基本信息
- 项目名称：
- 小型自动光纤拉丝机和特种光纤的拉制
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 随着信息技术的发展和人们对电信业务的需求不断增大，传统通讯技术的升级换代越来越迫切。与传统的电通讯技术相比，新兴的光通讯技术凭借自身优势，在近几年得到了长足发展，而光通讯的核心器件就是光纤。光纤又可以分为普通石英光纤和特种光纤，普通石英光纤主要以光信号传递媒介用在光纤通讯系统中，而特种光纤、如各类稀土掺杂光纤、不同结构的光纤等，凭着其特殊的光学性质，在光纤激光器、放大器、超荧光辐射光源等光学器件中有着广泛的应用。工业生产用光纤拉丝机有技术成熟，产能大等优势，不过在实验室反复实验新样品的研发过程中，对这些优势注重不如工业化生产过程，而可灵活生产不同特性的样品，结构紧凑、方便实验室使用却往往是要优先考虑的。为了配合新型光纤器件的研发，我们小组从对光纤预制棒的制作、光纤的拉制设备以及到最终光纤的拉制，均做了深入的研究工作，并开发出一种适用于实验室环境下使用的光纤拉丝机，具有：模块化设计、体积小、小批量拉制、方便对各种材料和结构进行参数设置、价格便宜等优势，既可作为一种制作新型光纤器件的实验平台，也可以作为教学仪器，供各高校开设实验课使用。
- 详细介绍：
- 新型特种光纤如稀土掺杂光纤、光子晶体光纤等，在光通信、生物医学、光纤传感、材料加工等众多领域中有着非常广泛的应用。因此，对新型特种光纤的研发近些年来一直是国际上的研究热点之一。其中，光纤预制棒，光纤拉丝机以及光纤拉丝工艺等因素直接决定了拉制出光纤的质量，并影响到了光纤的使用性能。 目前，市场上出售的多为工业级光纤拉丝机，其造价昂贵（一般在百万元以上）、体积庞大、拉丝速度快，一般只用于拉制普通光纤。所用预制棒直径和长度较大，拉丝时参数一般无需改变。如果采用这些拉丝设备研制特种光纤，不仅需要根据特种光纤材料的特性调整拉丝的参数，比较麻烦，而且必须采用很大的预制棒，这对于研究和拉制特种光纤显然是不经济的。此外，利用已有的生产线摸索新型光纤的拉丝工艺也不太可能，因为其代价是极其昂贵的。由于上述这些困难，在我国很少有研究小组进行新型光纤的开发，因此，我国国内所使用的新型特种光纤基本依赖于外国进口。 另外，目前很多高校已经将光纤技术引入到教科书中，甚至将其作为通信、光学等相关专业的必修课程。然而，国内高校对于光纤科学的教学仍停留在书本阶段，商用光纤拉丝机高额的造价使得高校面对开设光纤设计制造的实验课程捉襟见肘，从而很难指导学生将理论知识和实际技术相结合。这一点也是目前高等教育教学中所普遍存在的重要问题之一。 基于上述考虑，我们研究小组将目标锁定于：科研单位以及高校。以实验室现有的技术为基础，设计出了小型自动光纤拉丝机，利用此拉丝机制作了预制棒，并针对多种新型特种光纤进行了拉制。本项目的完成对科研单位在低成本下研发新型特种光纤是一种有益的启示，同时可以作为高校的教学仪器，通过亲自动手完成光纤的制作，帮助学生更好地理解光纤的光学原理，适应未来工作的需求，培养出符合社会需求的高等教育人才。 我们以工业级的商用光纤拉丝机为蓝本，对现有的多项技术进行了整合：将传统的拉丝机结构，分解成了多个功能模块，从而更便于安装运输；在低速拉丝的条件下，优化了光纤拉丝塔的结构，从而有效地减小了光纤拉丝塔的体积；针对小型光纤预制棒的尺寸设计了加热电炉，并利用电阻丝加热炉代替了造价昂贵的石墨加热炉；考虑到光纤材料的透明性以及不同材料折射率的影响，增加了控制软件的适用范围；设计了一套简便有效的涂覆系统对拉制出的光纤进行保护。制作出的小型自动光纤拉丝机可以针对不同的光纤拉制要求调整改变参数，具有体积小、价格低、功能完备、性能稳定等优点。 本项目所设计的小型自动光纤拉丝机是以适合于特种光纤的研发及高校的教学研究为出发点，参照商用拉丝机的设计思路，结合实验室已有的研究基础而设计开发出来的，具有以下创新之处： 1. 具有对多种玻璃材料拉制成光纤的能力。目前国内的产品主要针对石英光纤的工业生产，而本项目的小型光纤拉丝机可以针对硅酸盐、磷酸盐、碲酸盐等多种材料，设置光纤拉丝参数，自动设定并调整拉丝方案，大大加强了整个系统对各种特殊光纤的适用性，提高特种材料光纤的研发效率。 