設(shè)備管理_第五章光纖機(jī)械性能

第五章 光纖機(jī)械性能第一節(jié) 光纖機(jī)械性能測(cè)試目的當(dāng)光纖在成纜過程中和用于實(shí)際環(huán)境中時(shí)，必須經(jīng)受住一定的機(jī)械應(yīng)力和化學(xué)環(huán)境的侵蝕；在光纜施工過程中，光纖需要量熔融連接，光纖涂敷層的可剝離后裸纖的翹曲度都會(huì)影響光纖的熔接難易和損耗大小，這些都屬于光纖機(jī)械性能和操作性能的范疇。石英光纖必須具有足夠的強(qiáng)度來經(jīng)受機(jī)械環(huán)境，例如光纖的二次被覆，以及光纜敷設(shè)和運(yùn)行期間受到的張力、宏彎和微彎。在通常的使用條件下，光纖都會(huì)受到張力（如在光纜中）、均勻彎曲（如在圓筒上）或平行表面的兩點(diǎn)彎曲（如在熔接情況中）。在所有這些機(jī)械環(huán)境中，光纖經(jīng)受了環(huán)境構(gòu)成所特有的應(yīng)力。最普通的機(jī)械環(huán)境是單軸向張力。石英光纖是一種脆性材料，在施加的應(yīng)力下經(jīng)歷持續(xù)的變形后會(huì)斷裂成兩段或幾段。由于光纖斷裂會(huì)導(dǎo)致通信線路中斷，故光纖的材料強(qiáng)度和可靠性是人們最關(guān)心的問題。對(duì)用于系統(tǒng)上的光纖而言，系統(tǒng)失效的唯一主要原因就是光纜失效，固有因素引起的失效很少，多半原因是由于火災(zāi)和直埋光纜附近的挖掘引起突然斷裂一類的外部因素。隨著光纖制造技術(shù)的不斷提高，目前所用光纖的篩選強(qiáng)度都在0.69GPa以上，內(nèi)在的機(jī)械失效的概率很低，盡管如此，由于修理和更換光纖的成本很高，故相關(guān)的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)便不可小視，這些風(fēng)險(xiǎn)促使人們努力把運(yùn)行中的內(nèi)在機(jī)械失效的概率減小到最低，因而提高光纖產(chǎn)品的長期機(jī)械可靠性是主要的課題。實(shí)際上，光纖的機(jī)械強(qiáng)度由表面存在的裂紋和雜質(zhì)決定，涂敷層也起著至關(guān)重要的作用。涂敷層的粘附力越強(qiáng)，對(duì)裂紋的保護(hù)作用就越明顯，光纖的強(qiáng)度就越高。另一方面，在光纜的連接中，需要?jiǎng)兂饫w的涂敷層進(jìn)行熔接，在光纖光纜的測(cè)試中，需要?jiǎng)兂饫w的涂敷層制作端面，也就是說，光纖涂敷層應(yīng)具有可剝性。所以涂敷層的粘附力不宜小也不宜大，按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，涂敷層的剝離力在1.38.9N之間。當(dāng)剝?nèi)ネ糠髮雍?，一根未支撐的光纖有一個(gè)自然彎曲的趨勢(shì)，即翹曲性能。例如，一根從V形槽的端面出來的懸空光纖可以向上、向下或者向左右彎曲。雖然翹曲對(duì)連接器、機(jī)械連接或使用有源校準(zhǔn)的熔融連接沒有壞的影響，但翹曲可在光纖是無源熔融連接時(shí)或許多光纖同時(shí)熔接（光纖帶的批量熔接）時(shí)產(chǎn)生偏離。為了使得光纖能在實(shí)際的通信線路上使用，它應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和便利的操作性能，以便于成纜和敷設(shè)，而且可在惡劣的環(huán)境條件下不會(huì)因疲勞而斷裂，以保證光纖足夠的使用壽命。我們必須弄清光纖的斷裂機(jī)理、機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)方法、表征光纖強(qiáng)度的各參數(shù)的物理意義和光纖使用壽命的計(jì)算方法。第二節(jié) 測(cè)量方法用來表征具有預(yù)涂覆層或緩沖層光纖的機(jī)械強(qiáng)度、操作性能、物理缺陷、可剝離性、應(yīng)力腐蝕敏感性參數(shù)、翹曲性能優(yōu)劣的測(cè)量方法有：篩選試驗(yàn)、光纖抗拉強(qiáng)度、磨損、目視、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)疲勞、側(cè)視顯微法和激光束散射法。下面將分別介紹這些試驗(yàn)方法的測(cè)量原理、試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)程序。一、光纖強(qiáng)度(1) 裂紋及斷裂光纖制造中石英玻璃的理論強(qiáng)度是由(SiO4)分子之間的鍵結(jié)合力所決定的.然后,石英玻璃光纖中玻璃基體存在的微小不均勻性、高溫熔融驟冷拉絲使表面形成應(yīng)力分布不勻及環(huán)境塵埃、機(jī)械損傷等致使光纖產(chǎn)生微裂紋。特別應(yīng)指出的是光纖強(qiáng)度既與光纖表面微裂紋有關(guān)，又與光纖縱向分布的微裂紋數(shù)量、大小和分布有關(guān)。借助脆性材料斷裂理論可以提示光纖表面微裂紋是如何導(dǎo)致光纖斷裂的原因。根據(jù)Griffith的脆性材料斷裂理論，假定光纖表面的微裂紋的裂口形狀為U字形。外界作用壓力將集中在U字形裂口的頂端，其上的應(yīng)力可用彈性理論計(jì)算出來。如圖5.1所示的一個(gè)U字形裂紋，且所加應(yīng)力垂直于裂紋。如外加應(yīng)力為S，裂紋尖端有應(yīng)力可用下式計(jì)算：圖5.1 U字形裂紋 (5.1)式中：L為裂紋長度，為裂紋寬度的一半。如果裂紋尖端的曲率半徑=/L，并假設(shè)L，則為： (5.2)斷裂應(yīng)力與裂紋長度平方根成正比。又由Griffith斷裂理論中應(yīng)力一倍移關(guān)系得知斷裂應(yīng)力與裂紋長度L的關(guān)系為： (5.3)式中：E是楊氏模量，r為表面能。用裂紋尖端的應(yīng)力場表示應(yīng)力強(qiáng)度因子K則有： (5.4)將式(5.3)代入式(5.4)，可得到斷裂條件為： (5.5)KIC是應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值，稱為斷裂韌度。當(dāng)裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子K1增加到KIC時(shí)，光纖上的微裂紋將會(huì)生長、護(hù)展直至發(fā)生斷裂。斷裂力學(xué)正是研究有關(guān)光纖微裂紋生長規(guī)律的。若已知斷裂韌度KIC、裂紋大小和形狀，所謂光纖強(qiáng)度的問題就是如何消除微裂紋、怎樣保護(hù)微裂紋不遭水分、塵埃和化學(xué)物質(zhì)的侵蝕、設(shè)法緩解裂紋生長，預(yù)報(bào)光纖在容許的應(yīng)力作用下光纖的使用壽命。(2) 裂紋生長假設(shè)石英玻璃光纖長度方向分布著非常小的物理缺陷或微裂紋。這樣光纖的臨界斷裂的發(fā)生常常是因?yàn)槭艿匠睗瘛m埃、化學(xué)物質(zhì)作用使表面強(qiáng)度變?nèi)酰⒉ＡЧ饫w的包層玻璃周圍涂覆著聚合物涂覆層或密封膜（例如，非晶態(tài)碳膜和施加金屬涂覆層）旨在減小這些削弱光纖強(qiáng)度的作用。在理想惰性環(huán)境條件下（低溫、濕度為零、高真空），任何裂紋都不會(huì)生長。僅當(dāng)外界施加的應(yīng)力增加到KIC時(shí)，斷裂才會(huì)發(fā)生。