【正文】 起著決定性的作用，對(duì)預(yù)制棒質(zhì)量的檢測(cè)主要有三個(gè)方面：（1）預(yù)制棒內(nèi)存的各種缺陷檢驗(yàn)；（2）預(yù)制棒幾何參數(shù)的檢測(cè)；（3）折射率分布測(cè)試。預(yù)制棒缺陷是指沉積層中的氣泡、裂紋以及沉積層結(jié)構(gòu)偏差與沿軸向不均勻分布等因素問題，它反應(yīng)出預(yù)制棒的沉積質(zhì)量?？衫肏e—Ne激光掃描裝置進(jìn)行檢驗(yàn)?！iO2光纖拉絲及一次涂覆工藝光纖拉絲是指將制備好的光纖預(yù)制料（棒），利用某種加熱設(shè)備加熱熔融后拉制成直徑符合要求的細(xì)小光纖纖維，并保證光纖的芯/包直徑比和折射率分布形式不變的工藝操作過程。在拉絲操作過程中，最重要的技術(shù)是如何保證不使光纖表面受到損傷并正確控制芯/包層外徑尺寸及折射率分布形式。如果光纖表面受到損傷，將會(huì)影響光纖機(jī)械強(qiáng)度與使用壽命，而外徑發(fā)生波動(dòng)，由于結(jié)構(gòu)不完善不僅會(huì)引起光纖波導(dǎo)散射損耗，而且在光纖接續(xù)時(shí)，連接損耗也會(huì)增大，因此在控制光纖拉絲工藝流程時(shí)，必須使各種工藝參數(shù)與條件保持穩(wěn)定。一次涂覆工藝是將拉制成的裸光纖表面涂覆上一層彈性模量比較高的涂覆材料，其作用是保護(hù)拉制出的光纖表面不受損傷，并提高其機(jī)械強(qiáng)度，降低衰減。在工藝上，一次涂覆與拉絲是相互獨(dú)立的兩個(gè)工藝步驟，而在實(shí)際生產(chǎn)中，一次涂覆與拉絲是在一條生產(chǎn)線上一次完成的。1976年，Kapang把一根拋光的芯層玻璃棒插入到一根拋光的包層玻璃管中，一起送入拉絲爐中拉制出了光纖，從而發(fā)明了管棒法工藝。相對(duì)雙坩堝法，管棒法是一種既古老又簡(jiǎn)單操作工藝方法。這種方法最大優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易操作，而且芯/包直徑比和折射率分布型式可以保持不變，尺寸精確度良好。缺點(diǎn)在于它是一次性生產(chǎn),也就是說，當(dāng)每一次預(yù)制棒拉制完成后，必須停機(jī)重新裝料。這將使光纖連續(xù)拉制長度受限于預(yù)制棒的尺寸，且不可避免地產(chǎn)生材料浪費(fèi)，使成本增加。雖然，管棒法拉制光纖具有一定的局限性，但在現(xiàn)階段仍是光纖拉絲工藝最常采用的重要方法。管棒法拉制光纖工藝有兩種：一是將熔煉成一體的芯/包預(yù)制棒直接在高溫爐中加溫軟化拉制成光纖，如利用MCVD法制取的光纖預(yù)制棒；二是在芯層玻璃棒體上套上外包層玻璃管送入加熱爐中熔煉成一體，再送入高溫爐中加溫軟化拉制成光纖，如二步法生產(chǎn)的光纖芯層棒和包層管制成的預(yù)制棒。后一種方法由于難以保證芯/包的同心度并在芯/包界面上存在著氣泡或微彎等缺陷，影響光纖的最終性能，使用受到限制。但是，這種方法由于它的芯層棒與包層管是分開在不同的設(shè)備上同時(shí)加工，所以它可以提高單班生產(chǎn)效率，一旦它的技術(shù)難點(diǎn)被攻克，將是最具發(fā)展前途的拉絲工藝。拉絲工藝流程及設(shè)備如圖531所示。光纖預(yù)制棒的拉絲機(jī)由五個(gè)基本部分構(gòu)成：（1）光纖預(yù)制棒饋送系統(tǒng)；（2）加熱系統(tǒng)；（3）拉絲機(jī)構(gòu)；（4）各參數(shù)控制系統(tǒng)；（5）水冷卻和氣氛保護(hù)及控制系統(tǒng)。五者之間精確的配合構(gòu)成完整拉絲工藝。具體的機(jī)械和電氣設(shè)備與系統(tǒng)包括：機(jī)械系統(tǒng)拉絲塔架、送棒及調(diào)心系統(tǒng)、加熱爐、激光測(cè)徑儀、牽引裝置、水氣管路系統(tǒng)，電氣部分送棒控制及調(diào)心控制系統(tǒng)、加熱爐控制系統(tǒng)、外徑測(cè)控系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)、冷卻水及保護(hù)氣氛控制系統(tǒng)、人機(jī)界面、PLC信號(hào)處理系統(tǒng)等。