2. 可以拉制成多种规格的光纤。利用小型特种光纤拉丝机，我们成功拉制出了不同纤径的光纤，具有中空结构的光纤以及锥形光纤。 3. 适用于少量玻璃材料（小型预制棒）。工业用拉丝机一般适用于批量生产的大尺寸预制棒，预制棒直径在几十乃至几百毫米。在研发时，制造这么大的预制棒显然不经济。而我们的小型光纤拉丝机可安装的预制棒直径为6-17 mm，范围适中，能够满足实验研究使用，又大大节省了原料。 4. 缩小了光纤拉丝机的体积。针对实验室研究不要求高拉丝速度的特点，我们通过理论计算和反复实验，有效地将拉丝机的体积，特别是高度，控制在了2.5 m左右，仅为商业拉丝机体积的10%，并且是目前市场上最小的光纤拉丝机的1/2。其安装使用更加灵活方便，特别是对实验室的空间要求降低了很多，可以安装在普通房间内，而且可以根据实验室的具体要求进行适当的高度调整。 5. 简化了预制棒加热炉。经过理论计算，设计并制作了电阻丝加热方式的加热炉，既适合于安装实验研究使用的小尺寸预制棒，又简化了结构、提高了稳定性，并使体积大大减小。 6. 模块化思想，方便安装。小型光纤拉丝机分为光纤拉丝塔和控制台两部分。光纤拉丝塔由三个高度约为80 cm的可以独立拆卸的机柜罗列组成，其内部由可独立拆卸的喂料、加热、温控、测径、涂敷、收集等功能模块组成，方便拆卸及硬件更换升级。 7. 有效降低了光纤拉丝机的造价。一套由外国研制的工业用拉丝机的价格一般在400万到1000万之间，国产的拉丝机价格也在100万到300万，而我们所开发设计的小型自动光纤拉丝机的成本价一般不超过12万元，不到工业用拉丝机的3%。 8. 操作使用方便，更改参数方便，维护方便，升级方便。整套拉丝机仅需1-2人就可操作运转，并且，数控程序的编写及机械结构的设计均由我们独立完成并且提供给用户，为用户搭建了一套可以方便对其进行升级换代的平台。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的： 目前，市场上的工业级光纤拉丝机造价昂贵、体积庞大、拉丝速度快，所用预制棒直径和长度较大，适用于拉制普通光纤。如果采用其研制特种光纤，不仅需要调整拉丝的参数，比较麻烦，而且必须采用很大的预制棒，这对于特种光纤的研发显然是不经济的。另外，目前很多高校无法开设光纤制造实验课程，因为承担商用拉丝机高额的造价。 基于上述考虑，我们研究小组将目标锁定于科研单位以及高校，设计出了小型自动光纤拉丝机，利用此拉丝机制作了预制棒，并拉制了多种新型特种光纤。 创新点： 1.具有对多种玻璃材料（硅酸盐、磷酸盐、碲酸盐等）拉制成光纤的能力； 2.可以拉制成多种规格（锥形光纤、特殊直径光纤、光子晶体光纤）的光纤； 3.有效缩小了拉丝机的体积； 4.针对小型光纤预制棒的尺寸设计了电阻丝加热电炉； 5.有效降低了拉丝机的造价； 技术关键： 1.控制程序中各个参数之间的协调与制约，使各个功能模块完成自动化运转； 2.扩展性强，可以针对不同材料和不同结构的光纤特性改变拉丝参数，调整拉丝方案； 3.针对低速拉丝的特点，对小型自动光纤拉丝机的结构优化设计； 4.设计适合小型预制棒的加热炉，并大范围精确地控制炉内温度； 主要指标： 1.可安装的预制棒直径：12-17mm； 2.电炉尺寸及最高温度：电炉内腔圆柱形，直径35mm，高65mm，最高温度900℃； 3.可测量直径：80-250μm； 4.拉丝速度：0.1-1m/s； 5.拉丝柜高度：2.5-3m。
科学性、先进性
- 1.光纤拉丝塔内部含有各种可独立拆卸的功能模块。较传统的商用拉丝机抗干扰能力强，散热快，方便拆卸，运输。 2.我们通过对光纤冷却长度理论计算、对电炉结构的优化设计和基于集成度较高的电子元件的紧凑型控制电路设计，将拉丝机的高度控制在了2.5 m左右，仅为商业拉丝机体积的10%，是目前市场上最小拉丝机的1/2。 3.通过对螺旋型加热电炉丝的热分布分析和实验，设计了结构精简的小型拉丝炉。不但克服了传统石墨炉中保护气体扰动的影响，还避免了气体密封困难、结构复杂体积较大等缺点。 4.考虑到光纤材料的透明性以及不同材料折射率的影响，采用干涉法和衍射法相结合进行直径测量，并且考虑到不同材料热学特性的区别，增加了升温速度和拉丝速度的设定，并可以实时调整拉制光纤的纤径。 5.利用小型光纤拉丝机设计了一套预制棒的制作方法，比商用预制棒的用料少，工艺简单。 6.设计了一套适合于小型自动拉丝机涂覆系统，可以完成商用拉丝机涂覆设备的主要功能，但成本大大降低。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年2月16日，为香港城市大学出售一台该机器，购买方反映运行良好。 第十届“挑战杯”南开大学学生课外学术科技作品竞赛特等奖； 第十届“挑战杯”天津市大学生课外学术科技作品竞赛特等奖；