對(duì)非惰性環(huán)境下的光纖（如高溫、潮濕、環(huán)境中有水分或化學(xué)物質(zhì)），任何施加應(yīng)力都會(huì)使裂紋生長。由于二氧化硅鍵發(fā)生水解，故它被稱作為應(yīng)力腐蝕。在非惰性環(huán)境下，假定裂紋生長速率V與應(yīng)力強(qiáng)度因子有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式如下： （5.6）瞬間斷裂的臨界裂紋生長速率Vc則為： (5.7)式中：A為與臨界裂紋生長速率所處的環(huán)境有關(guān)的材料尺寸參數(shù)。例如，Vc隨水分增加而增大。無量綱指數(shù)n為裂紋應(yīng)力腐蝕敏感性參數(shù)簡稱n值。A和n都與實(shí)際環(huán)境有關(guān)。n值既可表明裂紋生長快慢（n值越高，裂紋生長越慢），又可以用來計(jì)算光纖的使用壽命。(3) 疲勞在一定條件下，光纖表面微裂紋生長擴(kuò)大至光纖斷裂的過程稱為光纖的疲勞。應(yīng)力腐蝕（敏感性）參數(shù)n是一個(gè)與施加應(yīng)力使裂紋生長有關(guān)的無量綱的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，其大小取決于環(huán)境溫度、濕度和其他環(huán)境條件。通常，人們按施加的應(yīng)力方式不同，將疲勞分為靜態(tài)疲勞和動(dòng)態(tài)疲勞。 靜態(tài)疲勞靜態(tài)疲勞即施加一個(gè)恒定的應(yīng)力，測(cè)量其斷裂時(shí)間。試驗(yàn)時(shí)，光纖在一個(gè)恒定外加應(yīng)力的作用下，觀察最弱的裂紋斷裂所需的時(shí)間tf()。斷裂時(shí)間可由下式表示： (5.8)利用斷裂時(shí)間與施加應(yīng)力的關(guān)系簡單求出ns，ns稱為靜態(tài)疲勞指數(shù)。A1為一常數(shù)。 動(dòng)態(tài)疲勞動(dòng)態(tài)疲勞即施加一個(gè)具有恒定速率的應(yīng)力，測(cè)量加載和斷裂時(shí)間。在恒定外加應(yīng)力速率a下，觀察斷裂時(shí)間tfd和斷裂應(yīng)力f，三者之間滿足的關(guān)系為： (5.9)同時(shí)還有： (5.10)由式(5.10)可求出nd，nd稱為動(dòng)態(tài)疲勞指數(shù)。A2為一常數(shù)。(4) 使用壽命當(dāng)光纖處在真空環(huán)境中，由于沒有水分存在，所以不會(huì)發(fā)生應(yīng)力侵蝕，其疲勞參數(shù)n（如nd和ns）為最大值，光纖也具有最高的強(qiáng)度，這時(shí)的強(qiáng)度就是光纖的惰性強(qiáng)度Si。當(dāng)光纖在使用環(huán)境中具有使用壽命ts與它所承受的應(yīng)力和光纖的惰性強(qiáng)度Si之間有如下關(guān)系： (5.11)上式中后兩皆為常數(shù)，所以當(dāng)承受到的應(yīng)力恒定時(shí)，光纖的使用壽命ts只與光纖的疲勞參數(shù)n值有關(guān)。n值愈大，光纖的使用壽命ts也就愈長。2. 測(cè)量方法(1) 篩選試驗(yàn) 測(cè)量原理為了保證一個(gè)最低的光纖強(qiáng)度，篩選試驗(yàn)是最好的方法。篩選試驗(yàn)的目的就是將整個(gè)光纖制造長度上的強(qiáng)度低于或等于篩選應(yīng)力的點(diǎn)去除，保證幸存光纖的機(jī)械可靠性。ITU-TG.650規(guī)定的篩選試驗(yàn)的基準(zhǔn)試驗(yàn)方法為縱向張力法。縱向張力試驗(yàn)法測(cè)量原理是一種施加張力荷載至拉絲涂覆后的整根連續(xù)長度光纖上。被測(cè)的初始光纖會(huì)斷成幾段短光纖，可以認(rèn)為每段短光纖已通過篩選試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果既可用應(yīng)力表示，也可用應(yīng)變表示，它們的關(guān)系如下： (5.12)式中：E為零應(yīng)力下的楊氏模量，c是一個(gè)非線性參數(shù)，其值由試驗(yàn)確定（典型值為36）。由施加張力T計(jì)算得到的光纖張力為： (5.13)式中：2為玻璃光纖的直徑（125m），F(xiàn)是涂覆層承受的張力份額。F的大小由下式給出： (5.14)式中：n涂覆層層數(shù)；Ej第j個(gè)涂覆層的模量；Aj第j個(gè)涂覆層的標(biāo)稱橫截面積；Eg玻璃光纖的彈性模量。 篩選試驗(yàn)參數(shù)用規(guī)定的篩選應(yīng)力p來控制幸存段光纖。篩選試驗(yàn)中施加應(yīng)力a的大小如圖5.2所示。圖5.2也顯出了加載時(shí)間t1、卸載時(shí)間tu和篩選時(shí)間td。篩選試驗(yàn)施加抗張負(fù)荷的時(shí)間要盡可能地短，為了確保玻璃光纖經(jīng)受住篩選應(yīng)力、篩選時(shí)間又要足夠的長。故光纖經(jīng)受抗張負(fù)荷的篩選時(shí)間一般為ls。圖5.2 篩選試驗(yàn)中應(yīng)力與時(shí)間t的關(guān)系篩選試驗(yàn)中所施加的應(yīng)力應(yīng)始終超過規(guī)定的篩選應(yīng)力p，以保證光纖有一個(gè)最低強(qiáng)度。不過，在這里需要提醒讀者的是，光纖的這個(gè)最低強(qiáng)度實(shí)際上是不可靠的，因?yàn)樵谛兜艉Y選試驗(yàn)應(yīng)力期間的動(dòng)態(tài)疲勞降低了最低強(qiáng)度，這將涉及到一個(gè)實(shí)驗(yàn)上很難確定的裂紋生長參數(shù)，正是在卸掉篩選應(yīng)力期間的次臨界裂紋生長降低了這個(gè)最低強(qiáng)度。在圖5.2中，放絲和收絲區(qū)，光纖上維持一低應(yīng)力值（典型值應(yīng)不超過篩選應(yīng)力的10%）。在加載區(qū)，光纖應(yīng)力由低應(yīng)力傾斜上升至篩選應(yīng)力，加載時(shí)間為t1。篩選試驗(yàn)區(qū)，施加的篩選應(yīng)力a值應(yīng)大于規(guī)定的篩選應(yīng)力p。卸載區(qū)，光纖應(yīng)力從施加應(yīng)力傾斜地降至小的應(yīng)力值，卸載時(shí)間為tu，卸載時(shí)間應(yīng)控制在用戶與廠家共同認(rèn)可的最大值以下。 試驗(yàn)裝置通過，光纖光纜生產(chǎn)中用來進(jìn)行光纖篩選試驗(yàn)的試驗(yàn)有兩種類型：制動(dòng)輪篩選試驗(yàn)機(jī)和固定重量篩選試驗(yàn)機(jī)。它們的結(jié)構(gòu)和工作原理，如下所述。A. 制動(dòng)輪篩選試驗(yàn)機(jī)制動(dòng)輪篩選試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成，如圖5.3所示。被篩選的光纖是以恒定的低張力從光纖盤上放出，經(jīng)篩選后，光纖在恒定張力下重新被繞到收線盤上。放線和收線張力是可調(diào)的。圖5.3 制動(dòng)輪篩選試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成示意圖施加到光纖上的篩選荷載是由制動(dòng)輪和驅(qū)動(dòng)輪之間產(chǎn)生的速度差造成的。制動(dòng)輪和驅(qū)動(dòng)輪上皮帶用于防止光纖打滑。高精度張力計(jì)用來測(cè)量光纖上的荷載和控制制動(dòng)輪與驅(qū)動(dòng)輪之間的速度差來達(dá)到所需要的篩選荷載。