圖531拉絲與一次涂覆工藝流程操作步驟：將已制備好的預(yù)制棒安放在拉絲塔（機(jī)）上部的預(yù)制棒饋送機(jī)構(gòu)的卡盤上。饋送機(jī)構(gòu)緩慢地將預(yù)制棒送入高溫加熱爐內(nèi)。在Ar氣氛保護(hù)下，高溫加熱爐將預(yù)制棒尖端加熱至2000186。C，在此溫度下，足以使玻璃預(yù)制棒軟化，軟化的熔融態(tài)玻璃從高溫加熱爐底部的噴嘴處滴落出來并凝聚形成一帶小球細(xì)絲，靠自身重量下垂變細(xì)而成纖維，即我們所說的裸光纖。將有小球段纖維稱為“滴流頭”，操作者應(yīng)及時(shí)將滴流頭去除，并預(yù)先采用手工方式將已涂覆一次涂層的光纖頭端繞過拉絲塔上的張力輪、導(dǎo)輪、牽引輪后，最后繞在收線盤上。然后再啟動(dòng)自動(dòng)收線裝置收線。預(yù)制棒送入高溫加熱爐內(nèi)的饋送速度主要取決于高溫爐的結(jié)構(gòu)、預(yù)制棒的直徑、光纖的外徑尺寸和拉絲機(jī)的拉絲速度，～ 。在拉絲工藝中不需要模具控制光纖的外徑，因?yàn)槟＞邥?huì)在光纖表面留下?lián)p傷的痕跡，降低光纖的強(qiáng)度。絕大多數(shù)光纖制造者是將高溫加熱爐溫度和送棒速度保持不變，通過改變光纖拉絲速度的方法來達(dá)到控制光纖外徑尺寸的目的。在正常狀態(tài)，若預(yù)制棒的饋送速度為V，光纖的拉絲速度為Vf，預(yù)制棒的外徑為D，裸光纖的外徑為df，df=2b。根據(jù)熔化前的棒體容積等于熔化拉絲后光纖的容積的特點(diǎn)，可知，前三者與光纖的外徑有如下關(guān)系： VD2=Vfdf2 (531)因此，光纖的外徑可由（531）給出：d2=VD2/Vf (532)光纖預(yù)制棒饋送系統(tǒng)主要由光纖預(yù)制棒卡盤、饋送及控制系統(tǒng)和調(diào)心機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)構(gòu)成?？ūP的作用是固定光纖預(yù)制棒，饋送及控制系統(tǒng)主要是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它的用途是為預(yù)制棒進(jìn)入加熱爐提供一個(gè)緩慢的速度，調(diào)心及控制系統(tǒng)作用是光纖預(yù)制棒在卡盤上夾好后，首先要進(jìn)行預(yù)調(diào)心，使棒的中心與預(yù)定的檢測(cè)中心重合，并當(dāng)出現(xiàn)偏心時(shí)，為PLC提供變化參數(shù)，及時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)修正。拉絲操作對(duì)加熱源的要求是十分苛刻的。熱源不僅要提供足以熔融石英玻璃的2000186。C以上高溫，還必須在拉制區(qū)域能夠非常精確的控制溫度，因?yàn)樵谲浕秶鷥?nèi)，玻璃光纖的精度隨溫度而變化，在此區(qū)域內(nèi)，任何溫度梯度的波動(dòng)都可能引起不穩(wěn)定性而影響光纖直徑的控制。熔融SiO2的粘度與加熱溫度間的變化曲線如圖532所示。同時(shí)，由于2000186。C的高溫已超過一般材料的熔點(diǎn)，因而加熱爐的設(shè)計(jì)是拉絲技術(shù)的又一關(guān)鍵技術(shù)。常用的拉絲熱源有：（1）氣體噴燈；（2）各種電阻及感應(yīng)加熱爐；（3）大功率CO2激光器。氣體噴燈：歷史上應(yīng)用火焰燃燒器把高溫玻璃拉制成纖維的例子甚多，一般都采用氫氧或氧—煤氣噴燈，這種加熱設(shè)備本身存在火焰騷動(dòng)問題，因而拉制的光纖外徑尺寸控制精度一直不高。目前，這種方法極少應(yīng)用。它的結(jié)構(gòu)以Pearson（皮爾遜） 和Tynes(泰納)1975年設(shè)計(jì)的16氧噴嘴、氫四個(gè)噴嘴的燃燒器為典型代表?