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5.2.8光纤预制棒质量检测
光纤预制棒质量的好坏对光纤光缆的质量起着决定性的作用，对预制棒质量的检测主要有三个方面：（1）预制棒存的各种缺陷检验；（2）预制棒几何参数的检测；（3）折射率分布测试。
预制棒缺陷是指沉积层中的气泡、裂纹以及沉积层结构偏差与沿轴向不均匀分布等因素问题，它反应出预制棒的沉积质量。可利用He—Ne激光扫描装置进行检验。
5.3 SiO2光纤拉丝及一次涂覆工艺
光纤拉丝是指将制备好的光纤预制料（棒），利用某种加热设备加热熔融后拉制成直径符合要求的细小光纤纤维，并保证光纤的芯/包直径比和折射率分布形式不变的工艺操作过程。在拉丝操作过程中，最重要的技术是如何保证不使光纤表面受到损伤并正确控制芯/包层外径尺寸及折射率分布形式。如果光纤表面受到损伤，将会影响光纤机械强度与使用寿命，而外径发生波动，由于结构不完善不仅会引起光纤波导散射损耗，而且在光纤接续时，连接损耗也会增大，因此在控制光纤拉丝工艺流程时，必须使各种工艺参数与条件保持稳定。一次涂覆工艺是将拉制成的裸光纤表面涂覆上一层弹性模量比较高的涂覆材料，其作用是保护拉制出的光纤表面不受损伤，并提高其机械强度，降低衰减。在工艺上，一次涂覆与拉丝是相互独立的两个工艺步骤，而在实际生产中，一次涂覆与拉丝是在一条生产线上一次完成的。
5.3.1.1.管棒法
1976年，Kapang把一根抛光的芯层玻璃棒插入到一根抛光的包层玻璃管中，一起送入拉丝炉中拉制出了光纤，从而发明了管棒法工艺。相对双坩埚法，管棒法是一种既古老又简单操作工艺方法。这种方法最大优点是简单易操作，而且芯/包直径比和折射率分布型式可以保持不变，尺寸精确度良好。缺点在于它是一次性生产,也就是说，当每一次预制棒拉制完成后，必须停机重新装料。这将使光纤连续拉制长度受限于预制棒的尺寸，且不可避免地产生材料浪费，使成本增加。
虽然，管棒法拉制光纤具有一定的局限性，但在现阶段仍是光纤拉丝工艺最常采用的重要方法。管棒法拉制光纤工艺有两种：一是将熔炼成一体的芯/包预制棒直接在高温炉中加温软化拉制成光纤，如利用MCVD法制取的光纤预制棒；二是在芯层玻璃棒体上套上外包层玻璃管送入加热炉中熔炼成一体，再送入高温炉中加温软化拉制成光纤，如二步法生产的光纤芯层棒和包层管制成的预制棒。后一种方法由于难以保证芯/包的同心度并在芯/包界面上存在着气泡或微弯等缺陷，影响光纤的最终性能，使用受到限制。但是，这种方法由于它的芯层棒与包层管是分开在不同的设备上同时加工，所以它可以提高单班生产效率，一旦它的技术难点被攻克，将是最具发展前途的拉丝工艺。
拉丝工艺流程及设备如图5-3-1所示。光纤预制棒的拉丝机由五个基本部分构成：（1）光纤预制棒馈送系统；（2）加热系统；（3）拉丝机构；（4）各参数控制系统；（5）水冷却和气氛保护及控制系统。五者之间精确的配合构成完整拉丝工艺。具体的机械和电气设备与系统包括：机械系统拉丝塔架、送棒及调心系统、加热炉、激光测径仪、牵引装置、水气管路系统，电气部分送棒控制及调心控制系统、加热炉控制系统、外径测控系统、牵引控制系统、冷却水及保护气氛控制系统、人机界面、PLC信号处理系统等。
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图5-3-1拉丝与一次涂覆工艺流程