篩選機(jī)施加荷載大小和操作速度快慢，可以由各自獨(dú)立的裝置控制。B. 固定重量篩選試驗(yàn)機(jī)固定重量篩選試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成，如圖5.4所示。裝置中放線和收線動(dòng)輪本身很輕，以求傳導(dǎo)給光纖最小的張力。放線輪和收線輪彼此同步。放線輪和收線輪上的壓緊皮帶用來防止光纖滑動(dòng)。它們既不會(huì)對(duì)光纖施加附加張力，也不會(huì)損傷光纖涂覆層。圖5.4 固定重量篩選試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成示意圖荷載臂和一個(gè)盤子上的固定重物被安裝到一個(gè)固定重物輪的軸上來向光纖提供篩選應(yīng)力。當(dāng)需要增加光纖在篩選試驗(yàn)區(qū)的長度時(shí)，可利用附加的惰輪來實(shí)現(xiàn)。圖5.5是一種利用惰輪增加光纖受試長度的方法。 試驗(yàn)程序試樣應(yīng)是一根全長光纖，兩端的短段可能不能滿足篩選試驗(yàn)期間的所有技術(shù)要求，如最大卸載時(shí)間，應(yīng)該在篩選試驗(yàn)后去掉。短段試樣光纖長度的典型值小于50m。篩選試驗(yàn)后，光纖的完全斷裂證明光纖受到破壞。檢驗(yàn)光纖斷裂的方法包括：目視檢查和OTDR測(cè)量。將斷裂區(qū)去除后，經(jīng)受住的光纖長度被認(rèn)為通過了篩選試驗(yàn)。如果篩選機(jī)經(jīng)張力校準(zhǔn)，可由式(5.13)求出應(yīng)力，由式(5.12)求出應(yīng)變。圖5.5 增加光纖受試長度的方法涂覆光纖機(jī)械強(qiáng)度篩選試驗(yàn)分級(jí)要求應(yīng)符合表5.1的規(guī)定。表5.1 光纖強(qiáng)度篩選試驗(yàn)分級(jí)等 級(jí)篩選應(yīng)力不低于GPa0.691.38篩選應(yīng)變不低于%1.02.0注：上述兩種表示方法是等效的(2) 抗拉強(qiáng)度 測(cè)量原理篩選試驗(yàn)只是保證了光纖的最低強(qiáng)度，在一根實(shí)際的石英玻璃光纖表面，存在著許多微裂紋，簡單地對(duì)光纖施加張力，那么沿著光纖長度方向和在光纖的橫截面積中均勻地存在著應(yīng)力。我們也可以用光纖斷裂累積概率的威泊爾分布來表征光纖的強(qiáng)度，即：一定長度的光纖，在應(yīng)力的作用下，光纖的斷裂累積概率可用威泊爾分布來描述。 (5.15)式中：F為小于或等于的應(yīng)力下光纖斷裂的累積概率：0是在“標(biāo)距”長度L0下測(cè)得的，與e-1或36.8%的累積概率相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度；L0、0和m均為常數(shù)。為獲得不同長度光纖斷裂概率的威泊爾分布，必須對(duì)光纖試樣作拉力試驗(yàn)。將光纖試樣拉斷，記下斷裂的應(yīng)力值，最后根據(jù)記錄統(tǒng)計(jì)光纖在不同拉力強(qiáng)度下斷裂累計(jì)概率分布，作出威泊爾分布曲線（參看5.2.2節(jié)），并用其來判斷光纖抗拉強(qiáng)度和使用壽命。 試驗(yàn)裝置光纖抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)裝置為一臺(tái)合適的拉力機(jī)。拉力機(jī)的拉伸方向可以是垂直的或水平的。拉力機(jī)的拉伸速度每分鐘應(yīng)為試樣長度的約3%5%。夾持光纖可用卡盤或其他合適的方法，光纖夾具應(yīng)不使光纖試樣損壞和打滑。 試驗(yàn)程序應(yīng)使制備的試樣受試長度達(dá)到1m（短試樣）或1020m（長試樣）。如果需要，試樣可在溫度20的自來水槽中或在氣候室（如控制溫度23和相對(duì)濕度95%）中作預(yù)處理。預(yù)處理時(shí)間應(yīng)不少于24h。l 試驗(yàn)A：試驗(yàn)A適合于試樣不要求作預(yù)處理的情況。試驗(yàn)前，先將試樣安置在拉力機(jī)上，兩夾具之間的光纖自由長度應(yīng)達(dá)到1m或1020m。拉伸速度按光纖產(chǎn)品規(guī)范中的要求。l 試驗(yàn)B：試驗(yàn)B適合于試樣要求作預(yù)處理的情況。試驗(yàn)時(shí)，將試樣從預(yù)處理裝置中取出后的5分鐘內(nèi)將其安置到拉力機(jī)上，兩夾具之間的光纖自由長度應(yīng)達(dá)到1m或1020m。拉伸速度按光纖產(chǎn)品規(guī)范中的要求。未老化光纖的最低抗拉強(qiáng)度應(yīng)符合表5.2中的規(guī)定。表5.2 未老化光纖的最低抗拉強(qiáng)度(GPa)光纖標(biāo)距長度(m)威泊爾概率水平15%50%0.53.143.801.03.053.72102.763.45202.673.37二、疲勞參數(shù)1. 定義在一定應(yīng)力條件下，光纖表面微裂紋生長擴(kuò)大至光纖斷裂的過程稱為光纖的疲勞。通常，按施加應(yīng)力的模式光纖的疲勞可分為：靜態(tài)疲勞和動(dòng)態(tài)疲勞。人們常常用靜態(tài)疲勞參數(shù)和動(dòng)態(tài)疲勞參數(shù)來表征光纖的疲勞性能。2. 測(cè)量方法任何光纖的疲勞試驗(yàn)都應(yīng)在盡可能接近實(shí)際應(yīng)用的模擬條件下確定斷裂應(yīng)力和疲勞性質(zhì)。ITU-T G.650推薦的疲勞參數(shù)的試驗(yàn)方法有：動(dòng)態(tài)疲勞的軸向張力法、動(dòng)態(tài)疲勞的兩點(diǎn)彎曲法、靜態(tài)疲勞的軸向張力法、靜態(tài)疲勞的兩點(diǎn)彎曲法和靜態(tài)疲勞的均勻彎曲法。鑒于本書篇幅限制，我們僅介紹國內(nèi)通用的動(dòng)態(tài)疲勞軸向張力法和靜態(tài)疲勞軸向張力法，以饗讀者。(1) 動(dòng)態(tài)疲勞參數(shù)的軸向張力測(cè)試法 測(cè)量原理軸向張力法是用來確定光纖在規(guī)定的恒定應(yīng)變速率下的動(dòng)態(tài)疲勞參數(shù)。軸向張力法測(cè)量原理是通過改變應(yīng)變速率來檢驗(yàn)光纖的動(dòng)態(tài)疲勞性能。這個(gè)試驗(yàn)方法適用于斷裂應(yīng)力值的對(duì)數(shù)與應(yīng)變速率的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系的那些光纖和應(yīng)變速率。 試驗(yàn)裝置軸向張力法測(cè)定光纖動(dòng)態(tài)疲勞參數(shù)nd的試驗(yàn)裝置，如圖5.6所示。試驗(yàn)裝置的主要組成有：試樣夾持裝置、力值傳感器、可變速度驅(qū)動(dòng)裝置等。A. 試樣夾持裝置選擇一種用彈性材料套覆蓋表面的合適輪子來夾持光纖。不受試驗(yàn)的一段光纖圍繞輪子纏繞幾圈，端頭用彈性或膠粘帶固定。光纖繞在輪子上不得交叉。光纖伸長前兩輪軸芯之間 的光纖長度定為標(biāo)距長度。確定輪子和滑輪直徑的原則是，纏繞在輪子上的光纖不應(yīng)受到能引起光纖斷裂的彎曲應(yīng)力。對(duì)典型的石英玻璃光纖，光纖纏繞在輪子上或繞過滑輪時(shí)，彎曲應(yīng)力不應(yīng)超過175MPa（對(duì)125/250m-包層/涂覆層石英玻璃光纖，最小的輪子直徑為50mm）。輪子表面應(yīng)有足夠的剛性，以保證充分加載時(shí)，光纖不會(huì)切割表面。