題-1_100_100.jpg)
基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 小型自動光纖拉絲機(jī)和特種光纖的拉制
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 隨著信息技術(shù)的發(fā)展和人們對電信業(yè)務(wù)的需求不斷增大，傳統(tǒng)通訊技術(shù)的升級換代越來越迫切。與傳統(tǒng)的電通訊技術(shù)相比，新興的光通訊技術(shù)憑借自身優(yōu)勢，在近幾年得到了長足發(fā)展，而光通訊的核心器件就是光纖。光纖又可以分為普通石英光纖和特種光纖，普通石英光纖主要以光信號傳遞媒介用在光纖通訊系統(tǒng)中，而特種光纖、如各類稀土摻雜光纖、不同結(jié)構(gòu)的光纖等，憑著其特殊的光學(xué)性質(zhì)，在光纖激光器、放大器、超熒光輻射光源等光學(xué)器件中有著廣泛的應(yīng)用。工業(yè)生產(chǎn)用光纖拉絲機(jī)有技術(shù)成熟，產(chǎn)能大等優(yōu)勢，不過在實(shí)驗(yàn)室反復(fù)實(shí)驗(yàn)新樣品的研發(fā)過程中，對這些優(yōu)勢注重不如工業(yè)化生產(chǎn)過程，而可靈活生產(chǎn)不同特性的樣品，結(jié)構(gòu)緊湊、方便實(shí)驗(yàn)室使用卻往往是要優(yōu)先考慮的。為了配合新型光纖器件的研發(fā)，我們小組從對光纖預(yù)制棒的制作、光纖的拉制設(shè)備以及到最終光纖的拉制，均做了深入的研究工作，并開發(fā)出一種適用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下使用的光纖拉絲機(jī)，具有：模塊化設(shè)計(jì)、體積小、小批量拉制、方便對各種材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、價格便宜等優(yōu)勢，既可作為一種制作新型光纖器件的實(shí)驗(yàn)平臺，也可以作為教學(xué)儀器，供各高校開設(shè)實(shí)驗(yàn)課使用。
- 詳細(xì)介紹：
- 新型特種光纖如稀土摻雜光纖、光子晶體光纖等，在光通信、生物醫(yī)學(xué)、光纖傳感、材料加工等眾多領(lǐng)域中有著非常廣泛的應(yīng)用。因此，對新型特種光纖的研發(fā)近些年來一直是國際上的研究熱點(diǎn)之一。其中，光纖預(yù)制棒，光纖拉絲機(jī)以及光纖拉絲工藝等因素直接決定了拉制出光纖的質(zhì)量，并影響到了光纖的使用性能。 目前，市場上出售的多為工業(yè)級光纖拉絲機(jī)，其造價昂貴（一般在百萬元以上）、體積龐大、拉絲速度快，一般只用于拉制普通光纖。所用預(yù)制棒直徑和長度較大，拉絲時參數(shù)一般無需改變。如果采用這些拉絲設(shè)備研制特種光纖，不僅需要根據(jù)特種光纖材料的特性調(diào)整拉絲的參數(shù)，比較麻煩，而且必須采用很大的預(yù)制棒，這對于研究和拉制特種光纖顯然是不經(jīng)濟(jì)的。此外，利用已有的生產(chǎn)線摸索新型光纖的拉絲工藝也不太可能，因?yàn)槠浯鷥r是極其昂貴的。由于上述這些困難，在我國很少有研究小組進(jìn)行新型光纖的開發(fā)，因此，我國國內(nèi)所使用的新型特種光纖基本依賴于外國進(jìn)口。 另外，目前很多高校已經(jīng)將光纖技術(shù)引入到教科書中，甚至將其作為通信、光學(xué)等相關(guān)專業(yè)的必修課程。然而，國內(nèi)高校對于光纖科學(xué)的教學(xué)仍停留在書本階段，商用光纖拉絲機(jī)高額的造價使得高校面對開設(shè)光纖設(shè)計(jì)制造的實(shí)驗(yàn)課程捉襟見肘，從而很難指導(dǎo)學(xué)生將理論知識和實(shí)際技術(shù)相結(jié)合。