光纤预制件、传感光纤以及光纤预制件的制备方法.pdf

1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410618701.1 (22)申请日 2014.11.06 C03B 37/012(2006.01) C03B 37/018(2006.01) G02B 6/02(2006.01) (71)申请人 国家电网公司 地址 100031 北京市西城区西长安街 86 号 申请人 国网甘肃省电力公司刘家峡水电厂 (72)发明人 沈利平 王恩选 别必鹏 李永清 苟小军 曾需要 马春泉 林红磊 方兵 (74)专利代理机构 北京科亿知识产权代理事务 所 ( 普通合伙 ) 11350 代理人 李晓林 (54) 发明名称 光纤预制件、 传感光纤以及光

2、纤预制件的制 备方法 (57) 摘要 本发明涉及光纤技术领域， 特别是涉及一种 光纤预制件、 由该光纤预制件拉伸制备的水轮发 电机定子铁芯传感光纤、 以及该光纤预制件的制 备方法。 其中， 本发明对光纤预制件中芯部分和包 层部分的材料进行了改进， 该光纤预制件形成的 传感光纤在弯曲或受到挤压时， 光损耗效益明显 ； 本发明对传感光纤的涂覆层和光纤紧套层的材料 进行了改进， 以提高其抗高温性能， 且采用并列设 置的两个光纤单元， 以满足定子铁芯状态监测中 的多重功能 ； 本发明的光纤预制件的制备方法简 单。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利

3、要求书1页 说明书5页 附图1页 (10)申请公布号 CN 104402212 A (43)申请公布日 2015.03.11 CN 104402212 A 1/1 页 2 1. 一种光纤预制件， 由二氧化硅基玻璃构成， 其特征在于， 该光纤预制件包括 ： 通过拉伸而形成为光纤的芯区域的芯部分 ； 通过拉伸而形成为所述光纤的包层区域的包层部分， 所述包层部分位于所述芯部分的 外周 ； 其中， 所述芯部分为无掺杂的二氧化硅基玻璃， 所述包层部分为掺杂有硼和氟的二氧 化硅基玻璃。 2. 根据权利要求 1 所述的光纤预制件， 其特征在于， 所述包层部分为 SiO2-SiF4-B2O3材 料。 3. 根

4、据权利要求 2 所述的水轮发电机定子铁芯传感光纤， 其特征在于， 所述包层部分 的 SiO2-SiF4-B2O3材料中氟的重量百分比为 1.52%、 硼的重量百分比为 4.55%。 4. 根据权利要求 3 所述的水轮发电机定子铁芯传感光纤， 其特征在于， 所述包层部分 的 SiO2-SiF4-B2O3材料中氟的重量百分比为 1.61.8%、 硼的重量百分比为 4.64.8%。 5. 一种水轮发电机定子铁芯传感光纤， 其特征在于， 包括并列设置的两个光纤单元， 以 及包覆于所述光纤单元外、 将两个光纤单元一体地保持的光纤紧套层 ； 每个光纤单元包括 由内向外依次设置的纤芯、 包层和涂覆层， 所述

5、纤芯和包层分别由权利要求1至4中任一项 所述的光纤预制件的芯部分和包层部分进行拉伸而形成， 其中， 所述涂覆层和所述光纤紧 套层均为聚四氟乙烯材料。 6. 根据权利要求 5 所述的传感光纤， 其特征在于， 所述芯层的直径为 510m， 所述包 层的外径为 90150m。 7.根据权利要求5所述的传感光纤， 其特征在于， 所述芯层的直径为9m， 所述包层的 外径为 125m， 所述涂覆层的外径为 250m。 8. 根据权利要求 2 所述的光纤预制件的制备方法， 其特征在于， 包括如下步骤 ： 用纯氧 气 O2作为载运气体， 将混合均匀的四氯化硅 SiCl4饱和蒸汽和掺杂剂氟利昂 CF2Cl2、

