Способ контроля диаметра стекла одножильных световодов в процессе технологической вытяжки

01 11/08, 01 21/41, 01 21/45 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ КОНТРОЛЯ ДИАМЕТРА СТЕКЛА ОДНОЖИЛЬНЫХ СВЕТОВОДОВ В ПРОЦЕССЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ВЫТЯЖКИ(71) Заявитель Институт электроники Академии наук Беларуси(73) Патентообладатель Институт электроники Академии наук Беларуси(57) Способ контроля диаметра текла одножильных световодов в процессе технологической вытяжки, при котором формируют ряд дифракционных максимумов, выделяют две пары максимумов одноименных порядков, освещают первой парой пучков контролируемый световод, второй парой - эталонный световод, непрерывно изменяют фазы дифрагированных волн в пучках, регистрируют распределение интенсивности излучения в виде движущихся интерференционных полос в прямом и отраженном излучении от контролируемого световода и в прямом излучении от эталонного световода и вычисляют погрешность показателя преломления стекла и с ее учетом погрешность диаметра стекла световода по относительной разности фаз фотоэлектрических сигналов прямого и отраженного излучения, отличающийся тем, что дополнительно выделяют третью пару пучков одного дифракционного максимума, освещают ею контролируемый световод,считывают интерференционную картину, сформированную в плоскости изображения в прямом или отраженном излучении, по частоте перемещения полос которой определяют изменение вязкости исходной стекломассы, а погрешность диаметра стекла световода вычисляют с учетом этого изменения.(56) 1., 1977,16,9, 2395-2402. 2. А.с. СССР 1649256, МКИ 01 11/00, 1991. 3. А.с. СССР 1827540, МКИ 01 11/10, 1993 (прототип). 4. Заводская лаборатория. - 1994. - 6. - С. 35-38. Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для измерения диаметра прозрачных оптических волокон (ОВ) и одножильных световодов (ОС) с одно- и двухоболочечной структурой преимущественно в режиме технологической вытяжки. Известен способ измерения диаметра оптического волокна 1, заключающийся в освещении волокна параллельным пучком перпендикулярно его оси и регистрации интерференционных полос, образованных в области взаимодействия преломленных и отраженных лучей, по числу полос в заданном угловом интервале вычисляют диаметр волокна. Способ не обеспечивает требуемой точности измерения из-за наличия ошибки, возникающей вследствие существенной неэквидистантности периода интерференционных полос. Кроме того, способ не обеспечивает контроль показателя преломления стекла вытягиваемых волокон и контроля вязкости исходной стекломассы. Следовательно, функциональные возможности данного способа существенно ограничены. Известен также способ контроля диаметра волокон и одножильных световодов 2, заключающийся в том,что расщепляют когерентный пучок на ряд дифракционных максимумов, выделяют две пары максимумов одноименных порядков, освещают соответственно первой парой пучков контролируемый световод, второй парой пучков - эталонный световод, непрерывно изменяют фазы дифрагированных волн в пучках, регистрируют распределение интенсивности излучения в виде движущихся интерференционных полос от обоих световодов, вычисляют погрешность изготовления контролируемого световода по относительной разности фаз фотоэлектрических сигналов. Данный способ также не обеспечивает требуемой точности измерений из-за невозможности учета изменений показателя преломления стекла и учета изменений вязкости исходной стекломассы, которые могут происходить как под воздействием факторов окружающей среды (изменения температуры, давления, влажности), так и внутренних факторов (неоднородности стеклянной массы заготовок от образца к образцу,наличия примесей и посторонних включений). Наиболее близким техническим решением является способ контроля диаметра одножильных световодов 3, заключающийся в том, что формируют ряд дифракционных максимумов, выделяют две пары максимумов одноименных порядков, освещают соответственно первой парой пучков контролируемый световод, второй парой - эталонный световод, непрерывно изменяют фазы дифрагированных волн в пучках, регистрируют распределение интенсивности излучения в виде движущихся интерференционных полос в прямом и отраженном излучении от контролируемого световода и в прямом излучении от эталонного световода, вычисляют погрешности изготовления контролируемого световода и показателя преломления стекла по относительной разности фаз фотоэлектрических сигналов прямого и отраженного излучения. Точность контроля диаметра световодов также недостаточна из-за наличия динамических ошибок измерения диаметра волокна в процессе его вытяжки, связанных с его угловыми перекосами на измерительной позиции. Последние возникают из-за неравномерности скорости вытяжки, неизбежных поперечных вибраций ОС, вызванных непостоянством вязкости исходной стекломассы или штабика. Например, уменьшение вязкости приводит к наплыву стекла (увеличению его диаметра) и искривлению свободного участка волокна. При этом ошибка измерения может составить от нескольких единиц до десятков микрометра. Техническая задача, которую позволяет решить предлагаемое изобретение - повышение точности контроля диаметра и показателя преломления стекла одножильных световодов с одновременным расширением его функциональных возможностей за счет обеспечения контроля вязкости исходной стекломассы. Поставленная техническая задача достигается тем, что в известном способе контроля