這一點(diǎn)也是目前高等教育教學(xué)中所普遍存在的重要問題之一。 基于上述考慮，我們研究小組將目標(biāo)鎖定于：科研單位以及高校。以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出了小型自動光纖拉絲機(jī)，利用此拉絲機(jī)制作了預(yù)制棒，并針對多種新型特種光纖進(jìn)行了拉制。本項(xiàng)目的完成對科研單位在低成本下研發(fā)新型特種光纖是一種有益的啟示，同時可以作為高校的教學(xué)儀器，通過親自動手完成光纖的制作，幫助學(xué)生更好地理解光纖的光學(xué)原理，適應(yīng)未來工作的需求，培養(yǎng)出符合社會需求的高等教育人才。 我們以工業(yè)級的商用光纖拉絲機(jī)為藍(lán)本，對現(xiàn)有的多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了整合：將傳統(tǒng)的拉絲機(jī)結(jié)構(gòu)，分解成了多個功能模塊，從而更便于安裝運(yùn)輸；在低速拉絲的條件下，優(yōu)化了光纖拉絲塔的結(jié)構(gòu)，從而有效地減小了光纖拉絲塔的體積；針對小型光纖預(yù)制棒的尺寸設(shè)計(jì)了加熱電爐，并利用電阻絲加熱爐代替了造價昂貴的石墨加熱爐；考慮到光纖材料的透明性以及不同材料折射率的影響，增加了控制軟件的適用范圍；設(shè)計(jì)了一套簡便有效的涂覆系統(tǒng)對拉制出的光纖進(jìn)行保護(hù)。制作出的小型自動光纖拉絲機(jī)可以針對不同的光纖拉制要求調(diào)整改變參數(shù)，具有體積小、價格低、功能完備、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。 本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的小型自動光纖拉絲機(jī)是以適合于特種光纖的研發(fā)及高校的教學(xué)研究為出發(fā)點(diǎn)，參照商用拉絲機(jī)的設(shè)計(jì)思路，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室已有的研究基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)開發(fā)出來的，具有以下創(chuàng)新之處： 1. 具有對多種玻璃材料拉制成光纖的能力。目前國內(nèi)的產(chǎn)品主要針對石英光纖的工業(yè)生產(chǎn)，而本項(xiàng)目的小型光纖拉絲機(jī)可以針對硅酸鹽、磷酸鹽、碲酸鹽等多種材料，設(shè)置光纖拉絲參數(shù)，自動設(shè)定并調(diào)整拉絲方案，大大加強(qiáng)了整個系統(tǒng)對各種特殊光纖的適用性，提高特種材料光纖的研發(fā)效率。 2. 可以拉制成多種規(guī)格的光纖。利用小型特種光纖拉絲機(jī)，我們成功拉制出了不同纖徑的光纖，具有中空結(jié)構(gòu)的光纖以及錐形光纖。 3. 適用于少量玻璃材料（小型預(yù)制棒）。工業(yè)用拉絲機(jī)一般適用于批量生產(chǎn)的大尺寸預(yù)制棒，預(yù)制棒直徑在幾十乃至幾百毫米。在研發(fā)時，制造這么大的預(yù)制棒顯然不經(jīng)濟(jì)。而我們的小型光纖拉絲機(jī)可安裝的預(yù)制棒直徑為6-17 mm，范圍適中，能夠滿足實(shí)驗(yàn)研究使用，又大大節(jié)省了原料。 4. 縮小了光纖拉絲機(jī)的體積。針對實(shí)驗(yàn)室研究不要求高拉絲速度的特點(diǎn)，我們通過理論計(jì)算和反復(fù)實(shí)驗(yàn)，有效地將拉絲機(jī)的體積，特別是高度，控制在了2.5 m左右，僅為商業(yè)拉絲機(jī)體積的10%，并且是目前市場上最小的光纖拉絲機(jī)的1/2。