圖5.6動(dòng)態(tài)疲勞軸向張力法試驗(yàn)裝置B. 力值傳感器力值傳感器用來測(cè)定每根被測(cè)光纖在軸向張力拉伸過程中直至斷裂時(shí)的抗拉應(yīng)力。力值傳感器應(yīng)與光纖受到負(fù)載時(shí)的同樣方式進(jìn)行定標(biāo)和定向。在恒定的速率下移動(dòng)一個(gè)或兩個(gè)輪子來增加夾持輪子之間的間距，其初始間距等于光纖的標(biāo)距長度。標(biāo)定力值傳感器重量包括斷裂負(fù)載或最大負(fù)載（最大負(fù)載的50%、最大負(fù)載、大于最大負(fù)載50%）。C. 可變速度驅(qū)動(dòng)裝置速度控制單元的設(shè)定應(yīng)通過試驗(yàn)確定，以符合規(guī)定的應(yīng)變速率。應(yīng)變速率應(yīng)用單位時(shí)間標(biāo)距長度的百分?jǐn)?shù)來表示。選擇有效的最大應(yīng)變速率時(shí)，應(yīng)考慮試驗(yàn)方法的各個(gè)方面，諸如設(shè)備的能力及試樣的材料特性等?？s短試驗(yàn)周期的方法是使用較快的應(yīng)變速率和較低的負(fù)載。例如，規(guī)定的應(yīng)變速率為0.025%/min，先用次快速率（0.25%/min）來試驗(yàn)一些試樣，以建立斷裂應(yīng)力范圍；然后用次快速率把光纖預(yù)加載到等于或小于在此速率下找到的最低斷裂應(yīng)力的80%；最后按規(guī)定的應(yīng)變速率進(jìn)行試驗(yàn)直至光纖斷裂。 試驗(yàn)程序所有試樣應(yīng)在試驗(yàn)環(huán)境中至少預(yù)處理24h。試驗(yàn)應(yīng)在恒定的環(huán)境條件下進(jìn)行。試驗(yàn)期間，溫度的標(biāo)稱值應(yīng)在20232之內(nèi)；相對(duì)濕度的標(biāo)稱值應(yīng)在40%605%之內(nèi)；為獲得可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，要求相對(duì)濕度的標(biāo)稱值靠近50%RH。軸向張力法測(cè)量光纖動(dòng)態(tài)疲勞參數(shù)的試驗(yàn)程序下：設(shè)定和記錄標(biāo)距長度，設(shè)定和記錄應(yīng)變速率，將夾持輪返回到標(biāo)距長度的間隔位置。將光纖試樣兩端依次安裝在夾具上。光纖的切線點(diǎn)應(yīng)與負(fù)載標(biāo)定時(shí)處于同一位置。引導(dǎo)每根試樣，在卡盤上至少纏繞要求的圈數(shù)，各圈不得互相交叉。將負(fù)載記錄儀置于零位。啟動(dòng)電機(jī)拉伸光纖，記錄應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系曲線，直至光纖斷裂，關(guān)掉電機(jī)。對(duì)試樣組的所有光纖重復(fù)上述試驗(yàn)程序，以獲得所有的光纖應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系曲線。動(dòng)態(tài)疲勞參數(shù)的計(jì)算步驟如下：A斷裂應(yīng)力當(dāng)忽略涂層效應(yīng)（小于5%）時(shí)，對(duì)通用包層直徑為125m、涂覆層直徑為250m（聚合物涂覆層）的光纖，可用下式計(jì)算斷裂應(yīng)力f：f=T/Ag (5.16)式中：T涂覆層光纖試樣的斷裂張力；Ag玻璃光纖的標(biāo)稱橫載面積。B. 給定應(yīng)變速率下的斷裂應(yīng)力繪制表征總體的威泊爾分布曲線需按以下步驟進(jìn)行：a. 將斷裂應(yīng)力從最低至最高值依次排列好，并按順序給定一個(gè)序號(hào)k，即第一號(hào)為最低斷裂應(yīng)力，第二號(hào)為低斷裂應(yīng)力等等。即使幾個(gè)試樣的斷裂應(yīng)力相同，也要對(duì)其給定不同的序號(hào)。b. 計(jì)算每一斷裂應(yīng)力的累積失效概率Fk：Fk=(k-0.5)/N k=1、2 (5.17)式中：N樣本大小。c. 在威泊爾概率紙上繪出1n-1n(1-Fk)對(duì)1n(f)的威泊爾曲線。d. 曲線上標(biāo)出所需數(shù)據(jù)。對(duì)給定標(biāo)距長度和直徑的試樣，動(dòng)態(tài)疲勞的威泊爾曲線與下述累計(jì)概率函數(shù)有關(guān)：Fk=1-exp-(f/0)md (5.18)設(shè)k(P)=PN+0.5來定義一個(gè)與給定概率P有關(guān)的序號(hào)。若k(P)為整數(shù)，令 f(P)=Ffk(P)為第k(P)序號(hào)的斷裂應(yīng)力。若k(P)不為整數(shù)，令k1為低于k(P)的整數(shù)，且k2=k1+1。然后，令中值斷裂應(yīng)力為f(0.5)。威泊爾斜率為： (5.19)式中：f(0.85)累積失效概率為0.85時(shí)的斷裂應(yīng)力；f(0.15)累積失效概率為0.15時(shí)的斷裂應(yīng)力。威泊爾參數(shù)為： (5.20)繪出每種應(yīng)力速率的威泊爾分布曲線，確定每種應(yīng)力速率的中值斷裂應(yīng)力f(0.5)。動(dòng)態(tài)疲勞參數(shù)nd的計(jì)算為中值斷裂應(yīng)力f(0.5)，通常會(huì)隨恒定應(yīng)力速率a按下式變化：截距 (5.21)式中：截距為單位應(yīng)力速率下斷裂應(yīng)力的對(duì)數(shù)，如圖5.7所示。按ITU-T G.650(2000)規(guī)定光纖的動(dòng)態(tài)疲勞參數(shù)nd應(yīng)不小于20。圖5.7 斷裂應(yīng)力與應(yīng)力速率的動(dòng)態(tài)疲勞參數(shù)曲線(2) 靜態(tài)疲勞參數(shù)的軸向張力測(cè)試法 測(cè)量原理軸向張力法又可以用來確定單根光纖段張力下的靜態(tài)疲勞參數(shù)。軸向張力法測(cè)量光纖靜態(tài)疲勞參數(shù)的測(cè)量原理是通過改變施加的應(yīng)力大小來檢驗(yàn)光纖的靜態(tài)疲勞性能。 試驗(yàn)裝置圖5.8所示的是兩種軸向張力試驗(yàn)裝置。每種試驗(yàn)都由光纖夾具對(duì)光纖施加應(yīng)力和監(jiān)測(cè)光纖斷裂時(shí)間部分構(gòu)成。由圖可知，受試光纖的標(biāo)距長度，即兩個(gè)光纖卡盤之間的距離應(yīng)力500mm。圖5.8 靜態(tài)疲勞軸向張力法試驗(yàn)裝置光纖夾具如圖5.8所示。施加應(yīng)力的方法是用已知重量懸掛在一個(gè)輪子上給光纖施加應(yīng)力。在對(duì)光纖施加應(yīng)力的懸掛重物下放置記時(shí)器用來測(cè)量光纖斷裂時(shí)間。 試驗(yàn)程序每個(gè)標(biāo)稱應(yīng)力水平下的樣本大小應(yīng)至少為15個(gè)光纖試樣。應(yīng)對(duì)至少五種不同的標(biāo)稱施加應(yīng)力水平a進(jìn)行試驗(yàn)。標(biāo)稱應(yīng)力的選擇應(yīng)使其中值斷裂時(shí)間大約從1小時(shí)30天，使得在對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上有大約相等的間距。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的石英玻璃光纖，達(dá)到這一要求的負(fù)載范圍為3050N。