6、溴化硼 BBr3导入由二氧化硅基玻璃构成的石英包皮管的内部， 同时， 在旋转下、 于 14001600的 氢氧焰中加热所述石英包皮管外侧， 以在所述石英包皮管内壁形成 SiO2-SiF4-B2O3包层玻 璃层 ； 将气化的四氯化硅 SiCl4饱和蒸汽在纯氧气 O2作为载运气体下导入石英包皮管的内 部， 同时， 在旋转下、 于 14001600的氢氧焰中加热所述石英包皮管， 以形成芯层沉积 ； 再 于 1800进行高温熔缩， 以形成光纤预制件。 权 利 要 求 书 CN 104402212 A 2 1/5 页 3 光纤预制件、 传感光纤以及光纤预制件的制备方法 技术领域 0001 本发明涉及光纤

7、技术领域， 特别是涉及一种光纤预制件、 由该光纤预制件拉伸制 备的水轮发电机定子铁芯传感光纤、 以及该光纤预制件的制备方法。 背景技术 0002 水电厂水轮发电机在运行过程中， 定子槽部硅钢片断裂， 在发电机磁场拉力作用 下， 断裂的硅钢片割穿定子线圈的绝缘层， 发电机定子接地、 被迫停机的事故时有发生， 造 成巨大的经济损失。 为及时发现水轮机定子铁芯故障， 避免水轮机运行事故发生， 研发大型 水轮发电机定子铁芯位移在线监测系统非常有必要。 0003 近几年， 水轮发电机运行参量在线监测技术发展迅速， 但是， 针对大型水轮发电机 定子铁芯的在线监测， 国内外目前广泛采用电磁传感器作为传感元件

8、， 由于电磁传感器信 号容易受水轮发电机强磁场和高电场环境的干扰导致信号失真， 从而引起在线监测故障的 误报和和漏报。 0004 光纤传感技术是近几十年发展起来的一门新型科学技术， 光纤具有工作频带宽、 动态范围大、 参量加载容易等特点， 因而光纤传感技术可有效应用于多种领域和环境下的 参量采集和数据传输。光纤的基本成份是石英， 纤芯外涂层及保护层材料均为高绝缘非金 属材料， 光纤只传光， 不导电， 不受电磁场的作用， 其传输的光信号不受电磁场的影响， 具有 良好的抗电磁干扰、 抗工业干扰的特性。光纤传感器能适应水轮发电机强电磁场环境， 能 成为水轮发电机高性能的传感器材料。 采用光纤传感技术

9、能有效地杜绝和规避发电机强磁 场、 高电场对检测参量的影响。 0005 光在光纤中传输时， 由于光纤纤芯折射率 （n1） 高， 而光纤包层折射率 （n2） 较纤芯 折射率 （n1） 要低， 即 n2 n1， 光纤纤芯为光密媒质， 包层较纤芯为光疏媒质， 光在纤芯中传输 时发生全反射， 无折射损耗， 仅发生散射损耗， 光损耗非常小。包层与纤芯材料折射率差为 = n1- n2， 它直接影响光在光纤传输中的损耗。当光纤在受弯曲或挤压时， 光纤弯曲内侧 包层材料受挤压， 媒质分子密度增加， 包层折射率增加， 纤芯和包层间折射率差减小， 随 着光纤纤芯和包层间材料折射率差的减小， 在截止波长和工作波长相

10、同的情况下， 光在传 输过程中因宏弯和微弯引起的损耗将增大。当纤芯和包层间折射率差小于极限值时， 光 在挤压部位发生折射， 光损耗迅速增加。通过对纤芯和包层材料的研究， 研发出既能正常 情况下有光传输的全反射特征， 又能在微弯和宏弯情况下光损耗效益明显的光纤作为传感 器， 显著提高定子铁芯片位移量信号加载， 提高系统感知能力。 0006 综上， 光纤弯曲损耗受光纤纤芯和包层间折射率差、 数值孔径、 截止波长和工作波 长等因素的影响， 尤其是受芯包折射率差的影响最大， 因此， 在制造过程中， 通过调整光纤 芯包折射率差可制造出满足在各种领域的应用的光纤。 0007 水轮发电机定子和转子间隙狭小，