操作步骤：将已制备好的预制棒安放在拉丝塔（机）上部的预制棒馈送机构的卡盘上。馈送机构缓慢地将预制棒送入高温加热炉。在Ar气氛保护下，高温加热炉将预制棒尖端加热至2000oC，在此温度下，足以使玻璃预制棒软化，软化的熔融态玻璃从高温加热炉底部的喷嘴处滴落出来并凝聚形成一带小球细丝，靠自身重量下垂变细而成纤维，即我们所说的裸光纤。将有小球段纤维称为“滴流头”，操作者应及时将滴流头去除，并预先采用手工方式将已涂覆一次涂层的光纤头端绕过拉丝塔上的力轮、导轮、牵引轮后，最后绕在收线盘上。然后再启动自动收线装置收线。
预制棒送入高温加热炉的馈送速度主要取决于高温炉的结构、预制棒的直径、光纤的外径尺寸和拉丝机的拉丝速度，一般约为0.002～ 0.003cm/s。在拉丝工艺中不需要模具控制光纤的外径，因为模具会在光纤表面留下损伤的痕迹，降低光纤的强度。绝大多数光纤制造者是将高温加热炉温度和送棒速度保持不变，通过改变光纤拉丝速度的方法来达到控制光纤外径尺寸的目的。
在正常状态，若预制棒的馈送速度为V，光纤的拉丝速度为Vf，预制棒的外径为D，裸光纤的外径为df，df=2b。根据熔化前的棒体容积等于熔化拉丝后光纤的容积的特点，可知，前三者与光纤的外径有如下关系：
22
VD=Vfdf (5-3-1) 因此，光纤的外径可由（5-3-1）给出：
22
d=VD/Vf (5-3-2)
光纤预制棒馈送系统主要由光纤预制棒卡盘、馈送及控制系统和调心机构及控制系统构成。卡盘的作用是固定光纤预制棒，馈送及控制系统主要是步进电动机，它的用途是为预制棒进入加热炉提供一个缓慢的速度，调心及控制系统作用是光纤预制棒在卡盘上夹好后，首先要进行预调心，使棒的中心与预定的检测中心重合，并当出现偏心时，为PLC提供变化参数，及时自动调节修正。
拉丝操作对加热源的要十分苛刻的。热源不仅要提供足以熔融石英玻璃的2000oC以上高温，还必须在拉制区域能够非常精确的控制温度，因为在软化围，玻璃光纤的精度随温度而变化，在此区域，任何温度梯度的波动都可能引起不稳定性而影响光纤直径的控制。熔融SiO2的粘度与加热温度间的变化曲线如图5-3-2所示。同时，由于2000oC的高温已超过一般材料的熔点，因而加热炉的设计是拉丝技术的又一关键技术。常用的拉丝热源有：（1）气体喷灯；（2）各种电阻及感应加热炉；（3）大功率CO2激光器。
气体喷灯：历史上应用火焰燃烧器把高温玻璃拉制成纤维的例子甚多，一般都采用氢氧或氧—煤气喷灯，这种加热设备本身存在火焰骚动问题，因而拉制的光纤外径尺寸控制精度一直不高。目前，这种方法极少应用。它的结构以Pearson（皮尔逊） 和Tynes(泰纳)1975年设计的16氧喷嘴、氢四个喷嘴的燃烧器为典型代表。
现代拉丝机主要采用石墨或ZrO2氧化锆电阻或高频感应炉作热源。对加热炉的要求：炉温易控制；炉壁材料
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不易产生尘埃、颗粒及其它污染的杂质；可耐2200oC及以上高温。
石墨加热炉采用直流或SOHZ型工频交流电源为石墨炉加热，如图5-3-4。在加热中为防止石墨材料在高温下发生氧化，进而产生粉尘污染，一般需采用惰性气体如Ar氧进行气氛保护。同时，因为高温下石墨炉W丝的通电连接也较困难，因而也可采用石墨感应电阻炉来解决，采用水冷线圈进行冷却。
