一种VAD沉积的光纤预制棒疏松体密度在线检测装置的制作方法

本实用新型涉及vad光纤预制棒制造技术领域，具体涉及一种vad光纤预制棒疏松体密度的在线检测控制装置。

背景技术：

vad工艺作为管外法制造光纤预制棒芯棒的主要工艺之一，其原理是将火焰水解反应的产生si02、ge02粉末，在旋转的靶棒端面上进行沉积。在此过程中，将沉积得到的疏松体缓慢向上提升，最终使疏松体长度达到设定值。然后，通过烧结工艺，粉末疏松体会在1500℃左右的温度下转化为透明的玻璃体。

沉积后的疏松体密度是预制棒的重要指标，会对后续的烧结工序产生重要的影响。因此，疏松体的密度测量与控制成为预制棒生产过程中重要的环节。

传统的预制棒疏松体的测量方法为：将沉积结束的疏松体从上到下进行直径扫描获得其尺寸外形，计算出其体积。并通过称重，获得其重量。最终，求得疏松体的平均密度。该方法只能计算出整个疏松体的平均密度，无法计算疏松体轴向不同位置的密度、无法计算沉积过程中某个时间段的沉积密度，更无法实现生产过程中的产品控制。

公告号【209689666u】的专利提出了一种检测疏松体密度的装置：将沉积结束的疏松体转移至固定的检测位，通过称重传感器获得其重量信息，然后通过激光测径仪扫描其外形尺寸，获得其直径信息和体积，最终求出疏松体的平均密度。

以上装置存在几处缺点：1、需要将疏松体搬运至指定的检测位，整个搬运过程可能对疏松体造成损伤；2、该测量和计算方式只能求得疏松体平均密度，其密度较大的头锥和尾椎部分会对测量结果产生影响，造成测量结果并不完全准确。3、由于是对沉积结束的疏松体进行密度测量，所以即使发现测量结果不符合工艺预期值，也无法对测量的疏松体密度进行调整和补救。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种vad光纤预制棒疏松体密度的在线检测装置。

为实现以上目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种vad光纤预制棒疏松体密度的在线检测装置，它包括机架、称重机构、激光测径系统、控制器、沉积腔，种子棒设置在沉积腔内；

称重机构包括连接件，连接件一端连接种子棒，种子棒上端设置有拉力传感器，通过拉力传感器对种子棒进行称重测量，连接件另一端与机架连接；拉力传感器、激光测径系统与控制器连接。

进一步地，连接件为夹体，通过提棒机构与机架连接，提棒机构可沿机架垂直升降。为避免运动时产生摆动，保证运动时的稳定性，连接件为硬连接，故采用夹体。

所述的激光测径系统可垂直升降，它包括升降台、激光发射器、激光接收器，激光发射器、激光接收器分别设置在沉积腔体两侧的升降台上。

沉积腔用于疏松体的种子棒的沉积，沉积腔中存在两个沉积用喷灯，分别用来沉积芯层和包层。

激光测径系统，测量疏松体的直径，并将测量值发送至控制器。

所述的激光测径系统可垂直升降，它包括升降台、激光发射器、激光接收器，激光发射器、激光接收器分别设置在沉积腔体两侧的升降台上；

所述的沉积腔体用于疏松体的沉积腔体两侧分别开有玻璃视窗，便于激光发射器和接收器进行疏松体直径扫描。

沉积腔内设置有沉积料送料装置，沉积料送料装置与控制器连接。

所述的提棒机构为滚珠丝杠装置，包括丝杠、滚珠螺母，丝杠竖向设置在机架上，丝杠上端与伺服电机相连做旋转运动，滚珠丝杠将电机的旋转运动转换成滚珠螺母的上下直线运动，滚珠螺母通过夹体带动疏松体运动。

激光测径系统安装在升降台上，其升降驱动机构与提棒机构一样，采用滚珠丝杠装置，将电机的旋转运动转换成升降台的上下直线运动。

所述的沉积料送料装置为沉积喷灯，沉积喷灯前端装有控制各气体原料的质量流量控制器，质量流量控制器与控制器相连，能实现对沉积喷灯流量实时、准确的控制；所述的控制器采用三菱fx2n-128mt型plc,能对采集的数据进行实时处理，并根据疏松体密度计算结果，实现对质量流量控制器流量的调节。

一种疏松体密度在线检测控制方法，通过称重机构对沉积腔体内的疏松体进行实时测重，通过激光测径系统对疏松体进行实时测径，上述测量数值上传到控制器，获得疏松体沉积过程中的实时数据，并通过与标准疏松体的平均密度设定值进行比对，从而获得监测结果；