11、 水轮机组振动大， 转子运行时存在径向跳动， 定 子铁芯槽内下有绝缘线棒且槽口设有槽偰， 因此， 要想完成对水轮机定子全部铁芯的全向 监控， 传感光纤需从多个方向对每一个槽口进行位移探测。 光纤传感器因其外径小， 且在光 说 明 书 CN 104402212 A 3 2/5 页 4 纤外包覆防护层， 使得光纤具有一定的抗拉、 抗压和抗弯曲的物理特性， 能够满足传感光纤 在定子铁芯现场安装和固定需求。 0008 针对大型水轮发电机定子铁芯位移在线监测系统研究项目， 经理论分析和科学实 验， 通过应用光纤传感技术， 采用光功率实时监测法完成大型水轮发电机组定子铁芯位移 在线监测， 该系统感知层采用

12、高弯曲敏感性特种光纤作为系统的核心传感器件， 完成对定 子铁芯片位移参量的采集。 0009 鉴于此， 克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。 发明内容 0010 本发明要解决的技术问题是提供一种光纤预制件， 以提高光纤在弯折情况下的光 损耗效益。 0011 本发明进一步要解决的技术问题是提供一种由上述光纤预制件拉伸而形成的传 感光纤， 提高其抗高温性能， 用于作为水轮发电机定子铁芯的传感光纤。 0012 本发明采用如下技术方案 ： 一种光纤预制件， 由二氧化硅基玻璃构成， 该光纤预制件包括 ： 通过拉伸而形成为光纤的芯区域的芯部分 ； 通过拉伸而形成为所述光纤的包层区域的包层部

13、分， 所述包层部分位于所述芯部分的 外周 ； 其中， 所述芯部分为无掺杂的二氧化硅基玻璃， 所述包层部分为掺杂有硼和氟的二氧 化硅基玻璃。 0013 一些实施方式中， 所述包层部分为 SiO2-SiF4-B2O3材料。 0014 一些实施方式中， 所述包层部分的 SiO2-SiF4-B2O3材料中氟的重量百分比为 1.52%、 硼的重量百分比为 4.55%。 0015 一些实施方式中， 所述包层部分的 SiO2-SiF4-B2O3材料中氟的重量百分比为 1.61.8%、 硼的重量百分比为 4.64.8%。 0016 本发明还提供了一种水轮发电机定子铁芯传感光纤， 其包括并列设置的两个光纤 单元

14、， 以及包覆于所述光纤单元外、 将两个光纤单元一体地保持的光纤紧套层 ； 每个光纤单 元包括由内向外依次设置的纤芯、 包层和涂覆层， 所述纤芯和包层分别由权利要求1至4中 任一项所述的光纤预制件的芯部分和包层部分进行拉伸而形成， 其中， 所述涂覆层和所述 光纤紧套层均为聚四氟乙烯材料。 0017 一些实施方式中， 所述芯层的直径为 510m， 所述包层的外径为 90150m。 0018 一些实施方式中， 所述芯层的直径为 9m， 所述包层的外径为 125m， 所述涂覆 层的外径为 250m。 0019 本发明另外提供了一种上述的光纤预制件的制备方法， 包括如下步骤 ： 用纯氧气 O2作为载运气

15、体， 将混合均匀的四氯化硅 SiCl4饱和蒸汽和掺杂剂氟利昂 CF2Cl2、 溴化硼 BBr3导入由二氧化硅基玻璃构成的石英包皮管的内部， 同时， 在旋转下、 于 14001600的 氢氧焰中加热所述石英包皮管外侧， 以在所述石英包皮管内壁形成 SiO2-SiF4-B2O3包层玻 璃层 ； 将气化的四氯化硅 SiCl4饱和蒸汽在纯氧气 O2作为载运气体下导入石英包皮管的内 部， 同时， 在旋转下、 于 14001600的氢氧焰中加热所述石英包皮管， 以形成芯层沉积 ； 再 说 明 书 CN 104402212 A 4 3/5 页 5 于 1800进行高温熔缩， 以形成光纤预制件。 0020 与