，F(xiàn)代拉絲機(jī)主要采用石墨或ZrO2氧化鋯電阻或高頻感應(yīng)爐作熱源。對(duì)加熱爐的要求：爐溫易控制；爐內(nèi)壁材料不易產(chǎn)生塵埃、顆粒及其它污染的雜質(zhì)；可耐2200186。C及以上高溫。石墨加熱爐采用直流或SOHZ型工頻交流電源為石墨爐加熱，如圖534。在加熱中為防止石墨材料在高溫下發(fā)生氧化，進(jìn)而產(chǎn)生粉塵污染，一般需采用惰性氣體如Ar氧進(jìn)行氣氛保護(hù)。同時(shí)，因?yàn)楦邷叵率珷tW絲的通電連接也較困難，因而也可采用石墨感應(yīng)電阻爐來解決，采用水冷線圈進(jìn)行冷卻。由于加熱爐中充入Ar保持，而爐內(nèi)Ar的紊亂流動(dòng)將導(dǎo)致爐內(nèi)溫度的變化。因此必須對(duì)保護(hù)氣體Ar的流量進(jìn)行控制，以保持爐溫的穩(wěn)定。在拉制光纖時(shí)，需安裝光纖外徑測(cè)量?jī)x反饋測(cè)量光纖外徑的變化情況，因此可通過這一反饋測(cè)量值的變化來控制保護(hù)氣體Ar的流量，使光纖外徑的變化量控制在允許（1um）范圍內(nèi)。另一個(gè)控制方法是通過使用特殊的進(jìn)氣支管在灼熱區(qū)提供高純度的層狀氣流。氣體Ar在這里的另一個(gè)最重要的作用是擠出爐內(nèi)的空氣，由于Ar氣比重較空氣的大的多，向爐內(nèi)通入Ar氣后，它將排擠爐內(nèi)的空氣向上運(yùn)動(dòng)，并從爐內(nèi)排出空氣，填充Ar在爐內(nèi)的氣體界面應(yīng)高于光纖預(yù)制棒底部尖端的熔化高度，目的是防止空氣中的濕氣與熔融的SiO2接觸，是制備低損耗光纖最重要的手段之一。ZrO2氧化鋯加熱爐是利用氧化鋯材料在常溫下為絕緣體，接近1500186。C時(shí)，就會(huì)變成導(dǎo)體的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)制造。其本身既可作爐管又是加熱體，在高頻感應(yīng)場(chǎng)中加熱。因?yàn)檠趸喌难趸瘻囟仍?500186。C。因此氧化鋯感應(yīng)爐一般不需要?dú)夥毡Ｗo(hù)，但在制造光纖時(shí)，為隔離空氣降低制造過程中產(chǎn)生的衰減，必須充Ar氣進(jìn)行氣氛保護(hù)。，ZrO2爐管的外徑為45mm，管的壁厚為3mm，水冷線圈RF繞在爐管的中部，并將密封在石英管中的石墨火花塞插入爐中。用RF線圈進(jìn)行加熱。當(dāng) ZrO2管溫度高于1500186。C時(shí)，則將石墨火花塞移開，氧化鋯在1500186。C或更高溫度下成為導(dǎo)體，當(dāng)RF線圈將ZrO2管溫度加熱至2000～2200186。C時(shí)，即可以拉制光纖。ZrO2氧化鋯加熱爐的結(jié)構(gòu)如圖535。兩種加熱爐比較，石墨爐價(jià)格低廉，升溫迅速，存在氧化污染，ZrO2爐升溫需幾個(gè)小時(shí)，價(jià)格昂貴，而且易受熱輻射力的破壞而產(chǎn)生斷裂，因而從經(jīng)濟(jì)性考慮，石墨爐的采用更為廣泛。與氣體氫氧噴燈燃燒器和高功率激光器相比，ZrO2氧化鋯感應(yīng)加熱爐具有較大的熱學(xué)質(zhì)量，會(huì)產(chǎn)生較長的頸縮區(qū)，是預(yù)制棒的數(shù)倍，對(duì)預(yù)制棒的加熱拉絲有一定的影響。圖535 ZrO2氧化鋯感應(yīng)加熱爐截面示意圖高功率激光器是一理想加熱源。用激光拉制光纖的清凈度是各種方法無法比擬的，因?yàn)樵诶z過程中，激光器自身不會(huì)帶來任何污染；而在光纖直徑的控制上，在不需控制環(huán)的幫助下，大長度光纖直徑的偏差小于標(biāo)準(zhǔn)值的1%，且加熱溫度穩(wěn)定不變。常用的激光器為CO2激光器，它是一種分子激光器，基本工作原理：采用CO2氣體和一些輔助氣體（N2 Or He）等混合氣體作為激光激活介質(zhì)，密封于放電管中，管的端部為互相平行的兩個(gè)反射鏡構(gòu)成諧振腔。激勵(lì)方式多采用放電激勵(lì)的形式，可以是連續(xù)信號(hào)或脈沖信號(hào)激勵(lì)。