диаметра одножильных световодов, заключающемся в том, что формируют ряд дифракционных максимумов, выделяют две пары максимумов одноименных порядков, освещают первой парой пучков контролируемый световод, второй парой - эталонный световод, непрерывно изменяют фазы дифрагированных волн в пучках, регистрируют распределение интенсивности излучения в виде движущихся интерференционных полос в прямом и отраженном излучении от контролируемого световода и в прямом излучении от эталонного световода и вычисляют погрешность показателя преломления стекла и с ее учетом погрешность диаметра стекла световода по относительной разности фаз фотоэлектрических сигналов прямого и отраженного излучения, дополнительно выделяют третью пару пучков одного дифракционного максимума, освещают ею контролируемый световод,считывают интерференционную картину, сформированную в плоскости изображения в прямом или отраженном излучении, по частоте перемещения полос которой определяют изменение вязкости исходной стекломассы, а погрешность диаметра стекла световода вычисляют с учетом этого изменения . 2 1614 1 На точность контроля одножильных световодов при их автоматической вытяжке существенное влияние оказывает непостоянство вязкости исходной стекломассы, приводящее либо к утонениям световода, либо к наплывам стекла и, следовательно, увеличению его диаметра. Поэтому необходимым является контроль не только геометрических (диаметра, овальность) и оптических(показателя преломления, прозрачности) параметров ОС, но и вязкости стекломассы, ее температуры, динамического состояния объекта на измерительной позиции. Характерной особенностью известного способа 3 является то, что интерференционная картина, считываемая фотоприемниками, несет в себе информацию не только о диаметре или овальности ОС и показателе преломления материала ОС, но и, в частности, о вязкости стекломассы. Последняя заложена в частоте интерференционного сигнала, составной частью которой являются поперечные смещения ОС на измерительной позиции (вибрации). Однако выделить полезную информацию из интерференционной картины с помощью указанного способа не представляется возможным. Поэтому нами предлагается новый способ, позволяющий уже на стадии оптического преобразования выделить необходимую нам измерительную информацию. Третья пара освещающих объект пучков формируется на базе уже имеющихся дифракционных максимумов. Выделяется часть пучка первого бокового максимума, и с помощью бипризмы две половинки этого пучка совмещаются под углом интерференции на контролируемом световоде. Очевидно, что если для формирования интерференционных полос используется один и тот же дифракционный максимум, то эти полосы не перемещаются при вращении радиального растра, поэтому мы назвали их - стационарные интерференционные полосы (СИП) в отличие от первых двух, которые являются динамическими. Полученная СИП передается контролируемым световодом (Оск), как линзой, в плоскость изображения. Легко увидеть, что только при поперечном смещении ОСк на измерительной позиции, вызванном его вибрациями и изменением вязкости стекломассы, СИП смещаются в том же направлении, что и ОСк, поэтому возможно их фотоэлектрическое считывание. Так как свободное пространство световода от фильеры до тянущего механизма составляет около 1,5 метров, то ОСк свободно колеблется (подобно струне) с частотой, обусловленной степенью натяжения (в данном случае вязкостью стекломассы), и массой свободного участка//2,(1) где- сила натяжения- масса свободного участка Оск- длина свободного участка. При постоянном тянущем усилии сила натяженияопределяется только вязкостью стекломассы и гидростатическим напором. В общем виде диаметр вытягиваемого волокна можно рассчитать по формуле 5,54 ф/ф,где Н - гидростатический напор- скорость вытяжки ф и ф - длина и диаметр фильеры- кинематическая вязкость стекломассы. Массасвободного участка определяется из выражения,(3) где 2 - площадь поперечного сечения,- радиус Оск,- удельный вес стекла. Для вычисления диаметра 2 показателя преломленияОС следует пользоваться формулами, приведенными, например, в 4 при(п 360)/(п 360/н) прииот 0,(5) где н и н соответственно номинальное значение радиуса и показателя преломления ОСп - текущая фаза измерительного сигналаот - фаза отраженного сигнала. Способ осуществляют следующей совокупностью операций. Когерентный коллимированный пучок расщепляют на дифракционные порядки 0,-1 и 1. Дополнительно 0 порядок расщепляют еще на два пучка 0 и 0. После этого формируют две пары пучков -10 и 10, использующихся для освещения контролируемого и эталонного световодов. Непрерывно и синхронно изменяют фазу дифрагированных волн в пучках каждой пары. За контролируемым световодом в прямом направлении излучения формируют динамическую и статическую интерференционные картины, а в направлении отраженного излучения - только динамическую. За эталонным световодом в прямом направлении так же формируют только динамическую интерференционную картину. За счет изменения фазы в пучках интерференционные полосы во всех трех картинах перемещаются с частотой, пропорциональной частоте изменения фазы, и регистрируются в плоскости анализа. Период полос,сформированных в прямом направлении, функционально связан с диаметром световода и с его показателем преломления. Период отраженной от контролируемого световода интерференционной картины находится в функциональной зависимости только от внешнего диаметра. Путем сравнения этих