16、现有技术相比， 本发明的有益效果在于 ： 本发明对光纤预制件中芯部分和包层 部分的材料进行了改进， 该光纤预制件形成的传感光纤在弯曲或受到挤压时， 光损耗效益 明显 ； 本发明对传感光纤的涂覆层和光纤紧套层的材料进行了改进， 以提高其抗高温性能， 且采用并列设置的两个光纤单元， 以满足定子铁芯状态监测中的多重功能 ； 本发明的光纤 预制件的制备方法简单。 附图说明 0021 图 1 是本发明实施例提供的一种传感光纤的结构示意图 ； 图 2 是本发明实施例提供的紧套模具结构示意图。 具体实施方式 0022 为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合附图及实施例， 对 本发明进行

17、进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明， 并 不用于限定本发明。 0023 此外， 下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未 构成冲突就可以相互组合。 0024 水轮发电机定子铁芯运行状态的过程中， 传感光纤被布设于定子铁芯的槽部， 在 定子铁芯状态异常时， 传感光纤发生弯曲或折断， 监测传感光纤的状态可以间接的对定子 铁芯状态进行监测， 在研究适用于上述监测过程的传感光纤的过程中， 本发明的发明人发 现， 在由二氧化硅基玻璃构成的光纤中， 采用无掺杂的二氧化硅基玻璃作为芯部分， 同时以 掺杂有硼和氟的二氧化硅基玻璃作为包层部分有利于提高

18、传感光纤在弯曲或受到挤压情 况下的光损耗效益。 0025 本发明提供的由二氧化硅基玻璃构成的光纤预制件， 包括 ： 通过拉伸而形成为光纤的芯区域的芯部分 ； 通过拉伸而形成为所述光纤的包层区域的包层部分， 所述包层部分位于所述芯部分的 外周 ； 其中， 所述芯部分为无掺杂的二氧化硅基玻璃， 所述包层部分为掺杂有硼和氟的二氧 化硅基玻璃。 0026 作为本发明的一个较佳方案， 所述包层部分为 SiO2-SiF4-B2O3材料。进一步地， 为 了提高传感光纤在弯曲下的光损耗效益， 所述包层部分的 SiO2-SiF4-B2O3材料中氟的重量 百分比为 1.52%、 硼的重量百分比为 4.55% ；

19、更进一步地， 所述包层部分的 SiO2-SiF4-B2O3 材料中氟的重量百分比为 1.61.8%、 硼的重量百分比为 4.64.8% 为最佳。 0027 光纤预制件可以采用管内气相沉积法 （MCVD） 制成， 包层沉积主体材料为四氯化硅 （SiCl4） ， 低折射率掺杂材料采用氟利昂 （CF2Cl2） 及溴化硼 （BBr3） ， 上述的光纤预制件可以 按照如下步骤进行制备 ： 首先， 用纯氧气 O2作为载运气体， 将混合均匀的四氯化硅 SiCl4饱和蒸汽和掺杂剂氟 利昂 CF2Cl2、 溴化硼 BBr3导入由二氧化硅基玻璃构成的石英包皮管的内部， 同时， 在旋转 下、 于 14001600的

20、氢氧焰中加热所述石英包皮管外侧， 以在所述石英包皮管内壁形成 说 明 书 CN 104402212 A 5 4/5 页 6 SiO2-SiF4-B2O3包层玻璃层。 0028 其次， 将气化的四氯化硅 SiCl4饱和蒸汽在纯氧气 O2作为载运气体下导入石英包 皮管的内部， 同时， 在旋转下、 于 14001600的氢氧焰中加热所述石英包皮管， 以形成芯层 沉积。 0029 最后， 再于 1800进行高温熔缩， 以形成光纤预制件。 0030 请参阅图 1 所示， 本发明的水轮发电机定子铁芯传感光纤， 由上述的光纤预制件 通过拉伸而制备， 包括并列设置的两个光纤单元， 每个光纤单元包括由内向外依次