由于加热炉中充入Ar保持，而炉Ar的紊乱流动将导致炉温度的变化。因此必须对保护气体Ar的流量进行控制，以保持炉温的稳定。在拉制光纤时，需安装光纤外径测量仪反馈测量光纤外径的变化情况，因此可通过这一反馈测量值的变化来控制保护气体Ar的流量，使光纤外径的变化量控制在允许（1um）围。另一个控制方法是通过使用特殊的进气支管在灼热区提供高纯度的层状气流。气体Ar在这里的另一个最重要的作用是挤出炉的空气，由于Ar气比重较空气的大的多，向炉通入Ar气后，它将排挤炉的空气向上运动，并从炉排出空气，填充Ar在炉的气体界面应高于光纤预制棒底部尖端的熔化高度，目的是防止空气中的湿气与熔融的SiO2接触，是制备低损耗光纤最重要的手段之一。
ZrO2氧化锆加热炉是利用氧化锆材料在常温下为绝缘体，接近1500oC时，就会变成导体的特点而设计制造。其本身既可作炉管又是加热体，在高频感应场中加热。因为氧化锆的氧化温度在2500oC。因此氧化锆感应炉一般不需要气氛保护，但在制造光纤时，为隔离空气降低制造过程中产生的衰减，必须充Ar气进行气氛保护。典型的氧化锆炉高2.5m，外径约为2.5m，ZrO2炉管的外径为45mm，管的壁厚为3mm，水冷线圈RF绕在炉管的中部，并将密封在石英管中的石墨火花塞插入炉中。用RF线圈进行加热。当 ZrO2管温度高于1500oC时，则将石墨火花塞移开，氧化锆在1500oC或更高温度下成为导体，当RF线圈将ZrO2管温度加热至2000～2200oC时，即可以拉制光纤。ZrO2氧化锆加热炉的结构如图5-3-5。两种加热炉比较，石墨炉价格低廉，升温迅速，存在氧化污染，ZrO2炉升温需几个小时，价格昂贵，而且易受热辐射力的破坏而产生断裂，因而从经济性考虑，石墨炉的采用更为广泛。
与气体氢氧喷灯燃烧器和高功率激光器相比，ZrO2氧化锆感应加热炉具有较大的热学质量，会产生较长的颈缩区，是预制棒的数倍，对预制棒的加热拉丝有一定的影响。
图5-3-5 ZrO2氧化锆感应加热炉截面示意图
高功率激光器是一理想加热源。用激光拉制光纤的清净度是各种方法无法比拟的，因为在拉丝过程中，激光器自身不会带来任何污染；而在光纤直径的控制上，在不需控制环的帮助下，大长度光纤直径的偏差小于标准值的1%，且加热温度稳定不变。常用的激光器为CO2激光器，它是一种分子激光器，基本工作原理：采用CO2气体和一些辅助气体（N2 Or He）等混合气体作为激光激活介质，密封于放电管中，管的端部为互相平行的两个反射镜构成谐振腔。激励方式多采用放电激励的形式，可以是连续信号或脉冲信号激励。连续输出的光功率可达kw级，最大可达10kw以上,发出10.6um和 9.6um波长的辐射功率,其电光转换效率很高，超过10%。
CO2分子是由三个原子组成，不同的激发态取决于结合原子的振动形式。碳居正中，两端各一个氧，三个原子处于一条直线上。振动方式有三种：对称伸缩振动、弯曲振动、非对称伸缩振动。每种量子数不同，分别表示为（100）、（）、（001）。激发能级是离散性、量子化的。由001跃迁至（100）或（020）的过程，可以得到10.6um和9.6um波长激光，能级图如图5-3-6所示。CO2分子的振动激发是由于电子碰撞激发N2分子的能量转移实现的。
在使用CO2激光器作加热源时，有一点需要特别注意，即硅材料对10.6um波段的能量吸收系数非常大，而硅材料的热容又很低，因此，在光纤预制棒表面温度相当高，会使Si材料迅速汽化。这样，如使用CO2激光器加热，拉制光纤尺寸会受到影响，所以温度的控制就显得非常重要。CO2激光器结构复杂，庞大，价格昂贵，但它的工作可靠性高、寿命长、性能稳定、无污染，因而成为光纤拉丝加热设备的首选。
