制備方法是使用已拉制好的光纖制備單個的光纖傳感器，再將這些傳感器串聯(lián)熔接成一根長距離分布式的光傳感線路。在制造單個光纖傳感器時，必須先采用化學(xué)溶劑或機械方法除去光纖原有的樹脂保護層，在光纖的石英包層結(jié)構(gòu)上直接進行加工。加工完成后還要使用專用的二次涂覆裝置重建樹脂保護層結(jié)構(gòu)。使用二次涂覆裝置重建的紫外光硬化樹脂其材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、厚度、形狀均與光纖原有保護層不同。因此會不可避免的影響傳感器的光學(xué)性能穩(wěn)定性并降低光纖傳感器的機械強度。此外將傳感器串聯(lián)熔接的工藝會因為調(diào)芯裝置的精度限制導(dǎo)致不可避免的附加損耗并影響到光信號的品質(zhì)。同時熔接部分還要使用熱收縮護套固定，這會降低光纖的可繞性，以及系統(tǒng)的可靠性。在光纖從預(yù)制棒拉制成絲后，隨即在線制造光纖傳感器，并進行保護層涂覆及固化工藝，可以有效的解決上述問題，并大幅提高生產(chǎn)效率，降低成本。
[0003]然而，傳統(tǒng)光纖傳感器例如采用光纖光柵結(jié)構(gòu)的光纖傳感器的制造要求在靜止?fàn)顟B(tài)下進行，而無法實現(xiàn)動態(tài)在線制備。英國南安普頓大學(xué)的L.Dong等人提出了采用單脈沖全息干涉法實現(xiàn)在光敏光纖的拉制過程中動態(tài)在線寫入光柵的方法[I]。雖然上述文獻資料實現(xiàn)了動態(tài)條件下光柵的在線寫入，但此成柵方法存在幾大難點，造成此方法很難形成成熟的光柵制備技術(shù)。光纖始終處于運動狀態(tài)時，光纖的徑向位置隨著時間變化，總是不可避免的產(chǎn)生一定量的偏移；光纖軸向的運動速度也會因為為了保持光纖直徑在設(shè)計誤差范圍內(nèi)，不間斷的進行調(diào)整。這些都會直接影響光柵制作的精度。同時因為光纖始終處于運動狀態(tài)，對光柵制作設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與控制精度要求高，導(dǎo)致設(shè)備復(fù)雜化，高價化并影響設(shè)備的穩(wěn)定性。另外因為光纖處于運動狀態(tài)，無法使用接觸式以及所需加工時間較長的加工方式。所以這種方法只適用于拉制對光非常敏感的例如載氫增敏的特種光纖。
[0004]武漢理工大學(xué)的姜德生等人提出了先拉制裸光纖再在以恒定速度運動的光纖上動態(tài)在線寫入光柵并完成保護層涂覆及固化工藝[2]。進一步拓展此方法可以在光柵寫入時將光纖移動速度設(shè)定為零，完成光柵刻寫后，重新移動光纖進行涂覆工藝。這種方法可以解決光纖拉絲速度不穩(wěn)定狀態(tài)下以及動態(tài)過程中寫光柵時存在的問題。但是使用這種先拉制裸光纖再寫光柵的方法存在以下問題。將光纖拉制與保護層涂覆分開的工藝不可避免的使裸露的光纖長時間與空氣接觸。而在普通的光纖拉絲工藝中，裸光纖與空氣接觸的時間一般不會超過十?dāng)?shù)秒。因為裸露的光纖直徑僅為125微米，其表面極易吸附水蒸汽與細小的懸浮顆粒，產(chǎn)生細小的裂痕與缺陷，這將會影響到光纖的機械強度與光學(xué)性能的長期穩(wěn)定性。嚴(yán)重時光纖還會斷裂。另外將拉絲與保護層涂覆這兩項工藝都是耗時的工藝。將兩者分開不可避免的降低生產(chǎn)效率。雖然拉絲工藝可以在一個相對較快的速度下進行，但因為裸光纖強度有限，拉絲速度會受到很大制約。
[0005][I] L Dong et al., “Single pulse Bragg gratings written during fiber
,Electron Lett., 29, 1577-1578 (1993)。
[0006][2]發(fā)明專利申請CN102590929，發(fā)明人姜德生武漢理工大學(xué)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是針對傳統(tǒng)在線光纖傳感器的制造方法存在的諸多技術(shù)難點和自身難以克服的技術(shù)不足，以及以傳統(tǒng)在線方法制造的光纖傳感器存在可靠性差等問題提出一種在線連續(xù)制造光纖傳感器的裝置及其方法。
[0008]本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案:
一種連續(xù)制造光纖傳感器的裝置，其特征在于:該裝置依次包括光纖拉絲機構(gòu)、儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)、光纖傳感器加工機構(gòu)、光纖保護層涂覆及固化機構(gòu)和收線機構(gòu)；所述光纖拉絲機構(gòu)用于將光纖預(yù)制棒連續(xù)拉制成裸光纖，并傳送至儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)；
所述儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)用于暫存光纖拉絲機構(gòu)傳送的裸光纖，調(diào)節(jié)輸出的裸光纖線速度為O至V’，并傳送至光纖傳感器加工機構(gòu)；
所述光纖傳感器加工機構(gòu)用于在靜止的裸光纖上加工光纖傳感器；
所述光纖保護層涂覆及固化機構(gòu)用于在加工了光纖傳感器的裸光纖上涂覆保護層并固化，形成帶保護層光纖；
所述收線機構(gòu)用于收取帶保護層的光纖。
[0009]其進一步特征在于:儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)包括一根固定的定軸和一個可調(diào)整與定軸距離的動軸，所述定軸和動軸上設(shè)置有多個繞線定位輪，裸光纖交替繞在動軸和定軸上的繞線定位輪上。
[0010]光纖傳感器加工機構(gòu)可以采用下述多種形式。:
1.所述光纖傳感器加工機構(gòu)包括激光器與光柵模板，在裸光纖的纖芯部分直接刻寫光柵。
[0011 ] 2.所述光纖傳感器加工機構(gòu)包括波長10微米的二氧化碳激光器或波長3微米的鉺摻雜YAG激光器以及退火處理加熱裝置，在裸光纖的包層上直接刻寫長周期光纖光柵，并退火處理。
[0012]3.所述光纖傳感器加工機構(gòu)包括機械研磨裝置，用于除去光纖一部分的石英包層，制造利用衰逝波傳感的D型光纖傳感器。
[0013]4.所述光纖傳感器加工機構(gòu)包括化學(xué)刻蝕裝置，用于除去光纖一部分的石英包層，制造利用衰逝波傳感的細徑光纖傳感器。
[0014]一種采用上述裝置的連續(xù)制造光纖傳感器的方法，包括兩種工作狀態(tài):
光纖拉制狀態(tài):光纖拉絲機構(gòu)連續(xù)拉制裸光纖，儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)、光纖傳感器加工機構(gòu)不工作，裸光纖經(jīng)過儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)、光纖傳感器加工機構(gòu)，以線速度V進入光纖保護層涂覆及固化機構(gòu)進行裸光纖的保護層涂覆并固化，形成帶保護層光纖；收線機構(gòu)以光纖拉絲機構(gòu)拉制裸光纖速度相同的線速度收取帶保護層的光纖； 光纖傳感器加工狀態(tài):光纖拉絲機構(gòu)連續(xù)拉制裸光纖，儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)的動軸移動，拉大動軸和定軸之間的距離，加大儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)的儲線量，使儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)出線端裸光纖線速度為O，即裸光纖靜止；光纖傳感器加工機構(gòu)在靜止的裸光纖上加工光纖傳感器，光纖保護層涂覆及固化機構(gòu)不工作；光纖傳感器加工機構(gòu)完成一個光纖傳感器的加工后停止工作，收線機構(gòu)以大于光纖拉絲機構(gòu)拉制裸光纖速度的線速度收線，光纖保護層涂覆及固化機構(gòu)工作；儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)的動軸移動，減小動軸和定軸之間的距離，減小儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)的儲線量，直到動軸回到初始位置，收線機構(gòu)恢復(fù)光纖拉絲機構(gòu)拉制裸光纖速度相同的線速度收取帶保護層的光纖，等待一下個光纖傳感器的加工周期；
通過上述兩種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)帶有光纖傳感器光纖的連續(xù)制造。