21、设置的 纤芯 1、 包层 2 和涂覆层 3， 纤芯 1 和包层 2 分别由光纤预制件的芯部分和包层部分进行拉 伸而形成， 另外， 本发明的传感光纤还具有包覆于光纤单元外、 将两个光纤单元一体地保持 的光纤紧套层4， 其中， 涂覆层3和光纤紧套层4均为聚四氟乙烯材料。 进一步地， 所述芯层 的直径为510m， 所述包层的外径为90150m。 更进一步地， 所述芯层的直径为9m， 所 述包层的外径为 125m， 所述涂覆层的外径为 250m。光纤紧套层 4 采用碟形结构， 其外 径为 1.2mm。整个传感光纤采用双芯结构， 两根纤芯中心距 1.5mm， 采用专用半挤压模具配 套整形模具进行光纤紧套

22、包覆。 0031 图 2 是本发明采用的紧套模具结构示意图。紧套模具安装在螺杆注塑机出口部 位， 在对光纤进行紧套层浇注前， 先将传感光纤 9 穿过浇注内模 8 的两个光纤通过孔， 并固 定在卷绕盘上， 卷绕速度 1000m/mim， 同时保持两个纤芯保持张力保持在 180g220g， 当光 纤紧套层成型不良时调整卷绕速度， 同时保持卷绕张力在 180g220g 范围内。将聚四氟乙 烯PTFE原料加入注塑机原料腔， 加热到327-342， 聚四氟乙烯PTFE处于熔融状态， 卷绕机 启动， 开始进行卷绕， 同时开启注塑机出料口阀门， 熔融聚四氟乙烯 PTFE6 在压力作用下挤 入外模 7 与内模

23、 8 之间的空腔内。在光纤牵引下， 熔融的聚四氟乙烯 PTFE 材料包覆在光纤 上， 随光纤进入整形模具 5 内， 模具传感光纤进行初步塑形， 随着光纤继续卷绕， 包覆聚四 氟乙烯 PTFE 在光纤紧套挤塑模出口处在光纤卷绕张力作用下进一步得到拉伸， 同时传感 光纤紧套层在空气段逐渐冷却固化。光纤紧套过程中需在线监测传感光纤的外形尺寸， 通 过外形尺寸检测调整光纤牵引速度， 保证光纤外形尺寸稳定， 即当监测到光纤外形尺寸大 于设计值运行范围， 则加快牵引速度， 当外形尺寸小于设计值允许范围， 则放慢牵引速度。 牵引速度控制和外形尺寸检测为闭环控制。 0032 由于本传感光纤需要紧套层与涂覆层有

24、良好的融合， 因此传感光纤制造时需有较 长空冷长度保证足够的空冷时间。为减少光纤紧套过程中产生的附加应力， 传感光纤通过 空冷段后进入高温水冷， 水冷槽内水温控制在7080。 成型紧套光纤成盘后老化， 5060 时老化 8 小时， 随老化箱自然冷却至常温。 0033 本 发 明 的 传 感 光 纤 中， 纤 芯 1 的 折 射 率 1.45651.4567， 包 层 2 的 折 射 率 1.45501.4552， 即纤芯 1 和包层 2 的折射率差 n1-n2=0.00130.0017。 0034 根据研究结果， 传感光纤在不弯曲或弯曲曲率半径大于 15mm 时， 光在传感光纤中 传播时光纤能