連續(xù)輸出的光功率可達(dá)kw級(jí)，最大可達(dá)10kw以上, ,其電光轉(zhuǎn)換效率很高，超過10%。CO2分子是由三個(gè)原子組成，不同的激發(fā)態(tài)取決于結(jié)合原子的振動(dòng)形式。碳居正中，兩端各一個(gè)氧，三個(gè)原子處于一條直線上。振動(dòng)方式有三種：對(duì)稱伸縮振動(dòng)、彎曲振動(dòng)、非對(duì)稱伸縮振動(dòng)。每種量子數(shù)不同，分別表示為（100）、（010）、（001）。激發(fā)能級(jí)是離散性、量子化的。由001躍遷至（100）或（020）的過程，能級(jí)圖如圖536所示。CO2分子的振動(dòng)激發(fā)是由于電子碰撞激發(fā)N2分子的能量轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)的。在使用CO2激光器作加熱源時(shí)，有一點(diǎn)需要特別注意，而硅材料的熱容又很低，因此，在光纖預(yù)制棒表面溫度相當(dāng)高，會(huì)使Si材料迅速汽化。這樣，如使用CO2激光器加熱，拉制光纖尺寸會(huì)受到影響，所以溫度的控制就顯得非常重要。CO2激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，龐大，價(jià)格昂貴，但它的工作可靠性高、壽命長、性能穩(wěn)定、無污染，因而成為光纖拉絲加熱設(shè)備的首選。光纖拉絲工藝中的直徑控制是第三個(gè)技術(shù)關(guān)鍵。為此，在加熱爐及預(yù)制棒下端拉錐部位要求有相當(dāng)平靜的氣氛，任何氣流的攪動(dòng)都會(huì)造成光纖直徑的高頻波動(dòng)；加熱爐內(nèi)由于“煙囪效應(yīng)”以及溫度梯度引起的氣流波動(dòng)、保護(hù)氣體氣流紊亂流動(dòng)等現(xiàn)象均需嚴(yán)格控制。為保證光纖直徑的精度要求，下列措施是必須的：首先，要求拉絲塔的底座應(yīng)與周圍建筑物的地基隔離，單獨(dú)設(shè)置地基，以防止廠房周圍車輛、機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生影響，引起拉制的光纖直徑波動(dòng)；第二要求預(yù)制棒的拉絲牽引輪的速度要非常均勻平穩(wěn)；牽引輪，收線盤，電機(jī)的傳動(dòng)部分不能出現(xiàn)任何的偏心，否則都會(huì)導(dǎo)致光纖直徑的變化；第三光纖直徑要有一個(gè)十分精密的測(cè)量與反饋控制系統(tǒng)。一般選用非接觸法之一的激光散射法對(duì)剛出爐的裸光纖同步進(jìn)行遙測(cè)?；緶y(cè)量方法有二種：（1）通過光纖的干涉圖形來測(cè)定直徑；（2）采用掃描激光束產(chǎn)生的光纖的影象來確定直徑。測(cè)量精度可達(dá)到零點(diǎn)幾個(gè)微米，利用測(cè)得的光纖直徑誤差信號(hào)去調(diào)節(jié)牽引輪的拉絲速度，以獲得光纖設(shè)計(jì)要求正確外徑121150177。1um等。在拉絲設(shè)備中第四個(gè)重要組成部分是拉絲和卷繞系統(tǒng)。一般采用涂有橡膠的牽引輪和牽引裝置、張力控制輪、收排線盤等設(shè)備完成。牽引拉絲輪的速度在10～20m/s間，要求保證光纖所受拉力為“零”。牽引輪和牽引裝置及收排線機(jī)構(gòu)如圖538所示，牽引裝置一般采用輪式牽引機(jī)，牽引光纖在牽引輪上移動(dòng)，牽引速度即為拉絲生產(chǎn)線的拉絲速度。收排線裝置：主要由收線排線傳感器、光纖收線盤、收線張力測(cè)量?jī)x、牽引張力測(cè)量輪、收線張力調(diào)節(jié)輪等設(shè)備組成?；镜墓δ苁菍?duì)已涂覆光纖在沒有外部張力作用下收卷成盤，為下一道工序做準(zhǔn)備。要求收線張力和排線節(jié)距合理科學(xué)。排線質(zhì)量直接影響光纖的衰減，要求排線平整、無壓線、夾線現(xiàn)象。