控制器根据上述比对结果对沉积腔内的沉积料送料装置进行流量调整，从而校正沉积过程中的疏松体平均密度。

在沉积过程中激光测径系统上下移动，对整个疏松体直径进行连续测量。测量过程可以自上而下，也可以自下而上。以自上而下为例，当激光测径系统测量到疏松体直径为种子棒直径的110％～130％，开始记录测量值。然后每间隔0.1～5mm进行直径测量与记录，直至测量到直径为0，采样结束。则整个过程获得一组疏松体直径的数据d1,d2，d3....dn。

控制器，用于接收称重系统和激光测径系统提供的数据，进行体积和密度的计算。

疏松体体积v的计算方式为：

其中l为测量间隔长度，0.1～5mm。

密度的计算原理及公式为：

在沉积过程中，控制器计算出当前时刻的体积v0，并记录当前时刻称重系统提供的重量信息m0。t分钟后，激光测径系统再次进行直径测量，直径测量结束的同时，称重系统再次采样。控制器获得t分钟后的体积v1和重量信息m1，则可求此t时间内，疏松体沉积的平均密度ρ。其计算公式为：

为保证测量的准确性，两次测量的时间间隔t不易过小；为便于产品密度的控制，t不易过大。t取5～30为宜。

控制系统，根据计算的疏松体密度值控制喷灯的气体流量。当密度小于2.2g/cm³,包层沉积喷灯氢气流量增加0.3～1.5l/min,芯层沉积喷灯氢气流量增加0.1～0.3l/min。当密度大于2.5g/cm³,包层沉积喷灯氢气流量减少0.3～1.5l/min,芯层沉积喷灯氢气流量减少0.1～0.3l/min.

由于vad沉积过程中，疏松体是沿轴向不断变长，通过前后两次测量计算出的密度值，即为疏松体新增长度上的平均密度值。

本实用新型的有益效果是：

1.在沉积过程中，实时称重，实时测量疏松体体积，因此能完全避免因其锥部密度大，造成平均密度较真实值偏大的问题；

2.在沉积过程中进行密度检测，整个过程无需搬运疏松体，避免搬运过程中对疏松体造成损伤；

3.由于疏松体在沉积过程中延轴向生长，所以通过控制器监测，可以实现对疏松体轴向不同位置平均密度的测量，实现对产品情况的监测；

4.沉积过程中，喷灯的流量可以调整，提高生产质量。

附图说明

图1为本实用新型实施例结构示意图。

图中1-拉力传感器，2-夹体，3-种子棒，4-疏松体，5-激光发射器，6-激光接收器，7-升降台，8-包层沉积喷灯，9-芯层沉积喷灯，10-滚珠螺母，11-丝杠，12-机架。

具体实施方式

一种vad光纤预制棒疏松体密度的在线检测装置，它包括机架、称重机构、激光测径系统、控制器、沉积腔，种子棒设置在沉积腔内；

称重机构包括连接件，连接件一端连接种子棒，种子棒上端设置有拉力传感器，通过拉力传感器对种子棒进行称重测量，连接件另一端与机架连接；拉力传感器、激光测径系统与控制器连接。

进一步地，连接件为夹体，通过提棒机构与机架连接，提棒机构可沿机架垂直升降。为避免运动时产生摆动，保证运动时的稳定性，连接件为硬连接，故采用夹体。

所述的激光测径系统可垂直升降，它包括升降台、激光发射器、激光接收器，激光发射器、激光接收器分别设置在沉积腔体两侧的升降台上。

沉积腔用于疏松体的种子棒的沉积，沉积腔中存在两个沉积用喷灯，分别用来沉积芯层和包层。

激光测径系统，测量疏松体的直径，并将测量值发送至控制器。

所述的激光测径系统可垂直升降，它包括升降台、激光发射器、激光接收器，激光发射器、激光接收器分别设置在沉积腔体两侧的升降台上；

所述的沉积腔体用于疏松体的沉积腔体两侧分别开有玻璃视窗，便于激光发射器和接收器进行疏松体直径扫描。

沉积腔内设置有沉积料送料装置，沉积料送料装置与控制器连接。

所述的提棒机构为滚珠丝杠装置，包括丝杠、滚珠螺母，丝杠竖向设置在机架上，丝杠上端与伺服电机相连做旋转运动，滚珠丝杠将电机的旋转运动转换成滚珠螺母的上下直线运动，滚珠螺母通过夹体带动疏松体运动。