由于斷裂時(shí)間取決于光纖斷裂應(yīng)力和疲勞參數(shù)，所施加的實(shí)際標(biāo)稱應(yīng)力水平和施加的應(yīng)力水平的個(gè)數(shù)能反復(fù)來確定。換句話說，開始試驗(yàn)時(shí)可以用一個(gè)寬的應(yīng)力水平范圍，將斷裂太快或太慢的試驗(yàn)數(shù)據(jù)舍去。樣品作完預(yù)處理之后，安裝在試驗(yàn)裝置上，監(jiān)測(cè)并記錄每根光纖斷裂的時(shí)間。對(duì)一樣品組在給定的標(biāo)稱應(yīng)力水平下進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，只要中間樣品已斷裂，就可提前中止試驗(yàn)。若多半樣品已斷裂，在所有余留樣品斷裂以前就可進(jìn)行計(jì)算并確定中值斷裂時(shí)間。斷裂應(yīng)力和靜態(tài)疲勞參數(shù)ns的計(jì)算步驟如下：A. 斷裂應(yīng)力斷裂應(yīng)力與動(dòng)態(tài)疲勞參數(shù)中計(jì)算方法相同。B. 靜態(tài)疲勞參數(shù)ns樣品中值法不需假設(shè)威泊爾斜率為線性。對(duì)每種標(biāo)稱應(yīng)力水平i對(duì)應(yīng)的中值斷裂時(shí)間ti就被確定。用最小均方差的方法把數(shù)據(jù)擬合到下面線性回歸模式：-ns1n(i)+截距=1n(ti) (5.22)上式中的截距值為：截距=中值1n(ti)+ns中值1n(i) (5.23)三、可剝性1. 測(cè)量原理光纖的可剝性的測(cè)量原理是利用立式拉力機(jī)提供受試光纖和剝離工具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來定量確定沿光纖縱向機(jī)械剝?nèi)ケＷo(hù)涂覆層所需的力?？蓜冃栽囼?yàn)主要用于檢驗(yàn)具有預(yù)涂覆層的光纖或具有其他被覆層光纖的涂覆層或被覆層剝離的難易程度。2. 試驗(yàn)裝置光纖涂覆層剝離試驗(yàn)裝置，如圖5.9所示。試驗(yàn)裝置主要有：拉伸裝置、力值傳感器、轉(zhuǎn)換放大器和剝離工具等。它們的工作作用如下所述。(1) 拉伸裝置使用一臺(tái)合適的拉力機(jī)（如立式拉力機(jī)）來提供受試光纖與剝離工具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。拉伸裝置應(yīng)能提供恒定的剝離速率，沒有猛拉受試光纖或剝離工具的現(xiàn)象。拉伸裝置還能提供兩個(gè)方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以便復(fù)位。剝離工具應(yīng)在拉伸裝置的夾頭上夾緊，其刀刃與光纖軸垂直。為防止光纖彎曲，牢固夾緊受試光纖的另一端。(2) 力值傳感器采用一臺(tái)合適的能檢測(cè)出剝?nèi)ス饫w涂覆層時(shí)施加于光纖的力的傳感器。(3) 轉(zhuǎn)換放大器轉(zhuǎn)換放大器接收來自力值傳感器的信號(hào)，并能顯示出被測(cè)光纖涂覆層剝除時(shí)的剝離力，力值讀數(shù)應(yīng)是連續(xù)的。例如，用一臺(tái)曲線記錄儀記錄最大力和平均力，以及剝離中力值波動(dòng)的幅度和頻率。圖5.9 光纖涂覆層剝離試驗(yàn)裝置(4) 剝離工具試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性主要取決于剝離工具的設(shè)計(jì)。剝離工具應(yīng)做到不損傷光纖包層表面，刀刃直徑大于被剝離光纖標(biāo)稱包層直徑50m。剝離工具刀刃應(yīng)不引起光纖彎曲，刀刃對(duì)接在同一平面上為最佳狀態(tài)。剝離工具應(yīng)安裝在拉力機(jī)固定架上，刀刃磨損到影響試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，應(yīng)予以更換。3. 試驗(yàn)程序試樣應(yīng)能代表總體光纖,以便作出正確的質(zhì)量評(píng)估。由于試驗(yàn)的可變性，故至少取10段試樣做試驗(yàn)，然后取平均值得到該試樣的試驗(yàn)結(jié)果。所剝光纖長度會(huì)影響剝離力。對(duì)于標(biāo)稱涂覆層直徑為250m的光纖，所剝光纖長度對(duì)剝離力影響很小。光纖的剝離長度規(guī)定為：對(duì)于標(biāo)稱涂覆直徑為250m的光纖，可取的值為20mm、30mm和50mm；對(duì)于有較粗的涂覆層直徑的光纖，可選取較短的剝離長度。試樣總長度由光纖固定端與剝離工具間的距離，要通過剝離工具所規(guī)定的待剝光纖長度和在固定端把光纖繞到輪子上所需的長度來確定。試驗(yàn)結(jié)果部分取決于光纖的剝離長度，與試樣總長度無關(guān)。從光纖上剝?nèi)ネ扛矊铀璧牧Σ糠秩Q于剝離速率。如果要比較不同試驗(yàn)的結(jié)果，應(yīng)采用相同的剝離速率。拉伸試驗(yàn)應(yīng)按規(guī)定的速率在光纖與剝離工具之間提供相對(duì)運(yùn)動(dòng)（對(duì)于標(biāo)稱涂覆層直徑為250m的光纖，可取的值為100mm/min或500mm/min，較粗涂覆層直徑的光纖剝離速率或取100mm/min）。試樣應(yīng)在255的溫度和30%60%的相對(duì)濕度下至少預(yù)處理24h。每組試樣光纖試驗(yàn)前，應(yīng)按設(shè)備儀器使用說明書標(biāo)定轉(zhuǎn)換器和力值傳感器。安裝之前，剝離工具兩刀刃周圍的區(qū)域應(yīng)無殘?jiān)?或累積物。試驗(yàn)光纖的一端應(yīng)緊固在試驗(yàn)夾具上，使其在加載時(shí)不打滑（例如光纖在直徑為80mm的輪子上繞三圈）。光纖的另一端穿過剝離工具，并插入到光纖導(dǎo)向孔中。距光纖端頭規(guī)定的距離處切開涂覆層。啟動(dòng)拉伸機(jī)，在光纖和剝離工具之間提供一個(gè)恒定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從光纖上剝?nèi)ネ扛矊?。觀察、測(cè)量記錄剝?nèi)ゲＡЧ饫w涂覆層所需的力，要去除試驗(yàn)期間光纖斷裂情況下的數(shù)據(jù)。當(dāng)涂覆層完全從光纖上剝?nèi)r(shí)，試驗(yàn)完成。GB/T 9771.1.5-2000規(guī)定單模光纖涂覆層所需的剝離力峰值宜在1.38.9N范圍內(nèi)。四、光纖的翹曲1. 定義光纖的翹曲是剝除預(yù)涂覆層后的石英玻璃裸光纖自然彎曲的曲率半徑，以米表示。光纖的翹曲特性是由于光纖制造過程中的高速拉制和驟然冷卻過程致使光纖中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，即淬火造成的裸光纖固有的一種彎曲特性。為了更好地理解光纖翹曲的物理意義，我們以一圓形的模型來解析光纖的翹曲。光纖翹曲的圓形模型，如圖5.10所示。當(dāng)光纖進(jìn)行熔接時(shí)，需要將待熔接的光纖端頭上的涂覆層剝?nèi)ィ缓髮⑵浞旁谌劢訖C(jī)中的V型槽中的光纖定位器上夾好，被熔接的裸光纖將伸出一段長度為x。由于石英玻璃裸光纖固有的自然彎曲（翹曲）特性，光纖的自由端就會(huì)偏離光纖固定器的軸線一定距離f。我們假設(shè)光纖伸出段彎曲后形成一個(gè)以R為半徑的圓周上的一段圓弧，這樣我們就可以借助圖5.10所示的圓形模型來求出光纖的曲率半徑（翹曲）R的值。