[0015]本發(fā)明特點:在不影響光纖拉絲速度及光纖直徑精度以及光纖光學(xué)性能及機械強度的前提下，通過調(diào)節(jié)已完成拉絲工藝的裸光纖的線速度實現(xiàn)在靜止?fàn)顟B(tài)下在線連續(xù)制造光纖傳感器。使用這種裝置及方法可以使光纖拉絲、光纖傳感器加工、光纖保護涂覆及固化工藝一次完成，大幅提高生產(chǎn)效率。同時，光纖傳感器部分的保護層與光傳輸部分光纖的保護層完全相同。無需離線制造光纖傳感器所需的保護涂層剝離，以及保護層再次涂覆的工藝，從而最大限度的降低了因光纖保護層不均勻而造成的對光纖傳感器特性的影響。另外這種裝置與方法與將光纖拉絲和光纖傳感器加工、光纖保護涂覆工藝分離的方法相比，能大幅減少光纖與空氣接觸的時間，從而減少空氣中的水分子以及其他懸浮微粒對光纖的機械強度與光學(xué)性能的影響，從而保證光纖傳感器的質(zhì)量。除以上優(yōu)點外，因為是在完全靜止?fàn)顟B(tài)下加工光纖傳感器，所以除了在裸光纖的纖芯部通過激光照射加工光纖光柵型光纖傳感器外，還可以直接在光纖石英包層上，使用激光照射、機械研磨、化學(xué)蝕刻等方法在線連續(xù)制造其他類型的光纖傳感器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明連續(xù)制造光纖傳感器的裝置示意圖。
[0017]圖2為儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)裝置的示意圖。
[0018]圖3為在裸光纖的纖芯部分直接刻寫光柵的示意圖。
[0019]圖4為在裸光纖的石英包層部分直接刻寫光柵的示意圖。
[0020]圖5為在裸光纖的石英包層部分直接機械加工D形光纖傳感器的示意圖。
[0021]圖6為使用化學(xué)刻蝕方法除去裸光纖一部分石英包層制作細徑光纖傳感器的示意圖。
【具體實施方式】
[0022]如圖1所示一種連續(xù)制造光纖傳感器的裝置，依次包括光纖拉絲機構(gòu)、儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)108、光纖傳感器加工機構(gòu)111、光纖保護層涂覆及固化機構(gòu)和收線機構(gòu)。
[0023]所述光纖拉絲機構(gòu)包括光纖預(yù)制棒送料裝置101、光纖拉絲爐102和裸光纖抽絲裝置107 ;所述光纖拉絲爐102和裸光纖抽絲裝置107之間設(shè)有裸光纖光纖測徑儀104和裸光纖張力測量儀106。光纖拉絲爐102將光纖預(yù)制棒103拉制成裸光纖105，通過計算機處理裸光纖光纖測徑儀104接收到的信號自動調(diào)節(jié)裸光纖抽絲裝置107的的抽絲速度V (米/秒)從而精確地控制裸光纖105的直徑。
[0024]所述儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)108用于暫存光纖拉絲機構(gòu)傳送的裸光纖，調(diào)節(jié)輸出的裸光纖線速度為O至V (米/秒)，并經(jīng)光纖導(dǎo)向定位輪110傳送至光纖傳感器加工機構(gòu)111 ;所述儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)108出線端設(shè)置有速度調(diào)節(jié)裝置后部張力測量儀109。
[0025]所述光纖傳感器加工機構(gòu)111用于在靜止的裸光纖105上加工光纖傳感器。
[0026]所述光纖保護層涂覆及固化機構(gòu)包括光纖保護層涂覆裝置112和保護層固化裝置113，其后部設(shè)置有光纖保護層測徑儀114和帶保護層光纖張力測量儀116。光纖傳感器加工機構(gòu)111傳送來的光纖經(jīng)過光纖保護層涂覆裝置112涂覆保護層和保護層固化裝置113固化保護層后形成帶保護層光纖115，送至收線機構(gòu)收線。
[0027]所述收線機構(gòu)依次包括帶保護層光纖抽線裝置117、收線盤速度匹配裝置118和光纖收線盤119，用于收取加工好的帶保護層光纖115。