其安裝使用更加靈活方便，特別是對實(shí)驗(yàn)室的空間要求降低了很多，可以安裝在普通房間內(nèi)，而且可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的具體要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)母叨日{(diào)整。 5. 簡化了預(yù)制棒加熱爐。經(jīng)過理論計(jì)算，設(shè)計(jì)并制作了電阻絲加熱方式的加熱爐，既適合于安裝實(shí)驗(yàn)研究使用的小尺寸預(yù)制棒，又簡化了結(jié)構(gòu)、提高了穩(wěn)定性，并使體積大大減小。 6. 模塊化思想，方便安裝。小型光纖拉絲機(jī)分為光纖拉絲塔和控制臺兩部分。光纖拉絲塔由三個高度約為80 cm的可以獨(dú)立拆卸的機(jī)柜羅列組成，其內(nèi)部由可獨(dú)立拆卸的喂料、加熱、溫控、測徑、涂敷、收集等功能模塊組成，方便拆卸及硬件更換升級。 7. 有效降低了光纖拉絲機(jī)的造價。一套由外國研制的工業(yè)用拉絲機(jī)的價格一般在400萬到1000萬之間，國產(chǎn)的拉絲機(jī)價格也在100萬到300萬，而我們所開發(fā)設(shè)計(jì)的小型自動光纖拉絲機(jī)的成本價一般不超過12萬元，不到工業(yè)用拉絲機(jī)的3%。 8. 操作使用方便，更改參數(shù)方便，維護(hù)方便，升級方便。整套拉絲機(jī)僅需1-2人就可操作運(yùn)轉(zhuǎn)，并且，數(shù)控程序的編寫及機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)均由我們獨(dú)立完成并且提供給用戶，為用戶搭建了一套可以方便對其進(jìn)行升級換代的平臺。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 發(fā)明目的： 目前，市場上的工業(yè)級光纖拉絲機(jī)造價昂貴、體積龐大、拉絲速度快，所用預(yù)制棒直徑和長度較大，適用于拉制普通光纖。如果采用其研制特種光纖，不僅需要調(diào)整拉絲的參數(shù)，比較麻煩，而且必須采用很大的預(yù)制棒，這對于特種光纖的研發(fā)顯然是不經(jīng)濟(jì)的。另外，目前很多高校無法開設(shè)光纖制造實(shí)驗(yàn)課程，因?yàn)槌袚?dān)商用拉絲機(jī)高額的造價。 基于上述考慮，我們研究小組將目標(biāo)鎖定于科研單位以及高校，設(shè)計(jì)出了小型自動光纖拉絲機(jī)，利用此拉絲機(jī)制作了預(yù)制棒，并拉制了多種新型特種光纖。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1.具有對多種玻璃材料（硅酸鹽、磷酸鹽、碲酸鹽等）拉制成光纖的能力； 2.可以拉制成多種規(guī)格（錐形光纖、特殊直徑光纖、光子晶體光纖）的光纖； 3.有效縮小了拉絲機(jī)的體積； 4.針對小型光纖預(yù)制棒的尺寸設(shè)計(jì)了電阻絲加熱電爐； 5.有效降低了拉絲機(jī)的造價； 技術(shù)關(guān)鍵： 1.控制程序中各個參數(shù)之間的協(xié)調(diào)與制約，使各個功能模塊完成自動化運(yùn)轉(zhuǎn)； 2.擴(kuò)展性強(qiáng)，可以針對不同材料和不同結(jié)構(gòu)的光纖特性改變拉絲參數(shù)，調(diào)整拉絲方案； 3.針對低速拉絲的特點(diǎn)，對小型自動光纖拉絲機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)； 4.設(shè)計(jì)適合小型預(yù)制棒的加熱爐，并大范圍精確地控制爐內(nèi)溫度； 主要指標(biāo)： 1.可安裝的預(yù)制棒直徑：12-17mm； 2.