由圖5.10得知，三角形ABC是一直角三角形，AB是斜邊，長度用c表示則有： (5.24)又知三角形為一等腰三角形，OC為底邊上的高，三角形ABC的角等于三角形AOC的角，則有： (5.25)將式(5.24)代入式(5.25)則可將光纖的曲線半徑（翹曲）R的表示式為： (5.26)利用式(5.26)，只要測(cè)出裸光纖的伸出長度x和偏移距離f，我們就可以計(jì)算出光纖的翹曲度參數(shù)R。圖5.10 光纖翹曲的圓形模型2. 作用光纖翹曲是光纖本身固有的自然彎曲特性，它對(duì)光纖的連接損耗的影響相當(dāng)大，特別是對(duì)多根光纖構(gòu)成的光纖帶的連接，由于各根光纖翹曲方向是隨機(jī)的，故對(duì)靠V槽定位和對(duì)準(zhǔn)的光纖帶中諸多的連接損耗的影響將更大。因此對(duì)光纖帶光纜中所用的光纖翹曲度要比普通光纜中光纖翹曲度要求更嚴(yán)格。光纖翹曲特性對(duì)連接損耗的影響機(jī)理是由于光纖翹曲導(dǎo)致被連接兩光纖間的軸線傾斜，如圖5.11所示。圖5.11(a)表示一根光纖有翹曲，另一根光纖無翹曲的情況，等效軸線斜角為；圖5.11(b)表示二根光纖都有同樣翹曲的情況，等效軸線斜角為2。當(dāng)然，有翹曲的兩根光纖連接時(shí)，二者的相對(duì)位置情況多樣，但最壞的情況是兩者翹曲方向完全相反，這時(shí)產(chǎn)生的連接損耗最大。圖5.11 光纖翹曲引起的軸線傾斜情況軸線傾斜角的數(shù)值可以通過圖5.10所示的曲率半徑R和伸出長度x來計(jì)算：(度) (5.27)由式(5.27)得知，光纖翹曲度R越大，伸出長度x越小，等效軸線型傾斜角越小，連接損耗也越小，；因此，當(dāng)前有關(guān)光纖標(biāo)準(zhǔn)已將光纖翹曲半徑數(shù)值由原來的2m提高到4m，這對(duì)確保很小的光纖連接損耗起到十分大的作用。3. 測(cè)量方法光纖翹曲的測(cè)量方法有側(cè)視顯微技術(shù)和激光束散射法。這兩種測(cè)量方法的測(cè)量原理、試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)程序和試驗(yàn)結(jié)果等如下所述。(1) 側(cè)視顯微技術(shù) 測(cè)量原理側(cè)視顯微技術(shù)測(cè)量光纖的翹曲的測(cè)量原理是通過確定未支撐光纖端頭繞光纖軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的偏離量來確定未涂覆光纖的曲率半徑（翹曲）。在已知光纖最大偏離量和從光纖夾具到測(cè)量點(diǎn)的懸空距離，用一個(gè)簡單的圓模型就能計(jì)算出光纖的曲率半徑（參看圖5.10）。 試驗(yàn)裝置側(cè)視顯微技術(shù)中的光學(xué)顯微鏡測(cè)量光纖翹曲試驗(yàn)裝置，如圖5.12所示。試驗(yàn)裝置的主要組成部分有：光纖夾具、旋轉(zhuǎn)夾具、偏離測(cè)量裝置、攝像機(jī)、監(jiān)視器和視頻分析儀等。圖5.12 光學(xué)顯微鏡測(cè)量光纖翹曲試驗(yàn)裝置A. 光纖夾具用一合適的夾具來保持試樣光纖在一個(gè)恒定的軸上并允許光纖旋轉(zhuǎn)360。夾具可以由V型槽，例如真空卡盤或一光纖套筒組成。若使用套筒，為減小測(cè)量偏離的易變性，需保證內(nèi)徑與光纖外徑的配合公差足夠小。B. 旋轉(zhuǎn)夾具采用一旋轉(zhuǎn)夾具夾住光纖一端，并能提供將試樣旋轉(zhuǎn)360的精確方法。該裝置可以手動(dòng)操作，或靠步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。C. 偏離測(cè)量裝置提供一種來測(cè)量光纖旋轉(zhuǎn)360時(shí)偏離的裝置。該裝置由可視顯微鏡組成。若采用可視顯微鏡，要提供允許精確測(cè)量光纖偏離的方式。例如測(cè)微目鏡或圖像分析系統(tǒng)。D. 攝像機(jī)和監(jiān)視器攝像機(jī)和監(jiān)視器可用于增強(qiáng)手動(dòng)或自動(dòng)操作的可視系統(tǒng)功能。E. 視頻分析儀采用視頻圖像分析儀，可提供更精密的測(cè)量線定位F.計(jì)算機(jī)可用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行過程控制、數(shù)據(jù)收集和計(jì)算。 試驗(yàn)程序試樣應(yīng)是一段適當(dāng)長度的未成纜光纖，其一端應(yīng)剝?nèi)プ銐蜷L度的涂覆層，使之能安裝在夾具上并有適當(dāng)懸空長度。將裸光纖端安放在光纖夾具中，端頭伸出夾具外適當(dāng)?shù)膽铱站嚯x，典型懸空距離是1020mm。試樣另一端固定在旋轉(zhuǎn)裝置上。旋轉(zhuǎn)試樣直到偏離讀數(shù)是在最大或最小位置，記錄此時(shí)的偏離值D0；在旋轉(zhuǎn)試樣約180直到偏轉(zhuǎn)讀數(shù)是在另一極端位置，記錄偏離值D1。偏離量f可由下式計(jì)算： (5.28)式中：D0和D1分別是最小偏離值和最大偏離值。因?yàn)闇y(cè)量任何樣品的總光纖偏離量將取決于懸空距離x，采用圓模型把光纖翹曲作為曲率半徑Rc進(jìn)行計(jì)算是方便的。 (5.29)式中：Rc曲率半徑；x懸空距離；f光纖偏離量。(2) 激光束散射法 測(cè)量原理激光束散射法測(cè)量裸光纖曲率半徑（翹曲）的測(cè)量原理是用激光束散射，通過線傳感器讀出反射光束之間的距離，再將其有關(guān)參數(shù)代入光纖曲率半徑（翹曲）計(jì)算公式，從而求出未涂覆光纖的翹曲。 試驗(yàn)裝置激光束散射法測(cè)量光纖翹曲的試驗(yàn)裝置，如圖5.13所示。試驗(yàn)裝置主要由光源和檢測(cè)器組成。A. 光源光源選用的是分離的氦氖激光束作為光源，由一只氦氖激光器、光束分離器和一個(gè)三棱鏡組成。B. 檢測(cè)器采用像電荷耦合器件線性傳感器一類的圖像傳感器作檢測(cè)器。圖5.13 激光散射法試驗(yàn)裝置 試驗(yàn)程序光纖試樣被固定在一個(gè)旋轉(zhuǎn)夾持器中，夾持器應(yīng)允許試樣光纖繞夾具的軸旋轉(zhuǎn)360。裸光纖固定在試樣夾持器中并豎直延伸出夾持器一個(gè)規(guī)定的懸空長度。用一根非翹曲光纖給出系統(tǒng)的標(biāo)定因子。光纖試樣旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過線性傳感器讀出兩反射光束之間的距離。將最大反射光束距離記作s。光纖的曲率半徑可由下式求出： (5.30)式中：Rc光纖的曲線半徑；L光纖和線傳感器的距離；s反射光束距離；z入射光束距離。按國家有關(guān)光纖性能的規(guī)定，光纖的翹曲度宜大于4m。第六章 光纖帶機(jī)械性能第一節(jié) 光纖帶機(jī)械性能測(cè)試的目的眾所周知，光纖帶是由紫外光固化涂覆光纖和紫外光固化粘結(jié)材料共同組合的線性矩陣。如果光纖帶在成纜、施工、使用、維護(hù)中受扭轉(zhuǎn)、殘留扭轉(zhuǎn)等外力作用，那么會(huì)影響光纖的傳輸性能和機(jī)械使用壽命。同時(shí)，光纖帶在施工、維護(hù)中應(yīng)具有可分離性，即光纖能從光纖帶中分離成若干根光纖的子單元或單根光纖。光纖帶便于剝離，即光纖涂覆層及光纖帶粘結(jié)材料能容易地剝除。這樣，光纖帶機(jī)械性能包括：可分離性、可剝離性、抗扭轉(zhuǎn)能力和殘余扭轉(zhuǎn)度。