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基本信息
- 項目名稱：
- 小型自動光纖拉絲機和特種光纖的拉制
- 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)用光纖拉絲機有技術(shù)成熟，產(chǎn)能大等優(yōu)勢，不過在實驗室反復(fù)實驗新樣品的研發(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、方便實驗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)出一種適用于實驗室環(huán)境下使用的光纖拉絲機，具有：模塊化設(shè)計、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驗平臺，也可以作為教學(xué)儀器，供各高校開設(shè)實驗課使用。
- 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之一。其中，光纖預(yù)制棒，光纖拉絲機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，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，因為其代價是極其昂貴的。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，商用光纖拉絲機高額的造價使得高校面對開設(shè)光纖設(shè)計制造的實驗課程捉襟見肘，從而很難指導(dǎo)學(xué)生將理論知識和實際技術(shù)相結(jié)合。這一點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。以實驗室現(xiàn)有的技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計出了小型自動光纖拉絲機，利用此拉絲機制作了預(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為藍(lán)本，對現(xiàn)有的多項技術(shù)進(jìn)行了整合：將傳統(tǒng)的拉絲機結(jié)構(gòu)，分解成了多個功能模塊，從而更便于安裝運輸；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。 本項目所設(shè)計的小型自動光纖拉絲機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，參照商用拉絲機的設(shè)計思路，結(jié)合實驗室已有的研究基礎(chǔ)而設(shè)計開發(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)，而本項目的小型光纖拉絲機可以針對硅酸鹽、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，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。而我們的小型光纖拉絲機可安裝的預(yù)制棒直徑為6-17 mm，范圍適中，能夠滿足實驗研究使用，又大大節(jié)省了原料。 4. 縮小了光纖拉絲機的體積。針對實驗室研究不要求高拉絲速度的特點，我們通過理論計算和反復(fù)實驗，有效地將拉絲機的體積，特別是高度，控制在了2.5 m左右，僅為商業(yè)拉絲機體積的10%，并且是目前市場上最小的光纖拉絲機的1/2。其安裝使用更加靈活方便，特別是對實驗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)實驗室的具體要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)母叨日{(diào)整。 5. 簡化了預(yù)制棒加熱爐。經(jīng)過理論計算，設(shè)計并制作了電阻絲加熱方式的加熱爐，既適合于安裝實驗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的可以獨立拆卸的機柜羅列組成，其內(nèi)部由可獨立拆卸的喂料、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的造價。一套由外國研制的工業(yè)用拉絲機的價格一般在400萬到1000萬之間，國產(chǎn)的拉絲機價格也在100萬到300萬，而我們所開發(fā)設(shè)計的小型自動光纖拉絲機的成本價一般不超過12萬元，不到工業(yè)用拉絲機的3%。 8. 操作使用方便，更改參數(shù)方便，維護(hù)方便，升級方便。整套拉絲機僅需1-2人就可操作運轉(zhuǎn)，并且，數(shù)控程序的編寫及機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計均由我們獨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、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、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)濟的。另外，目前很多高校無法開設(shè)光纖制造實驗課程，因為承擔(dān)商用拉絲機高額的造價。 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)計出了小型自動光纖拉絲機，利用此拉絲機制作了預(yù)制棒，并拉制了多種新型特種光纖。 創(chuàng)新點： 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.有效縮小了拉絲機的體積； 4.針對小型光纖預(yù)制棒的尺寸設(shè)計了電阻絲加熱電爐； 5.有效降低了拉絲機的造價； 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轉(zhuǎn)； 2.擴展性強，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，對小型自動光纖拉絲機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計； 4.設(shè)計適合小型預(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)部含有各種可獨立拆卸的功能模塊。較傳統(tǒng)的商用拉絲機抗干擾能力強，散熱快，方便拆卸，運輸。 2.我們通過對光纖冷卻長度理論計算、對電爐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和基于集成度較高的電子元件的緊湊型控制電路設(shè)計，將拉絲機的高度控制在了2.5 m左右，僅為商業(yè)拉絲機體積的10%，是目前市場上最小拉絲機的1/2。 3.通過對螺旋型加熱電爐絲的熱分布分析和實驗，設(shè)計了結(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。 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，并可以實時調(diào)整拉制光纖的纖徑。 5.利用小型光纖拉絲機設(shè)計了一套預(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)計了一套適合于小型自動拉絲機涂覆系統(tǒng)，可以完成商用拉絲機涂覆設(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)出售一臺該機器，購買方反映運行良好。 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
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、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)濟效益預(yù)測
- 技術(shù)特點和優(yōu)勢： 1.縮小了光纖拉絲機的體積，安裝使用更加靈活方便； 2.設(shè)計了性能穩(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)計并安裝了一臺小型自動特種光纖拉絲機。 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，其預(yù)計市場售價不會超過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)級光纖拉絲機基本經(jīng)歷了三代，目前使用的第三代拉絲機塔高多在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，但是在光纖拉絲機的設(shè)計制造領(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)計的，如長飛集團(tuán)，在消化吸收國外光纖拉絲機的基礎(chǔ)上，研發(fā)并自己生產(chǎn)了光纖拉絲機，高度為26 m。機械電子工業(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)計的，體積仍然相對龐大，售價在80萬以上?？傮w上來說，我國在光纖拉絲機的研制方面仍處于較低水平。 光纖拉絲機的研制程度關(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。隨著新型特種光纖研發(fā)需求的升溫，適合于實驗室中科研是用的小型特種光纖拉絲機勢必會成為光纖拉絲機的重要發(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，隨著光纖實驗教學(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?？蒲?、教學(xué)的小型自動光纖拉絲機的開發(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。