激光测径系统安装在升降台上，其升降驱动机构与提棒机构一样，采用滚珠丝杠装置，将电机的旋转运动转换成升降台的上下直线运动。

所述的沉积料送料装置为沉积喷灯，沉积喷灯前端装有控制各气体原料的质量流量控制器，质量流量控制器与控制器相连，能实现对沉积喷灯流量实时、准确的控制；所述的控制器采用三菱fx2n-128mt型plc,能对采集的数据进行实时处理，并根据疏松体密度计算结果，实现对质量流量控制器流量的调节。

一种疏松体密度在线检测控制方法，通过称重机构对沉积腔体内的疏松体进行实时测重，通过激光测径系统对疏松体进行实时测径，上述测量数值上传到控制器，获得疏松体沉积过程中的实时数据，并通过与标准疏松体的平均密度设定值进行比对，从而获得监测结果；

控制器根据上述比对结果对沉积腔内的沉积料送料装置进行流量调整，从而校正沉积过程中的疏松体平均密度。

在沉积过程中激光测径系统上下移动，对整个疏松体直径进行连续测量。测量过程可以自上而下，也可以自下而上。以自上而下为例，当激光测径系统测量到疏松体直径为种子棒直径的110％～130％，开始记录测量值。然后每间隔0.1～5mm进行直径测量与记录，直至测量到直径为0，采样结束。则整个过程获得一组疏松体直径的数据d1,d2，d3....dn。

控制器，用于接收称重系统和激光测径系统提供的数据，进行体积和密度的计算。

疏松体体积v的计算方式为：

其中l为测量间隔长度，0.1～5mm。

密度的计算原理及公式为：

在沉积过程中，控制器计算出当前时刻的体积v0，并记录当前时刻称重系统提供的重量信息m0。t分钟后，激光测径系统再次进行直径测量，直径测量结束的同时，称重系统再次采样。控制器获得t分钟后的体积v1和重量信息m1，则可求此t时间内，疏松体沉积的平均密度ρ。其计算公式为：

为保证测量的准确性，两次测量的时间间隔t不易过小；为便于产品密度的控制，t不易过大。t取5～30为宜。

控制系统，根据计算的疏松体密度值控制喷灯的气体流量。当密度小于2.2g/cm³,包层沉积喷灯氢气流量增加0.3～1.5l/min,芯层沉积喷灯氢气流量增加0.1～0.3l/min。当密度大于2.5g/cm³,包层沉积喷灯氢气流量减少0.3～1.5l/min,芯层沉积喷灯氢气流量减少0.1～0.3l/min.

由于vad沉积过程中，疏松体是沿轴向不断变长，通过前后两次测量计算出的密度值，即为疏松体新增长度上的平均密度值。

例如：在vad芯棒沉积的第5小时，疏松体密度在线检测系统测得疏松体重量为2125.3g，经激光测径系统测量并由控制器计算出当前体积988.5cm³。20分钟后，再次测得的疏松体质量为2265.9g，体积为1057.7cm³。

经控制器计算，20分钟内的平均沉积密度为2.03g/cm³，小于工艺期望值2.2g/cm³。控制系统得到计算出的数据后，将包层沉积喷灯氢气流量增加了0.5l/min,芯层沉积喷灯氢气流量增加0.15l/min。

在接下来的20分钟内，疏松体重量变为2411.8g，体积变为1122.5cm³,经计算，此20分钟沉积过程中的平均沉积密度为2.25g/cm³，已符合工艺要求。

与背景技术中公告号【209689666u】的专利相比，本实用新型具有以下有益效果：1.在沉积过程中进行密度检测，整个过程无需搬运疏松体，避免搬运过程中对疏松体造成损伤；2.在沉积过程中，实时称重，实时测量疏松体体积，并运用更为合理的算法(t时间内，质量增量与体积增量的比值)，求出t时间内沉积的平均密度，计算结果只取决于t时间内的沉积状态，与其他时间内沉积的疏松体状态无关，因此能完全避免因其锥部密度大，造成平均密度较真实值偏大的问题；3.由于疏松体在沉积过程中延轴向生长，所以通过控制器监测，可以实现对疏松体轴向不同位置平均密度的测量，实现对产品情况的监测；4.沉积过程中，喷灯的流量可以根据密度的测量结果进行自动调整，以实现对沉积密度的控制，提高生产质量。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进在不付出创造性劳动前提下也应视为本实用新型的保护范围。

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