一种空芯光纤拉丝过程的丝径自适应控制方法及装置与流程

本技术涉及光纤，特别涉及一种空芯光纤拉丝过程的丝径自适应控制方法及装置。

背景技术：

1、空芯光纤凭借低时延、低色散、抗电磁干扰等优异性能，在高速通信、激光传输、传感探测等领域具有广泛应用前景。丝径均匀性是决定空芯光纤传输性能、结构稳定性与产品良率的核心指标，高精度丝径控制是空芯光纤规模化生产的关键技术。当前空芯光纤拉丝生产中，量产良率长期低于60%，生产成本居高不下，制约了空芯光纤的发展与应用。

技术实现思路

1、本技术提供一种空芯光纤拉丝过程的丝径自适应控制方法及装置，以提升空芯光纤的量产良率，降低成本。

2、第一方面，本技术提供了一种空芯光纤拉丝过程的丝径自适应控制方法，包括以下步骤：

3、实时采集光纤拉丝过程中不同工艺位置的丝径数据及工艺参数；

4、根据采集的丝径数据及工艺参数，确认拉丝过程所处的当前工艺模态；

5、根据预设的耦合感知模型及当前丝径数据与目标丝径数据之间的偏差，确定所述当前工艺参数中各参数对所述偏差的影响权重；

6、根据当前工艺模态对应的丝径控制策略及当前工艺参数中各参数对所述偏差的影响权重，调整当前工艺参数，使光纤丝径维持在预设范围内；

7、其中，所述工艺参数至少包括两个不同的参数；

8、至少存在两种工艺模态下对应的丝径控制策略不同。

9、本技术通过当前工艺模态对应的丝径控制策略及当前工艺参数中各参数对所述偏差的影响权重，调整当前工艺参数，使光纤丝径维持在预设范围内，使得在工艺模态下通过不同的丝径控制策略对不同的工艺参数进行调整，使得光纤丝径维持在预设范围内，从而实现空芯光纤丝径波动稳定在预设范围，减少丝径偏差，提升良品率。

10、预设的耦合感知模型是指通过标定加热功率、进料速度、牵引张力、内部气压、牵引速度五大核心参数基准值，建立的丝径偏差-多工艺参数耦合感知模型，δd=σ(k_iδx_i)+σ(k_ijδx_iδx_j)+σ(k_i'd(δx_i)/dt)+(kpdδd+kid∫δddt+kddd (δd)/dt)+ε；式中：σ(k_iδx_i)为线性项，代表五大工艺参数单独作用下对丝径偏差的一阶线性贡献量。σ(k_ijδx_iδx_j)为非线性交互项，代表任意两个工艺参数之间互相耦合、交叉干扰带来的丝径偏差非线性贡献量。σ(k_i'd (δx_i)/dt)为动态微分项，代表工艺参数瞬时变化速率对丝径偏差的动态滞后修正量。kpdδd+kid∫δddt+kddd (δd)/dt为pid（比例-积分-微分）闭环控制项，代表基于当前丝径偏差的闭环负反馈校正补偿量。ε为误差项，代表系统无法建模的随机扰动残差项。预设的耦合感知模型用于表征工艺参数变化与丝径偏差之间的映射关系。

11、一些实施例中，所述丝径数据包括初始丝径、纤芯圆度、固化后丝径、微结构间距均匀性、最终丝径及纤芯同轴度中的至少一种。通过采集初始丝径、纤芯圆度、固化后丝径、微结构间距均匀性、最终丝径及纤芯同轴度可以全方位监测丝径信息，及时发现异常，并对应调整。初始丝径可以采用激光测径仪非接触实时在线测量。纤芯圆度可以采用高速同轴视觉检测仪 + 图像处理算法测量。固化后丝径可以采用双轴正交激光测径仪在线测量。微结构间距均匀性可以采用光纤端面干涉显微镜（干涉仪）扫描测量。最终丝径可以采用高精度千分尺离线多点复测 + 在线激光测径全程追溯结合测量。纤芯同轴度可以采用偏心度测试仪（光透射法）测量。