光纤拉丝工艺中的直径控制是第三个技术关键。为此，在加热炉及预制棒下端拉锥部位要求有相当平静的气氛，任何气流的搅动都会造成光纤直径的高频波动；加热炉由于“烟囱效应”以及温度梯度引起的气流波动、保护气体气流紊乱流动等现象均需严格控制。为保证光纤直径的精度要求，下列措施是必须的：
首先，要求拉丝塔的底座应与周围建筑物的地基隔离，单独设置地基，以防止厂房周围车辆、机械振动产生影响，引起拉制的光纤直径波动；
第二要求预制棒的拉丝牵引轮的速度要非常均匀平稳；牵引轮，收线盘，电机的传动部分不能出现任何的偏心，否则都会导致光纤直径的变化；
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第三光纤直径要有一个十分精密的测量与反馈控制系统。一般选用非接触法之一的激光散射法对刚出炉的裸光纤同步进行遥测。基本测量方法有二种：（1）通过光纤的干涉图形来测定直径；（2）采用扫描激光束产生的光纤的影象来确定直径。测量精度可达到零点几个微米，利用测得的光纤直径误差信号去调节牵引轮的拉丝速度，以获得光纤设计要求正确外径125、140、150±1um等。
在拉丝设备中第四个重要组成部分是拉丝和卷绕系统。一般采用涂有橡胶的牵引轮和牵引装置、力控制轮、收排线盘等设备完成。牵引拉丝轮的速度在10～20m/s间，要求保证光纤所受拉力为“零”。
牵引轮和牵引装置及收排线机构如图5-3-8所示，牵引装置一般采用轮式牵引机，牵引光纤在牵引轮上移动，牵引速度即为拉丝生产线的拉丝速度。
收排线装置：主要由收线排线传感器、光纤收线盘、收线力测量仪、牵引力测量轮、收线力调节轮等设备组成。基本的功能是对已涂覆光纤在没有外部力作用下收卷成盘，为下一道工序做准备。要求收线力和排线节距合理科学。
排线质量直接影响光纤的衰减，要求排线平整、无压线、夹线现象。控制好排线质量的关键是第一层光纤的排线质量，首先，要调整好排线节距B的大小，其次要控制制好光纤与收线圆盘边缘距离（7－8μm），否则，将会出现夹线、断线等现象。排线方式有三种：矩形排线、梯形排线和倒梯形排线，如图5-3-9所示。
矩形排线 梯形排线 倒梯形排线
图5-3-9排线方式
在拉丝设备中第五个重要组成部分是控制系统。当拉制光纤的直径、温度、气氛等参数发生微小变化时，控制系统自动反馈一个信息，并使变化自动得到补偿，这一作用系统称为控制系统。主要构成部分有：位于加热炉出口的激光测径仪及涂覆后位于力轮前端的涂层测径仪控制系统，Ar气液面、压力和流量控制系统，炉温度控制系统以及各自相应的误差信号处理系统及控制拉丝速度的控制机构。若实现一个实用的控制系统，必须考虑影响系统动态响应的许多因素，特别是拉丝机的动态响应。包括控制收线盘和牵引轮的电动机以及机构自身的特性。任何微小的变化，甚至是随机振动或预制棒的颈缩区的气流与温度变化所产生的细微的变化，都会影响拉丝直径的大小，必须细致地设计拉丝机及其环境才能减少这种影响。下面简要介绍中国电子科技集团第八研究所轩传吴、舒福胜等人设计的实用型拉丝机控制系统的构成。
该光纤拉丝机的整个控制系统以PLC为核心，通过PROFIBUS-DP过程控制总线及MPI多点接口在PLC之间、PLC与计算机之间交换信息，指令系统正常运行。PROFIBUS-DP是一种优化的通讯模块，特别适用于对时间要求严格的自动控制系统，它的通信速率是9.6kb/s-12Mb/s，最大的站数是256。运行信号的发出以及系统需要的各种信号的采集，全部依赖计算机与PLC的相互协作来完成。控制系统如图5-3-10所示。