研究光纖帶機(jī)械性能的目的在于，從光纖帶結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過模擬光纖帶在成纜、施工中受扭轉(zhuǎn)等條件進(jìn)行必要的試驗(yàn)來確保光纖帶的傳輸、機(jī)械性能及使用壽命。第二節(jié) 測(cè)量方法國內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中介紹的驗(yàn)證光纖帶機(jī)械性能優(yōu)劣的試驗(yàn)方法有：光纖帶的可分離性、光纖帶剝離性、光纖帶抗扭轉(zhuǎn)能力和光纖帶殘余扭轉(zhuǎn)度。本章將簡要介紹這些試驗(yàn)的測(cè)量原理、試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)程序。一、 光纖帶可分離性1. 測(cè)量原理光纖帶可分離性試驗(yàn)的測(cè)量原理是利用一工具或手工將未老化的6芯或12芯或24芯光纖帶中的光纖分離成單根或多根光纖的子單元。光纖帶可分離性試驗(yàn)的目的有兩個(gè)：(1) 保證要求分離的光纖帶具有足夠的抗撕裂性能。(2) 確保要求分離的光纖帶具有可分離成單根光纖或多根光纖子單元的分離性。2. 試驗(yàn)裝置光纖可分離性試驗(yàn)裝置應(yīng)包括一個(gè)具有合適夾具的張力強(qiáng)度測(cè)量裝置和一個(gè)放大倍數(shù)為100倍的顯微鏡。3. 試驗(yàn)程序?qū)τ趎芯光纖帶，從被測(cè)的每個(gè)約1m長的光纖帶試樣上截取最小長度為100mm的光纖帶試樣，共取n/2段試樣；對(duì)m批光纖帶，光纖帶試樣數(shù)共有mn/2個(gè)。對(duì)于x個(gè)光纖帶試樣（從批次中抽取，在產(chǎn)品規(guī)范中，x一般規(guī)定為35），用刀器將被試光纖帶中光纖一根根與光纖帶中其他光纖分開至長度為2530mm，以便于試驗(yàn)時(shí)夾持，如圖6.1所示。對(duì)于x較多的光纖帶試樣，要將光纖帶中光纖兩根兩根地與光纖帶中其他光纖分開，直至分出的光纖根數(shù)為被測(cè)試光纖帶芯數(shù)的一半，即n/2。圖6.1 可分離性試驗(yàn)試樣制備可分離性試驗(yàn)程序如下：將每個(gè)試樣插入強(qiáng)度測(cè)量裝置上，如圖6.2所示，在離分離起始點(diǎn)約3mm處位置將分開的光纖夾住，以100mm/min的速度慢慢地將光纖撕開至50mm的長度，并連續(xù)記錄50mm的長度上的撕裂力。用顯微鏡檢查可分離性，即光纖帶撕裂后預(yù)涂覆層和著色層受損的情況。最后，比較所測(cè)的各光纖所需撕裂力的大小。圖6.2 光纖帶可分離（撕裂）試驗(yàn)示意圖評(píng)定光纖帶可分離性優(yōu)劣條件有：不使用特殊工具或器械就能完成光纖帶的分離。完成撕開時(shí)所需的應(yīng)力不超過4.4N。光纖分離過程不應(yīng)對(duì)光纖的傳輸和機(jī)械性能造成永久性的損傷。在分離試驗(yàn)后光纖著色層允許有點(diǎn)脫落，但在任意2.5cm長度的光纖上應(yīng)留有足夠的便于光纖帶中各光纖相互區(qū)別的色標(biāo)。二、 光纖帶可剝離性1. 測(cè)量原理使用專用的剝離工具，從未老化和老化的光纖帶上，以機(jī)械的方式剝?nèi)ヒ欢伍L度大于25mm光纖帶的粘結(jié)材料、著色層和光纖預(yù)涂覆層，以驗(yàn)證光纖帶的可剝離性的優(yōu)劣。2. 試驗(yàn)裝置光纖帶可剝離性的試驗(yàn)裝置為一專門的剝離工具和用來擦去光纖帶上各涂覆層殘留物的酒精。3. 試驗(yàn)程序受試光纖帶試樣預(yù)處理方法有兩種：溫度濕度老化法和水老化法。溫度濕度老化法是將受試光纖帶浸泡在溫度為852，非冷凝濕度為855環(huán)境中停留30天。水老化法是將受試光纖帶浸泡在溫度為235的去離子水或蒸餾水中持續(xù)14天。光纖帶可剝離性試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行。未經(jīng)過老化、濕度老化和水老化光纖帶的可剝離性試驗(yàn)應(yīng)在老化后的8小時(shí)內(nèi)完成。剝離后的光纖帶的清潔應(yīng)用酒精擦清光纖上的殘留涂覆物，以使玻璃光纖能夠熔接?？蓜冸x性試驗(yàn)的試樣最少為10個(gè)。三、 光纖帶抗扭轉(zhuǎn)1. 測(cè)量原理光纖帶在成纜、敷設(shè)、使用和維護(hù)中不可避免地受到扭轉(zhuǎn)的作用。光纖帶抗扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的測(cè)量原理是設(shè)法在光纖帶上施加荷載，借助循環(huán)扭轉(zhuǎn)來模擬光纖帶實(shí)際扭轉(zhuǎn)情況，以檢驗(yàn)光纖帶結(jié)構(gòu)的機(jī)械和功能的完整性，確保光纖帶經(jīng)受扭轉(zhuǎn)力作用后，光纖帶中光纖不會(huì)分離成單根光纖或多根光纖子單元。2. 試驗(yàn)裝置光纖帶扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置，如圖6.3所示。該試驗(yàn)裝置由兩個(gè)豎直放置的光纖帶定位夾具和為每根光纖施加1N張力的吊掛荷重器具組成。圖6.3 抗扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)裝置3. 試驗(yàn)程序從不同批次的光纖帶中選取5個(gè)有代表性試樣，每個(gè)試樣長度為340mm。將制備好的光纖帶試樣牢固地固定在試驗(yàn)裝置中，兩夾具夾持的光纖帶距離為300mm。試驗(yàn)時(shí)，先將頂端夾具順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180回到起始位置后，再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180，然后再回到起始位置，這就構(gòu)成一個(gè)循環(huán)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)應(yīng)重復(fù)進(jìn)行20個(gè)循環(huán)，扭轉(zhuǎn)速度為每分鐘20個(gè)循環(huán)。四、 光纖帶殘余扭轉(zhuǎn)1. 測(cè)量原理光纜中絞合的光纖帶長度與敷設(shè)的光纜中的光纖長度相等。接入網(wǎng)中饋線和配線中所用的光纜要經(jīng)受很寬的溫度和濕度的作用。這種作用在光纜接續(xù)點(diǎn)或地上標(biāo)準(zhǔn)終接點(diǎn)或接頭盒處特別顯著。光纖帶必須在無扭轉(zhuǎn)狀態(tài)才能保持它們的尺寸完整性，允許重新排列或限制因光纖扭轉(zhuǎn)引起宏觀彎曲致使衰減增大。光纖殘余扭轉(zhuǎn)的測(cè)量原理是在受試光纖帶底部懸掛IN的荷載，使光纖帶發(fā)生扭轉(zhuǎn)，測(cè)量出扭轉(zhuǎn)角，用扭轉(zhuǎn)角除以光纖帶試樣長度就可以計(jì)算出光纖帶的殘余扭轉(zhuǎn)。2. 試驗(yàn)裝置光纖帶殘余扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)裝置，如圖6.4所示。該試驗(yàn)裝置由兩個(gè)夾具、一個(gè)加載重物和扭轉(zhuǎn)角測(cè)量儀器組成。圖6.4 光纖帶殘余扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)裝置3. 試驗(yàn)程序從被試光纖帶中選取5個(gè)有代表性的試樣，每個(gè)試樣長度應(yīng)不小于50mm。