12、一些实施例中，所述工艺参数包括加热功率、纤芯内部气压、牵引速度、牵引张力及进料速度中的至少两种。加热功率与纤芯内部气压对应拉丝内部环境，牵引速度、牵引张力及进料速度对应拉丝的外部稳态环境，可以构建内部快速响应闭环与外部稳态优化闭环，内部闭环以近炉监测点数据为核心，联动纤芯内部气压与加热功率，响应时间≤25ms；外部闭环以定型监测点、涂覆前监测点数据为核心，联动进料速度与牵引速度，响应时间≤100ms；通过采集炉温波动、预制棒偏心度、环境气流干扰信号，可以提前10ms~50ms输出参数修正指令，提升良品率。

13、可以在拉丝塔布设近炉监测点、定型监测点、涂覆前监测点、工艺感知点四级联动监测点位，采用高频激光测径仪、高速相机、同轴度测径仪、红外测温仪、气压/扭矩/张力传感器，以≥1khz采样频率实时获取裸光纤成型初始丝径、纤芯圆度、固化后丝径、微结构间距均匀性、最终丝径、纤芯同轴度、炉温、纤芯内部气压、牵引张力、进料速度参数。

14、一些实施例中，所述加热功率的采样频率≥500hz；和/或，

15、所述纤芯内部气压的采样频率≥1khz；和/或，

16、所述牵引速度的采样频率≥1khz；和/或，

17、所述进料速度的采样频率≥1khz。

18、上述采样频率可以匹配不同被控对象的动态响应特性，对热滞后、管路阻尼、机械抖动带来的瞬时参数扰动进行高速捕捉，通过高频数据迭代驱动前文多参数耦合感知模型完成超前预判计算从而提高响应时间，及时修正拉丝过程中的误差。

19、一些实施例中，所述当前工艺模态包括初期成型模态、稳态拉丝模态和末期收尾模态中的任意一种。根据实际的拉丝情况，将工艺模态分为初期成型模态、稳态拉丝模态和末期收尾模态，可以针对空芯光纤预制棒三段拉丝各自的物料状态、热场分布、微结构成型受力差异，分别标定耦合感知模型内部增益系数、pid 参数及五大参数联动策略，从而根据每一个不同的模态针对性地调整工艺参数，实现差异化控制。

20、一些实施例中，若所述当前工艺模态为初期成型模态，当前丝径数据与目标丝径数据之间的偏差的绝对值大于第一预设值时，则采用第一丝径控制策略调整当前工艺参数，使光纤丝径维持在预设范围内，在拉丝初期模态，采用气压和加热功率双先导辅以牵引张力缓冲策略，当丝径偏差＞±1.5μm时优先调整内部气压，将纤芯圆度稳定至99%以上，同步微调加热功率，牵引张力维持基准值，这是由于拉丝初期成型模态下，空芯光纤预制棒端头刚进入高温加热区，石英玻璃受热熔融程度不均、熔体粘度处于动态剧烈变化状态，反谐振薄壁微结构支撑力极弱，极易发生塌孔、椭圆畸变、纤芯失圆等不可逆缺陷；或，

21、若所述当前工艺模态为稳态拉丝模态，当前丝径数据与目标丝径数据之间的偏差的绝对值大于第二预设值时，则采用第二丝径控制策略调整当前工艺参数，使光纤丝径维持在预设范围内，在稳态拉丝模态，采用进料速度和牵引速度协同辅以气压缓冲策略，当丝径偏差累积≥±0.8μm时按拉丝比动态调整进料与牵引速度，每5km校准耦合感知模型，这是由于稳态拉丝阶段预制棒受热状态、熔体粘度、热场分布进入长期稳定区间，空芯反谐振微结构已具备稳定自支撑能力，纤芯气压仅作为小幅扰动缓冲即可维持截面形态；丝径偏差主要来源于进料推送量与牵引拉丝线速度不匹配导致的拉丝比漂移，通过进料速度与牵引速度协同联动，可从物料流量本源精准修正外径偏差，控制线性度高、长期漂移量小；同时超长距离拉丝过程中炉体轻微老化、气源微小衰减会造成模型增益缓慢偏移，因此每5km对耦合感知模型进行一次参数自校准，保证整根超长光纤轴向丝径一致性，±0.8μm 的偏差阈值也适配稳态量产高精度管控要求；或，