SIEMENS S7-300 PLC同S7-200和测径仪通过PROFIBUS总线构成DP网络，进行高速运算和信息交换，对线径和中心偏差进行实时运算和调节，保证中心点恒定和线径偏差在允许围。其中，S7-300是DP主站，S7-200和测径仪作为DP从站。计算机通过S7-300主站同DP网络交换必要的信息，在系统中计算机的作用是实现人机对话、生产管理、机器运行状态和信息显示、生成历史曲线和历史报表、与企业局域网交换必要的数据。
计算机选用研华公司生产的IPC610系列工业控制计算机。具体配置：PⅢ866CPU，20Gb以上SEGATE硬盘，128Mb存，ACER18英寸平面直角显示器，威达工控键盘，打印机网卡等。
主站PLC的配置：电源模块PS307 5A，CPU模块S7-300CPU 315-2DP，开关量输出模块S7-300 SM322，模拟量输入模块S7-300 SM331，模拟量输出模块S7-300 SM332，特殊功能模块S7-300 FM353. SM322有八路输出点，支持最大电压230V，它完成系统主要开关量的控制。SM331为两路模拟量输入模块，主要是检测氬气流量和牵引速度两路模拟量。SM332为两路模拟量输出模块，这两路模拟量主分别控制氬气流量和牵引速度。FM353主要的任务是完成由步进驱动器执行的定位工作，在这里主要完成光纤预制棒进给的高精度控制，FM353每发出5000个脉冲，送棒电机才转动一圈。
从站PLC是一台S7-200CPU224，它的主要任务是完成对调心机构的控制及报警状态输入，手动操作时，按钮的动作通过它传递到系统中并执行。它有十四点输入控制，所设计的系统只使用了其中的十一点，十点输出。S7-200CPU224输出点的主要功能是实现对X方向和Y方向两个调心电机的控制。
测径仪选用的是英国BETA公司的激光测径仪，该仪器可以测出产品外径以及生产过程中产品中心与系统中心点的偏差，并通过专用PROFIBUS接口部件将数据传送到系统中，供系统使用。
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SR-73是日本岛电公司生产的温控制调节仪，具有与光学高温计连接的接口，并通过RS485端口与工控机连接，将数据传送到计算机，对炉温进行实时控制。
PLC可及时显示系统运行状态及发生的各种异常工况，并根据采集的数据变化进行处理，及时进行调整控制。例如：在生产中，若发现冷却水水压低于系统正常工作时所需的最低压力，或无水供给现象时，当冷却水的水压低于要求正常值的初期，PLC系统就会及时得到信息，立刻发出声光报警并将此信息传送给计算机，同时指出故障的位置，计算机接收到信息后，做出判断并输出指令给加热炉，命令其降温，同时，调节氬气流量，目的是保护加热炉，并控制预制棒馈送系统，使预制棒自动上升离开炉体等一系列动作。
预制棒夹好后，首先要进行预调心，使棒的中心与预定的检测中心重合；然后要预设光纤外径，作为外径回控时的基准，只有生产外观为圆形的产品时才能使用外径自动控制功能。拉丝前将预制棒伸入加热炉中一段距离，使预制棒熔化并在重力作用下落下，稍冷却后，再用手动工具牵线引入牵引装置。此后，由计算机控制生产。生产速度等工艺参数通过人机界面设定，而产品外径等产品参数由计算机自动计录，供查阅与分析之用。
5.3.2光纤的一次涂覆工艺
光纤一次涂覆工艺之所以称为“一次涂覆”是相对二次涂覆而言。一次涂覆是对光纤最直接的保护，所以显得尤为重要。