控制好排線質(zhì)量的關(guān)鍵是第一層光纖的排線質(zhì)量，首先，要調(diào)整好排線節(jié)距B的大小，其次要控制制好光纖與收線圓盤邊緣距離（7－8μm），否則，將會(huì)出現(xiàn)夾線、斷線等現(xiàn)象。排線方式有三種：矩形排線、梯形排線和倒梯形排線，如圖539所示。矩形排線梯形排線倒梯形排線圖539排線方式在拉絲設(shè)備中第五個(gè)重要組成部分是控制系統(tǒng)。當(dāng)拉制光纖的直徑、溫度、氣氛等參數(shù)發(fā)生微小變化時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)反饋一個(gè)信息，并使變化自動(dòng)得到補(bǔ)償，這一作用系統(tǒng)稱為控制系統(tǒng)。主要構(gòu)成部分有：位于加熱爐出口的激光測(cè)徑儀及涂覆后位于張力輪前端的涂層測(cè)徑儀控制系統(tǒng)，Ar氣液面、壓力和流量控制系統(tǒng)，爐內(nèi)溫度控制系統(tǒng)以及各自相應(yīng)的誤差信號(hào)處理系統(tǒng)及控制拉絲速度的控制機(jī)構(gòu)。若實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)用的控制系統(tǒng)，必須考慮影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的許多因素，特別是拉絲機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。包括控制收線盤和牽引輪的電動(dòng)機(jī)以及機(jī)構(gòu)自身的特性。任何微小的變化，甚至是隨機(jī)振動(dòng)或預(yù)制棒的頸縮區(qū)內(nèi)的氣流與溫度變化所產(chǎn)生的細(xì)微的變化，都會(huì)影響拉絲直徑的大小，必須細(xì)致地設(shè)計(jì)拉絲機(jī)及其環(huán)境才能減少這種影響。下面簡(jiǎn)要介紹中國電子科技集團(tuán)第八研究所軒傳吳、舒福勝等人設(shè)計(jì)的實(shí)用型拉絲機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成。該光纖拉絲機(jī)的整個(gè)控制系統(tǒng)以PLC為核心，通過PROFIBUSDP過程控制總線及MPI多點(diǎn)接口在PLC之間、PLC與計(jì)算機(jī)之間交換信息，指令系統(tǒng)正常運(yùn)行。PROFIBUSDP是一種優(yōu)化的通訊模塊，特別適用于對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的自動(dòng)控制系統(tǒng)，最大的站數(shù)是256。運(yùn)行信號(hào)的發(fā)出以及系統(tǒng)需要的各種信號(hào)的采集，全部依賴計(jì)算機(jī)與PLC的相互協(xié)作來完成?？刂葡到y(tǒng)如圖5310所示。SIEMENS S7300 PLC同S7200和測(cè)徑儀通過PROFIBUS總線構(gòu)成DP網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行高速運(yùn)算和信息交換，對(duì)線徑和中心偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算和調(diào)節(jié)，保證中心點(diǎn)恒定和線徑偏差在允許范圍內(nèi)。其中，S7300是DP主站，S7200和測(cè)徑儀作為DP從站。計(jì)算機(jī)通過S7300主站同DP網(wǎng)絡(luò)交換必要的信息，在系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)的作用是實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話、生產(chǎn)管理、機(jī)器運(yùn)行狀