[0028]圖2是儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)裝置的示意圖。該裝置設(shè)有一個定軸204和一個動軸203。定軸204和動軸203上設(shè)置有定位盤203和繞線定位輪201。根據(jù)安放場地的布局，定軸204和動軸203可以采用上下、水平或傾斜的方向設(shè)計。裸光纖的最大儲線量Lmax (米)以及使光纖保持靜止?fàn)顟B(tài)的最大時間tmax (秒)，可以通過改變動軸203的最大移動距離Dmax (米)以及改變繞線定位輪201的數(shù)量N來設(shè)計。拉絲時，將動軸203調(diào)到離定軸204最近的初始位置，并將裸光纖按照定軸204、動軸203交替的順序繞在繞線定位輪201上。在未達到傳感器制造節(jié)點處前，動軸203位置不變，通過儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)裝置后的裸光纖的線速度與拉絲速度V (米/秒)也保持一致，儲線裝置的儲線量L (米)保持最小。當(dāng)光纖拉制經(jīng)過設(shè)計的長度間隔，達到需要進行光纖傳感器加工的位置節(jié)點時，通過計算機程序控制動軸203與定軸204間的距離以及動軸203的移動速度來改變儲線量L(米)，使裸光纖在離儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)裝置時的線速度在進行光纖傳感器加工的時間間隔t (秒)內(nèi)，保持為O (米/秒)。在完全靜止的狀態(tài)下加工光纖傳感器。當(dāng)光纖傳感器加工結(jié)束后，在帶保護層光纖抽線裝置117的牽引下，裸光纖線速度從O逐漸加速到大于拉絲速度的一個線數(shù)度V1 (米/秒)，儲線裝置的儲線量L經(jīng)過設(shè)計的時間間隔t2 (秒)，逐漸減少至最小，同時控制帶保護層光纖的線速度逐漸回到V (米/秒)。從新達到平衡狀態(tài)，為下一處光纖傳感器的加工做好準(zhǔn)備。在儲線量L (米)保持最小的狀態(tài)下繼續(xù)拉制光纖。整個裸光纖線速度調(diào)節(jié)的過程中，采用計算機監(jiān)測裸光纖張力測量儀106、速度調(diào)節(jié)裝置后部張力測量儀109、帶保護層光纖張力測量儀116的信號，使各部位光纖張力保持在設(shè)定范圍內(nèi)的前提下，調(diào)節(jié)動軸203移動速度改變時的加速度。
[0029]光纖傳感器加工機構(gòu)111可以采用下述多種形式。
[0030]如圖3所示，本發(fā)明可以通過選用適合的光纖預(yù)制棒并通過在光纖傳感器加工裝置內(nèi)配置波長適合的激光器301與光柵模板302,在裸光纖纖芯部分304直接刻寫布拉格光柵、啁啾光柵和長周期光柵。裸光纖石英包層303包覆在裸光纖纖芯部分304外部。
[0031 ] 如圖4所示，本發(fā)明可以通過在光纖傳感器加工裝置內(nèi)配置波長10微米的二氧化碳激光器或波長3微米的鉺摻雜YAG激光器以及退火處理加熱裝置405，使激光裝置401左右移動，在裸光纖包層402上直接刻寫長周期光纖光柵404。光纖光柵加工完畢后，使用退火處理加熱裝置405進行處理。裸光纖包層402包覆在裸光纖纖芯403外部。
[0032]如圖5所示，本發(fā)明可以通過在光纖傳感器加工裝置內(nèi)配置機械切削裝置501，使機械切削裝置501左右移動，使用轉(zhuǎn)動的鉆頭除去光纖一部分的石英包層503,光纖纖芯504保持不變，制造利用衰逝波傳感的D形光纖傳感器。
[0033]如圖6所示，本發(fā)明可以通過在光纖傳感器加工裝置內(nèi)配置化學(xué)刻蝕裝置601，使用氫氟酸等化學(xué)試劑除去光纖一部分的石英包層602 (603),光纖纖芯604保持不變,制造利用衰逝波傳感的細徑光纖傳感器?？涛g前的石英包層602，刻蝕后的石英包層603。
【權(quán)利要求】
1.一種連續(xù)制造光纖傳感器的裝置，其特征在于:該裝置依次包括光纖拉絲機構(gòu)、儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)、光纖傳感器加工機構(gòu)、光纖保護層涂覆及固化機構(gòu)和收線機構(gòu)； 所述光纖拉絲機構(gòu)用于將光纖預(yù)制棒連續(xù)拉制成裸光纖，并傳送至儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)； 所述儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)用于暫存光纖拉絲機構(gòu)傳送的裸光纖，調(diào)節(jié)輸出的裸光纖線速度為O至V’，并傳送至光纖傳感器加工機構(gòu)； 所述光纖傳感器加工機構(gòu)用于在靜止的裸光纖上加工光纖傳感器； 