25、发生全发射， 光传输损耗小于 0.2dB/Km， 但光纤在受外力影响下， 当光纤弯曲 半径小于 15mm 时， 随着光纤弯曲半径的减小， 光纤弯曲损耗迅速增加， 在弯曲半径小于 4mm 光在传感光纤中传播时不能发生全反射， 光传输损耗不小于5 dB/弯曲部位， 当光纤弯曲半 径小于2mm时， 光纤容易断裂。 光纤是由纤芯、 包层、 涂覆层组成。 由于光纤材质脆， 直径小， 容易折断， 成品光纤在应用时需增加防护层， 采用聚四氟乙烯 （PTFE） 作为涂覆材料， 对光纤 说 明 书 CN 104402212 A 6 5/5 页 7 进行一次涂覆， 涂覆直径 250m。定子铁芯在正常运行过程中的温

26、度大约为 80， 当定子 铁芯发生故障或发电机异常时， 定子温度会局部上升， 因此， 要求传感光纤应具有抗 100 高温的能力， 且传感光纤能在定子运行过程中保持良好的物理特性， 包括机械特性、 外形特 性等。传感光纤由纤芯、 包层和涂覆层组成， 而聚四氟乙烯 PTFE 温度特性良好， 适用温度范 围为 -190250， 抗高温老化性能良好， 因此， 选择 F201 聚四氟乙烯 （PTFE） 作为光纤涂覆 材料， 一次性涂覆至纤芯外径250m。 两根光纤涂覆层采用两种不同的颜色进行上色， 分别 上蓝、 桔两种颜色。采用双芯结构形式， 并以聚四氟乙烯作为紧套层材料对光纤进行紧套， 紧套材料与涂覆

27、材料相同以保证纤芯涂覆层与紧套层既相同的物理特性， 又因紧套时光纤 及紧套层间温差使得光纤能顺利剥离。 0035 传感光纤紧套层采用抗高温材料聚四氟乙烯 PTFE， 光纤上色完成后卷绕成盘， 再 进行紧套， 紧套层材料也采用聚四氟乙烯 PTFE 材料。光纤紧套在常规紧套工艺流程基础上 增加老化工艺， 消除光纤在紧套过程中的材料应力， 紧套流程即 ： 光纤张力放线光纤预热 光纤紧套收线老化检验。紧套工艺中要求紧套材料与涂覆材料有良好的融合， 紧 套材料要求抗拉强度和断裂伸长率低， 这样光纤在定子铁芯挤压时更容易变形和折断， 传 感相应明显。 0036 光纤在放线过程中应采用张力放线， 放线张力应

28、控制在 180g220g， 速度控制 在 1000m/min。光纤预热为光纤紧套的关键工序， 在光纤预热时， 预热温度应控制在 ： 200 2， 光纤进入螺杆挤塑机前应预热完成， 光纤紧套材料采用聚四氟乙烯 PTFE 材 料， 其熔溶温度为 327 342， 将紧套材料加热至 3355， 聚四氟乙烯 PTFE 熔融后， 采 用螺杆挤塑机将其挤入模具内， 随光纤的卷绕抽出， 进行连续紧套。 0037 为保证纤芯在定子铁芯发生位移时紧套层能有效地将形变和位移全部传递到涂 覆层及纤芯， 各层之间不产生微小滑动和位移， 传感紧套光纤与常规紧套光纤制造工艺有 较大的差别。 紧套层与涂覆层需有良好的熔合，

29、 聚合物流出机头后应进行适当的空冷， 后再 进行高温水冷。本发明的空冷距离为 300mm， 通过加长空冷距离， 紧套层与涂覆层之间产生 良好的融合， 同时采用 60温水水冷， 紧套层冷却速度减慢， 传感光纤内应力减小， 光纤折 射率和衰减较稳定。 0038 本发明传感光纤采用双芯紧套光纤， 为适应光纤在定子铁芯槽部和齿部的安装， 满足定子和转子之间小间隙以及定子铁芯槽部与绝缘线棒之间小间隙的安装， 传感光纤截 面呈近似矩形， 便于双芯平行敷设， 降低纤芯厚度， 双芯能同时均匀受力， 双芯紧套模具特 制， 保证传感光纤紧套工序能满足设计要求。 0039 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明， 凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、 等同替换和改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 104402212 A 7 1/1 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104402212 A 8