電爐尺寸及最高溫度：電爐內(nèi)腔圓柱形，直徑35mm，高65mm，最高溫度900℃； 3.可測量直徑：80-250μm； 4.拉絲速度：0.1-1m/s； 5.拉絲柜高度：2.5-3m。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1.光纖拉絲塔內(nèi)部含有各種可獨(dú)立拆卸的功能模塊。較傳統(tǒng)的商用拉絲機(jī)抗干擾能力強(qiáng)，散熱快，方便拆卸，運(yùn)輸。 2.我們通過對光纖冷卻長度理論計(jì)算、對電爐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和基于集成度較高的電子元件的緊湊型控制電路設(shè)計(jì)，將拉絲機(jī)的高度控制在了2.5 m左右，僅為商業(yè)拉絲機(jī)體積的10%，是目前市場上最小拉絲機(jī)的1/2。 3.通過對螺旋型加熱電爐絲的熱分布分析和實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)精簡的小型拉絲爐。不但克服了傳統(tǒng)石墨爐中保護(hù)氣體擾動的影響，還避免了氣體密封困難、結(jié)構(gòu)復(fù)雜體積較大等缺點(diǎn)。 4.考慮到光纖材料的透明性以及不同材料折射率的影響，采用干涉法和衍射法相結(jié)合進(jìn)行直徑測量，并且考慮到不同材料熱學(xué)特性的區(qū)別，增加了升溫速度和拉絲速度的設(shè)定，并可以實(shí)時調(diào)整拉制光纖的纖徑。 5.利用小型光纖拉絲機(jī)設(shè)計(jì)了一套預(yù)制棒的制作方法，比商用預(yù)制棒的用料少，工藝簡單。 6.設(shè)計(jì)了一套適合于小型自動拉絲機(jī)涂覆系統(tǒng)，可以完成商用拉絲機(jī)涂覆設(shè)備的主要功能，但成本大大降低。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2009年2月16日，為香港城市大學(xué)出售一臺該機(jī)器，購買方反映運(yùn)行良好。 第十屆“挑戰(zhàn)杯”南開大學(xué)學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎； 第十屆“挑戰(zhàn)杯”天津市大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎；
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品；模型；圖紙；現(xiàn)場演示；圖片；錄像；樣品
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢： 1.縮小了光纖拉絲機(jī)的體積，安裝使用更加靈活方便； 2.設(shè)計(jì)了性能穩(wěn)定的適合于小型預(yù)制棒拉絲的電阻絲加熱爐； 3.在結(jié)構(gòu)上提出模塊化思想，易于運(yùn)輸，安裝及升級改造； 4.能夠針對不同折射率玻璃材料進(jìn)行光纖直徑的動態(tài)監(jiān)控，增加了拉絲機(jī)的適用范圍； 5.開發(fā)出了新型的光纖涂覆系統(tǒng)，能夠迅速有效地對拉制出來的光纖進(jìn)行涂覆保護(hù)； 市場預(yù)測： 目前以特種光纖為核心所開發(fā)出的設(shè)備已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。為了能占有特種光纖器件的市場，以研發(fā)為主要目標(biāo)的科研單位對光纖拉絲設(shè)備的需求巨大。小型自動光纖拉絲機(jī)是進(jìn)行特種光纖基礎(chǔ)研究不可或缺的設(shè)備。應(yīng)香港城市大學(xué)電子工程學(xué)院的要求，我們已經(jīng)為他們設(shè)計(jì)并安裝了一臺小型自動特種光纖拉絲機(jī)。 另外，目前幾乎所有高校的通信和光學(xué)相關(guān)專業(yè)均設(shè)有光纖類課程，我們開發(fā)的小型自動光纖拉絲機(jī)，其預(yù)計(jì)市場售價不會超過20萬/臺，這將會在教學(xué)儀器領(lǐng)域開辟出很大的市場。