22、若所述当前工艺模态为拉丝末期模态，当前丝径数据与目标丝径数据之间的偏差的绝对值大于第三预设值时，则采用第三丝径控制策略调整当前工艺参数，使光纤丝径维持在预设范围内。在拉丝末期模态，采用牵引张力和进料速度辅以功率缓冲策略，当当丝径偏差绝对值≥±1.0μm，且预制棒剩余料长小于 800mm 时，以牵引张力主导补偿送料衰减，弱调节进料速度，小幅修正加热功率，这是由于拉丝末期预制棒剩余料段较短，棒体轴向导热距离不足，炉内热场易出现尾部梯度失稳，预制棒自重下坠造成进料推送阻力变大、送料速率自然衰减；若大幅调节进料速度易引发熔体流量剧烈波动，直接导致空芯薄壁结构塌缩、断丝报废；牵引张力对熔融态光纤拉伸量响应直接且温和，因此以张力为主导补偿送料衰减，仅弱调节进料速度，配合小幅加热功率修正熔体粘度，平稳收尾，最大限度提升尾部光纤合格长度，避免整棒成材率下降。

23、一些实施例中，所述第一丝径控制策略的计算模型的满足：

24、δd=(kwδw+kfδf+ktδt+kpδp+kcδc)+(kwpδwδp+kwtδwδt+kptδpδt)+(kw′d(δw)/dt+kp′d(δp)/dt+kt′d(δt)/dt)+(kpdδd+kid∫δddt+kddd(δd)/dt)+ε；

25、其中，δd为光纤直径偏差，单位μm；

26、kw为加热功率对直径偏差的一阶增益系数，单位μm/kw；

27、δw为加热功率波动量，单位kw；

28、kf为进料速度对直径偏差的一阶增益系数，单位μm/（mm/min）；

29、δf为进料速度波动量，单位mm/min；

30、kt为张力对直径偏差的一阶增益系数，单位μm/n；

31、δt为张力波动量，单位n；

32、kp为纤芯内部气压对直径偏差的一阶增益系数，单位μm/pa；

33、δp为纤芯内部气压波动量，单位pa；

34、kc为牵引速度对直径偏差的一阶增益系数，单位μm/（m/min）；

35、δc为牵引线速度波动量，单位m/min；

36、kwp为加热功率-气压交叉耦合增益系数，单位μm/（kw*pa）；

37、kwt为加热功率-张力交叉耦合增益系数，单位μm/（kw*n）；

38、kpt为气压-张力交叉耦合增益系数，单位μm/（pa*n）；

39、kw′为功率变化率微分调节系数，单位μm*s/kw；

40、kp′为气压变化率微分调节系数，单位μm*s/pa；

41、kt′为张力变化率微分调节系数，单位μm*s/n；

42、kpd为直径偏差比例闭环调节系数，单位；

43、kid为直径偏差积分闭环调节系数，单位；

44、kdd为直径偏差微分闭环调节系数，单位；

45、ε为环境随机扰动噪声项，单位μm。

46、上述第一丝径控制策略是依托多参数耦合感知模型，以纤芯内部气压为主导变量、加热功率为辅助修正变量、牵引张力恒定兜底缓冲的分阶联动闭环调控方式来修正丝径的。

47、一些实施例中，所述第二丝径控制策略的计算模型的满足：

48、δd=(kwδw+kfδf+ktδt+kpδp+kcδc)+(kfcδfδc+kfpδfδp+kcpδcδp)+(kf′d(δf)/dt+kc′d(δc)/dt+kp′d(δp)/dt)+(kpdδd+kid∫δddt+kddd(δd)/dt)+ε；