периодов вычисляют погрешность показателя преломления стекла и с его учетом погрешность диаметра световода. Если периоды 3 1614 1 равны, то это означает, что показатель преломления либо постоянен, либо изменился при постоянном диаметре. Последнее определяется в сравнении с интерференционной картиной от эталонного световода. Если периоды не равны при неизменном диаметре, то, следовательно, показатель преломления имеет новое значение. После сравнения вычисляют погрешности изготовления световода и изменения показателя преломления стекла по относительной разности фаз фотоэлектрических сигналов. Одновременно считывают статическую интерференционную картину, интерференционные полосы в которой перемещаются только в случае поперечных смещений (низкочастотных вибраций) свободного участка световода. По частоте этого интерференционного сигнала судят об изменении вязкости исходной стекломассы. Покажем, что действительно существует аналитическая связь между вязкостью и частотой низкочастотных вибраций в процессе вытяжки световода. Выделим из (1) параметрс учетом того, что 2 / 4(8)5,5422 ф 22 /фтак как параметры , , ф, , ф иможно принять постоянными величинами и учитывать через коэффициент пропорциональности , то/(2).(9) Таким образом, вязкость стекломассы находится в квадратической зависимости от частоты поперечных смещений световода на измерительной позиции. Следовательно, измеряя частоту смешений интерференционных поло статической интерференционной картины мы можем судить об изменении вязкости стекломассы. На фигуре представлена принципиальная схема устройства для осуществления предлагаемого способа контроля одножильных световодов, где 1- лазер, 2 - фокусирующая линза, 3 - радиальный растр 4 - светоделитель 5 - первый оптический клин 6 - зеркало 7 - второй оптический клин 8 - бипризма 9,10,11,12,13,14 и 15 - первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой фотоприемники ОСэ и ОСк соответственно эталонный и контролируемый оптические световоды 1, 1, 0, 0, 0, -1 и -1 - порядки дифракцииэ,, с иот соответственно интерференционные картины от эталонного световода и от контролируемого в прямом (динамическая и статическая) и отраженном излучениии- угол сходимости пучков соответственно на контролируемом и эталонном световодах- угловая скорость вращения растра. Способ реализован следующим образом. Луч от лазера 1 преобразуют в сходящийся пучок посредством фокусирующей линзы 2 и направляют на вращающийся радиальный растр 3. Монопучок дифрагирует на растре с образованием ряда дифракционных максимумов, изменение световой волны в которых пропорционально скорости вращения растра. От радиального растра формируются две пары пучков. Первая - 0 -1 пучками, прошедшими светоделитель 4 и клин 5. Вторая -01 пучками, отраженными от светоделителя 4 и зеркала 6. Пучок, прошедший клин 5, дополнительно расщепляют по фронту на два равных пучка -1 и -1 с одновременной коррекцией направления распространения пучка - 1 под угломк пучку 0. Пара пучков -1 0 пересекается в районе контролируемого световода ОСк с формированием первой динамической интерференционной картины в прямом излучениик, регистрируемой первым 9 и вторым 10 фотоприемниками. Эт же пара пучков в отраженном от боковой поверхности световода излучении формирует другую интерференционную картинуот, которая считывается третьим 11 и четвертым 12 фотоприемниками. Вторая пара пучков пересекается в районе эталонного световода с формированием эталонной интерференционой картины, регистрируемой пятым 13 и шестым 14 фотоприемниками. Пучок -1 поступает на бипризму 8, пройдя которую, образует третью пару пучков, которые интерферирует на соседнем участке контролируемого световода ОСк с образованием в плоскости анализа статической интерференционной картины 0. Последняя считывается седьмым 15 фотоприемником, по частоте сигнала с которого вычисляют значение вязкости исходной стекломассы. При вращении радиального растра 3 достигается абсолютная синхронность в оптических и электрических сигналах. Изменение размера ОСк или показателя преломления приводят к изменению периода интерференционных сигналов в пропорциональной зависимости, а возникающая разность фаз при сравнении с периодом интерференционного сигнала от Осэ будет пропорциональна погрешности изготовления ОСк и изменению показателя преломления стекла. Реализация способа осуществлялась на установке автоматического управления формообразованием волоконно-оптических элементов (ДБТ 3253.00.00.000 ТО Институт электроники АН Б)по оптической схеме фиг. В устройство входили лазер ЛГН-302, фокусирующая линза, радиальный растр диаметром 80 мм с шагом штрихов 10 мкм, полупрозрачный светоделитель, оптический клин с углом при вершине (-) / ( - 1), где- угол дифракции пучков выделяемых порядков на растре,-угол, под которым распространяются пучки 1614 1 относительно центральной оптической оси- показатель преломления стекла фотоприемники ФД-256 и блок электроники на базе ППЭВМ ЕС 1841. Таким образам, предложенный способ обладает более широкими функциональными возможностями и точностью контроля диаметра и показателя преломления стекла световодов за счет измерения изменения вязкости исходной стекломассы в процессе их непрерывной вытяжки и учета этого изменения при вычислении текущего диаметра световода. оставитель Н.Б. Суханова Редактор В.Н. Позняк Корректоры С.А. Тикач, А.М. Бычко Заказ 2843 Тираж 20 экз. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 5