同類課題研究水平概述
- 工業(yè)級光纖拉絲機(jī)基本經(jīng)歷了三代，目前使用的第三代拉絲機(jī)塔高多在20 m以上，拉絲速度一般都在1000 m/min以上，適合于拉制大預(yù)制棒，是目前最常用的拉絲設(shè)備。這些拉絲機(jī)的核心技術(shù)主要由芬蘭耐斯隆公司和日本神戶制鋼等掌握，少部份由英國、法國和美國的相關(guān)公司設(shè)計(jì)制造。 雖然我國在普通光纖生產(chǎn)領(lǐng)域（所用光纖拉絲設(shè)備都是進(jìn)口）已經(jīng)達(dá)到世界一流水平，但是在光纖拉絲機(jī)的設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域還相當(dāng)不成熟。我國一些單位在引進(jìn)的基礎(chǔ)上開發(fā)了一些光纖拉制設(shè)備，其中主要是針對普通光纖開發(fā)設(shè)計(jì)的，如長飛集團(tuán)，在消化吸收國外光纖拉絲機(jī)的基礎(chǔ)上，研發(fā)并自己生產(chǎn)了光纖拉絲機(jī)，高度為26 m。機(jī)械電子工業(yè)部第八研究所研制的纖維拉制設(shè)備主要用于拉制玻璃纖維（不是光學(xué)領(lǐng)域的光纖）。上海優(yōu)力申公司的光纖拉絲機(jī)相對體積較小，所用預(yù)制棒比較小，但是也是針對石英基質(zhì)而設(shè)計(jì)的，體積仍然相對龐大，售價在80萬以上。總體上來說，我國在光纖拉絲機(jī)的研制方面仍處于較低水平。 光纖拉絲機(jī)的研制程度關(guān)系到對新型特種光纖的研發(fā)水平，因而導(dǎo)致我國新型特種光纖的研發(fā)仍處于落后階段。比如在光子晶體光纖研究方面，燕山大學(xué)、上海大學(xué)、西安光機(jī)所等高校與科研單位，以及武漢長飛光纖光纜有限公司、烽火通信科技股份有限公司等少數(shù)幾家國內(nèi)著名的光纖通信企業(yè)也開始了這方面的研制工作。但就目前的研究水平而言，所制備光子晶體光纖與國外先進(jìn)水平還存在一定的差距，距實(shí)用化尚有一段距離。再如在稀土摻雜高增益光纖研究方面，目前國內(nèi)僅有個別單位取得了一些實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步，如華南理工大學(xué)光通信材料研究所成功拉制出高增益鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃光纖，實(shí)現(xiàn)了2.2 dB/cm的凈增益，但與世界一流水平（5 dB/cm）尚有一些差距。各類特種光纖正是很多器件不可或缺的核心組成部分，因此，對各類新型特種光纖的研發(fā)多年來一直是國內(nèi)乃至國際上的研究熱點(diǎn)。隨著新型特種光纖研發(fā)需求的升溫，適合于實(shí)驗(yàn)室中科研是用的小型特種光纖拉絲機(jī)勢必會成為光纖拉絲機(jī)的重要發(fā)展方向之一。 另外，目前國內(nèi)也還沒有特別適合高校教學(xué)中使用的小型自動光纖拉絲機(jī)，隨著光纖實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作重要性的日益凸顯，這方面也將非常具有市場前景。 因此，雖然商用光纖拉絲機(jī)和石英光纖拉絲工藝的發(fā)展已經(jīng)非常成熟，但是，適合于高校科研、教學(xué)的小型自動光纖拉絲機(jī)的開發(fā)和新型特種光纖的拉制還是一個非常新穎而有趣的課題。