所述光纖保護層涂覆 及固化機構(gòu)用于在加工了光纖傳感器的裸光纖上涂覆保護層并固化，形成帶保護層光纖； 所述收線機構(gòu)用于收取帶保護層的光纖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)制造光纖傳感器的裝置，其特征在于:儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)包括一根固定的定軸和一個可調(diào)整與定軸距離的動軸，所述定軸和動軸上設(shè)置有多個繞線定位輪，裸光纖交替繞在動軸和定軸上的繞線定位輪上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的連續(xù)制造光纖傳感器的裝置，其特征在于:所述光纖傳感器加工機構(gòu)包括激光器與光柵模板，在裸光纖的纖芯部分直接刻寫光柵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的連續(xù)制造光纖傳感器的裝置，其特征在于:所述光纖傳感器加工機構(gòu)包括波長10微米的二氧化碳激光器或波長3微米的鉺摻雜YAG激光器以及退火處理加熱裝置，在裸光纖的包層上直接刻寫長周期光纖光柵，并退火處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的連續(xù)制造光纖傳感器的裝置，其特征在于:所述光纖傳感器加工機構(gòu)包括機械研磨裝置，用于除去光纖一部分的石英包層，制造利用衰逝波傳感的D型光纖傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的連續(xù)制造光纖傳感器的裝置，其特征在于:所述光纖傳感器加工機構(gòu)包括化學(xué)刻蝕裝置，用于除去光纖一部分的石英包層，制造利用衰逝波傳感的細徑光纖傳感器。
7.一種采用權(quán)利要求1-6裝置的連續(xù)制造光纖傳感器的方法，包括兩種工作狀態(tài): (1)光纖拉制狀態(tài):光纖拉絲機構(gòu)連續(xù)拉制裸光纖，儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)、光纖傳感器加工機構(gòu)不工作，裸光纖經(jīng)過儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)、光纖傳感器加工機構(gòu)，以線速度V進入光纖保護層涂覆及固化機構(gòu)進行裸光纖的保護層涂覆并固化，形成帶保護層光纖；收線機構(gòu)以光纖拉絲機構(gòu)拉制裸光纖速度相同的線速度收取帶保護層的光纖; (2)光纖傳感器加工狀態(tài):光纖拉絲機構(gòu)連續(xù)拉制裸光纖，儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)的動軸移動，拉大動軸和定軸之間的距離，加大儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)的儲線量，使儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)出線端裸光纖線速度為0，即裸光纖靜止；光纖傳感器加工機構(gòu)在靜止的裸光纖上加工光纖傳感器，光纖保護層涂覆及固化機構(gòu)不工作；光纖傳感器加工機構(gòu)完成一個光纖傳感器的加工后停止工作,收線機構(gòu)以大于光纖拉絲機構(gòu)拉制裸光纖速度的線速度收線，光纖保護層涂覆及固化機構(gòu)工作；儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)的動軸移動，減小動軸和定軸之間的距離，減小儲線與裸光纖線速度調(diào)節(jié)機構(gòu)的儲線量，直到動軸回到初始位置，收線機構(gòu)恢復(fù)光纖拉絲機構(gòu)拉制裸光纖速度相同的線速度收取帶保護層的光纖，等待一下個光纖傳感器的加工周期； 通過兩種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)帶有光纖傳感器光纖的連續(xù)制造。
【文檔編號】G01D5/353GK103900620SQ201410105829
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】何祖源, 馬麟 申請人:何祖源