SiO2玻璃是一种脆性易断裂材料，在不加涂覆材料时，由于光纤在空气中裸露，致使表面缺陷扩大，局部应力集中，易造成光纤强度极低，为保护光纤表面，提高抗拉强度和抗弯曲强度，实现实用化，需要给裸光纤涂覆一层或多层高分子材料，例如：硅酮树脂，聚氨基甲酸乙酯，紫外固化丙烯酸酯等。涂覆层可有效地保护光纤表面，提高光纤的机械强度并隔绝引起微变损耗的外应力，对新拉制出的光纤进行完善的机械保护，避免损伤裸光纤表面，增加光纤的耐磨性，只有涂覆后方可允许光纤与其它表面接触。涂层的作用是使拉制好的光纤表面不受机械损伤，防止裸光纤断裂。在光纤拉丝机上对裸光纤立即进行预涂覆，将它未受侵蚀的、洗净的表面保护好，防止光纤擦伤和受环境污染， 保持光纤连续拉制过程中形成的玻璃原有状态。
光纤的一次涂覆，通常是在拉丝过程中同步进行的。当熔融光纤向下拉制时，光纤表面的微裂纹尚没有与空气中水分、灰尘等发生反应或微裂纹尚没有扩大，就迅速的进行涂覆来保护光纤表面，防止微裂纹的形成或扩大，达到改善光纤的机械特性和传输特性的目的。
一次涂层的层数一般为二层：预涂层和缓冲层。极特殊的情况下可有五层结构。涂层数主要由制造者根据具体的使用环境和光纤结构决定。如选用双涂层，需采用二个分立的涂覆器和固化器，可分二步先后进行涂覆和固化或者双涂后一次固化。涂覆后立即以遥控激光测径仪测量涂覆层与光纤的同心度，并利用误差处理系统进行处理，同时自动地水平移动涂覆器，以获得适宜的涂覆同心度。涂覆同心度是一次涂覆工艺的一大技术关键，它对光纤最终机械强度形成的作用与影响非常严重，需要特别关注。
涂层厚度的考虑，如果仅从机械强度考虑，涂层越厚越好，若综合考虑光纤的传输特性，涂层太厚，不仅在弯曲、拉伸及温度变化时会产生微弯，同时还会成为光纤损耗增加的主要原因，此外，涂层材料的机械特点，也严重影响光纤的传输特性。绝大多数光纤的涂层厚度控制在125-250?m，但特殊光纤的涂层直径高达1000?m，调节涂覆器端头的小孔直径、锥体角度和高分子材料的粘度，可以得到规定厚度的涂覆层材料。
5.3.2.1.一次涂覆工艺
一次涂覆根据所使用的涂覆设备的不同，可以有三种不同的选择工艺：1）灯芯涂覆；2）有引导管涂覆器涂覆；3）自动定心涂覆器涂覆。目前，最常用的是第三种工艺。
1.灯芯涂覆工艺
灯芯涂覆工艺是美国贝尔实验室在光纤涂覆工艺研究的早期研制的一种涂覆工艺，它的基本操作原理是：用Kynar7021液将灯芯沾湿后，使裸光纤穿过沾湿的灯芯中心，涂覆上Kynar7021涂层，并用此溶液与六甲基二硅化氧混合做表面处理液，对涂覆后的光纤进行表面处理。这种方法在一定程度上可以起到防磨损的作用。灯芯由毡垫叠层而成，中间留有中心孔，并浸渍上主要成分为丙酮的Kynar7021液，可涂层厚度在12?m左右。这种方法存在着许多严重的缺陷，例如：纤维毡对光纤表面将会造成磨损、涂层厚度的重复性非常差等。基于此原因，改有低粘性有机硅烷作涂覆液体，并以多孔尿烷泡沫绝缘纸替代纤维毡作灯芯材料，这使得灯芯和裸光纤间的磨损大大减少，但是，夹在泡沫中的某些杂质颗粒仍会造成光纤的磨损。所以这种工艺已很少使用。
2.有引导管涂覆器
基本结构如图5-3-12所示。它主要由盛装涂覆液的容器、无压力作用不銹钢模具、引导管、涂覆液封套等组成。模具位于涂覆器的底部，当光纤穿过涂覆器时，光纤的表面粘附一层涂覆液，这层涂覆液凝固后即成固体涂层，光
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光纤光缆生产实用工艺流程