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品；模型；图纸；现场演示；图片；录像；样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势： 1.缩小了光纤拉丝机的体积，安装使用更加灵活方便； 2.设计了性能稳定的适合于小型预制棒拉丝的电阻丝加热炉； 3.在结构上提出模块化思想，易于运输，安装及升级改造； 4.能够针对不同折射率玻璃材料进行光纤直径的动态监控，增加了拉丝机的适用范围； 5.开发出了新型的光纤涂覆系统，能够迅速有效地对拉制出来的光纤进行涂覆保护； 市场预测： 目前以特种光纤为核心所开发出的设备已经产生了巨大的经济效益。为了能占有特种光纤器件的市场，以研发为主要目标的科研单位对光纤拉丝设备的需求巨大。小型自动光纤拉丝机是进行特种光纤基础研究不可或缺的设备。应香港城市大学电子工程学院的要求，我们已经为他们设计并安装了一台小型自动特种光纤拉丝机。 另外，目前几乎所有高校的通信和光学相关专业均设有光纤类课程，我们开发的小型自动光纤拉丝机，其预计市场售价不会超过20万/台，这将会在教学仪器领域开辟出很大的市场。
同类课题研究水平概述
- 工业级光纤拉丝机基本经历了三代，目前使用的第三代拉丝机塔高多在20 m以上，拉丝速度一般都在1000 m/min以上，适合于拉制大预制棒，是目前最常用的拉丝设备。这些拉丝机的核心技术主要由芬兰耐斯隆公司和日本神户制钢等掌握，少部份由英国、法国和美国的相关公司设计制造。 虽然我国在普通光纤生产领域（所用光纤拉丝设备都是进口）已经达到世界一流水平，但是在光纤拉丝机的设计制造领域还相当不成熟。我国一些单位在引进的基础上开发了一些光纤拉制设备，其中主要是针对普通光纤开发设计的，如长飞集团，在消化吸收国外光纤拉丝机的基础上，研发并自己生产了光纤拉丝机，高度为26 m。机械电子工业部第八研究所研制的纤维拉制设备主要用于拉制玻璃纤维（不是光学领域的光纤）。上海优力申公司的光纤拉丝机相对体积较小，所用预制棒比较小，但是也是针对石英基质而设计的，体积仍然相对庞大，售价在80万以上。总体上来说，我国在光纤拉丝机的研制方面仍处于较低水平。 光纤拉丝机的研制程度关系到对新型特种光纤的研发水平，因而导致我国新型特种光纤的研发仍处于落后阶段。比如在光子晶体光纤研究方面，燕山大学、上海大学、西安光机所等高校与科研单位，以及武汉长飞光纤光缆有限公司、烽火通信科技股份有限公司等少数几家国内著名的光纤通信企业也开始了这方面的研制工作。但就目前的研究水平而言，所制备光子晶体光纤与国外先进水平还存在一定的差距，距实用化尚有一段距离。再如在稀土掺杂高增益光纤研究方面，目前国内仅有个别单位取得了一些实质性的进步，如华南理工大学光通信材料研究所成功拉制出高增益铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤，实现了2.2 dB/cm的净增益，但与世界一流水平（5 dB/cm）尚有一些差距。各类特种光纤正是很多器件不可或缺的核心组成部分，因此，对各类新型特种光纤的研发多年来一直是国内乃至国际上的研究热点。随着新型特种光纤研发需求的升温，适合于实验室中科研是用的小型特种光纤拉丝机势必会成为光纤拉丝机的重要发展方向之一。 另外，目前国内也还没有特别适合高校教学中使用的小型自动光纤拉丝机，随着光纤实验教学工作重要性的日益凸显，这方面也将非常具有市场前景。 因此，虽然商用光纤拉丝机和石英光纤拉丝工艺的发展已经非常成熟，但是，适合于高校科研、教学的小型自动光纤拉丝机的开发和新型特种光纤的拉制还是一个非常新颖而有趣的课题。