49、其中，δd为光纤直径偏差，单位μm；

50、kw为加热功率对直径偏差的一阶增益系数，单位μm/kw；

51、δw为加热功率波动量，单位kw；

52、kf为进料速度对直径偏差的一阶增益系数，单位μm/（mm/min）；

53、δf为进料速度波动量，单位mm/min；

54、kt为张力对直径偏差的一阶增益系数，单位μm/n；

55、δt为张力波动量，单位n；

56、kp为纤芯内部气压对直径偏差的一阶增益系数，单位μm/pa；

57、δp为纤芯内部气压波动量，单位pa；

58、kc为牵引速度对直径偏差的一阶增益系数，单位μm/（m/min）；

59、δc为牵引线速度波动量，单位m/min；

60、kfc为进料速度-牵引速度交叉耦合增益系数，单位μm/（mm/min*m/min）；

61、kfp为进料速度-气压交叉耦合增益系数，单位μm/（mm/min*pa）；

62、kcp为牵引速度-气压交叉耦合增益系数，单位μm/（m/min*pa）；

63、kf′为进料速度变化率微分调节系数，单位μm*s/（mm/min）；

64、kc′为牵引速度变化率微分调节系数，单位μm*s/（m/min）；

65、kp′为气压变化率微分调节系数，单位μm*s/pa；

66、kpd为直径偏差比例闭环调节系数，单位；

67、kid为直径偏差积分闭环调节系数，单位；

68、kdd为直径偏差微分闭环调节系数，单位；

69、ε为环境随机扰动噪声项，单位μm。

70、上述第二丝径控制策略是依托多参数耦合感知模型，通过进料速度与牵引速度按照拉丝比协同联动作为核心调节量、纤芯内部气压作为小幅扰动缓冲，并每间隔固定长度对耦合感知模型进行自校准迭代的长时稳态闭环调控方式来修正丝径的。

71、一些实施例中，若所述当前工艺模态为拉丝末期模态，所述第三丝径控制策略的计算模型的满足：

72、δd=(kwδw+kfδf+ktδt+kpδp+kcδc)+(kftδfδt+kfwδfδw+kwtδwδt)+(kf′d(δf)/dt+kt′d(δt)/dt+kw′d(δw)/dt)+(kpdδd+kid∫δddt+kddd(δd)/dt)+ε；

73、其中：δd为光纤直径偏差，单位μm；

74、kw为加热功率对直径偏差的一阶增益系数，单位μm/kw；

75、δw为加热功率波动量，单位kw；

76、kf为进料速度对直径偏差的一阶增益系数，单位μm/（mm/min）；

77、δf为进料速度波动量，单位mm/min；

78、kt为张力对直径偏差的一阶增益系数，单位μm/n；

79、δt为张力波动量，单位n；

80、kp为纤芯内部气压对直径偏差的一阶增益系数，单位μm/pa；

81、δp为纤芯内部气压波动量，单位pa；

82、kc为牵引速度对直径偏差的一阶增益系数，单位μm/（m/min）；

83、δc为牵引线速度波动量，单位m/min；

84、kft为进料速度-张力交叉耦合增益系数，单位μm/（mm/min*n）；

85、kfw为进料速度-加热功率交叉耦合增益系数，单位μm/（mm/min*kw）；

86、kwt为加热功率-张力交叉耦合增益系数，单位μm/（kw*n）；

87、kf′为进料速度变化率微分调节系数，单位μm*s/（mm/min）；

88、kt′为张力变化率微分调节系数，单位μm*s/n；

89、kw′为功率变化率微分调节系数，单位μm*s/kw；

90、kpd为直径偏差比例闭环调节系数，单位；

91、kid为直径偏差积分闭环调节系数，单位；

92、kdd为直径偏差微分闭环调节系数，单位；

93、ε为环境随机扰动噪声项，单位μm。

94、上述第三丝径控制策略是依托多参数耦合感知模型，以牵引张力作为主导补偿变量、弱幅度微调进料速度、小幅修正加热功率作为缓冲兜底的尾部稳态渐进式闭环调控方式来修正丝径的。

95、第二方面，本技术提供了一种空芯光纤拉丝过程的丝径自适应控制装置，包括：

96、第一执行单元，用于实时采集光纤拉丝过程中不同工艺位置的丝径数据及工艺参数；

97、第一判断单元，用于根据采集的丝径数据及工艺参数，确认拉丝过程所处的当前工艺模态；

98、第二判断单元，用于根据预设的耦合感知模型及当前丝径数据与目标丝径数据之间的偏差，确定所述当前工艺参数中各参数对所述偏差的影响权重；

99、第二执行单元，用于根据当前工艺模态对应的丝径控制策略及当前工艺参数中各参数对所述偏差的影响权重，调整当前工艺参数，使光纤丝径维持在预设范围内；

100、其中，所述工艺参数至少包括两个不同的参数；

101、至少存在两种工艺模态下对应的丝径控制策略不同。

102、本技术通过当前工艺模态对应的丝径控制策略及当前工艺参数中各参数对所述偏差的影响权重，调整当前工艺参数，使光纤丝径维持在预设范围内，使得在工艺模态下通过不同的丝径控制策略对不同的工艺参数进行调整，使得光纤丝径维持在预设范围内，从而实现空芯光纤丝径波动稳定在预设范围，减少丝径偏差，提升良品率。