將試樣置于85下老化30天。試驗(yàn)時(shí)，用夾具固定光纖帶的頂部，并在光纖帶底部加1N的荷重，使光纖帶無扭轉(zhuǎn)，記錄下此時(shí)光纖帶的位置，然后，卸除負(fù)荷，光纖帶發(fā)生扭轉(zhuǎn)，測(cè)量扭轉(zhuǎn)角；用角除以光纖帶試樣長度計(jì)算出光纖的殘余扭轉(zhuǎn)。第七章 光纖的環(huán)境性能第一節(jié) 光纖環(huán)境性能測(cè)試的目的隨著人們對(duì)信息需求的日益增長及光纖通信技術(shù)的日趨成熟，光纖光纜正在以架空、直埋、管道、溝道、隧道、水下等敷設(shè)方式在各種各樣的實(shí)際使用環(huán)境中，織制著縱橫交錯(cuò)的光纜網(wǎng)絡(luò)。光纖光纜跨越各種溫區(qū)，要能經(jīng)受不同環(huán)境條件的作用。為確保光纖能在各種嚴(yán)酷環(huán)境條件下正常工作，我們應(yīng)該模仿光纖實(shí)際使用場所的溫度、潮濕、高溫高濕、高溫、核輻射等環(huán)境條件設(shè)計(jì)出溫度循環(huán)、浸水、高溫高濕、高溫、核輻射等試驗(yàn)來檢驗(yàn)光纖對(duì)氣候的適應(yīng)性、耐核輻射等性能是否符合要求。人們正是在充分研究光纖的環(huán)境性能的基礎(chǔ)上，設(shè)法改進(jìn)光纖的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、正確選擇涂覆、套塑材料及相應(yīng)的涂覆工藝和合理選擇光纜材料、光纜結(jié)構(gòu)和成纜工藝。如果我們從理論和試驗(yàn)中找出致使光纖環(huán)境性能下降的原因所在，那么改善光纖環(huán)境性能的辦法也就指日可待了。第二節(jié) 測(cè)量方法光纖環(huán)境性能試驗(yàn)主要包括溫度循環(huán)。浸水、高溫高濕、核輻射等。溫度循環(huán)試驗(yàn)用來驗(yàn)證光纖的氣候適應(yīng)性能，浸水試驗(yàn)是考察光纖的耐水侵蝕性能，高溫高濕試驗(yàn)則是判斷光纖耐高溫高濕作用的性能，高溫試驗(yàn)是用來評(píng)價(jià)光纖耐高溫的性能，核輻射試驗(yàn)用以檢測(cè)光纖耐射線輻射的耐輻照性能。下面對(duì)光纖環(huán)境性能的測(cè)量原理、試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)程序等作簡單介紹。一、溫度循環(huán)1. 測(cè)量原理光纖溫度循環(huán)試驗(yàn)的測(cè)量原理是通過模擬光纖在儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用期間可能經(jīng)受的最壞溫度變化來確定A1a-A1d多模光纖和B1-B4單模光纖對(duì)溫度變化的衰減穩(wěn)定性，即光纖的衰減溫度特性。光纖的溫度衰減特性試驗(yàn)是將受試的整筒光纖放在氣候室內(nèi)，在溫度循環(huán)試驗(yàn)規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)，以確定溫度變化時(shí)，光纖的附加損耗量。溫度循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束后，可按下式計(jì)算出光纖的平均附加損耗： (dB/km) (7.1)式中：P分別在試驗(yàn)點(diǎn)TA、TB、保溫后的穩(wěn)定光功率；P0參考溫度T0的光功率；L試樣長度。另外，我們還可以用光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)直接測(cè)量不同溫度點(diǎn)的OTDR曲線，從而確定光纖的溫度附加損耗量。2. 試驗(yàn)裝置光纖的溫度衰減特性的試驗(yàn)裝置主要由衰減測(cè)量裝置和氣候室組成。(1) 衰減測(cè)量裝置應(yīng)采用GB/T 15972.4-1998光纖總規(guī)范第4部分：傳輸特性和光學(xué)特性試驗(yàn)方法中規(guī)定的傳輸功率監(jiān)視法和GB/T 15972.4規(guī)定的后向散射法中的衰減測(cè)量裝置來測(cè)定被測(cè)光纖的溫度衰減變化。(2) 氣候室氣候室的體積大小應(yīng)適合容納被試光纖線盤，氣候室的溫度應(yīng)地規(guī)定試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，其溫度控制精度應(yīng)在3內(nèi)。采用強(qiáng)制空氣循環(huán)來維持氣候室內(nèi)溫度均勻，氣候室的設(shè)置及輔助設(shè)備的安放要避免冷凝水滴落到受試光纖試樣上。3. 試驗(yàn)程序試樣為出廠長度或按產(chǎn)品規(guī)定的長度，并應(yīng)為可達(dá)到所需試驗(yàn)準(zhǔn)確度的適當(dāng)長度。建議被試光纖最短長度為：多模光纖(A1aA1d)應(yīng)不短于1000m，單模光纖(B1B4)應(yīng)不短于2000m。如果受試光纖經(jīng)滑石粉處理，那么應(yīng)從該試樣光纖中抽出一段未涂抹滑石粉的光纖進(jìn)行試驗(yàn)。為了得到具有重復(fù)性的試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)光纖應(yīng)松馳地繞在線盤上并置于氣候室內(nèi)。試驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)受到光纖彎曲半徑的影響?；谶@個(gè)考慮，試樣松繞成卷并用滑石粉材料處理，以便使卷繞的緊挨各圈，彼此能自由地移動(dòng)。受試光纖可以以水平或垂直方式繞成最小彎曲直徑為150mm，以避免發(fā)生宏彎作用。被測(cè)光纖試樣放入氣候室內(nèi)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)經(jīng)受各種溫度變化。試驗(yàn)條件，如表7.1所示。表7.1 溫度循環(huán)試驗(yàn)條件預(yù)處理?xiàng)l件溫度測(cè)試條件標(biāo)稱值2h,23,50RH最低溫度TA-60或-40最高溫度TB+85或+70在每個(gè)溫度下最小的持續(xù)時(shí)間t12h最大的溫度速率斜坡速率1/min需要完成的循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù)2試驗(yàn)具體步驟與內(nèi)容大致如下：試驗(yàn)前應(yīng)將被試光纖試樣置于正常試驗(yàn)大氣環(huán)境中預(yù)處理時(shí)，目視檢查外觀，然后將試樣光纖的兩端分別與穩(wěn)定光源和光檢測(cè)系統(tǒng)連接好，待監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定后測(cè)定環(huán)境溫度下的衰減基準(zhǔn)值。將處于環(huán)境溫度下的試樣光纖置入氣候室，并將試樣光纖兩端引出氣候室外，與穩(wěn)定光源和光檢測(cè)系統(tǒng)連接好或與光時(shí)域反射計(jì)連接好。再以適當(dāng)?shù)睦鋮s速率將氣候室溫度降到規(guī)定的低溫TA，待室內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定后，接著使試樣光纖在TA溫度下保溫適當(dāng)?shù)臅r(shí)間t1(t12h)。然后以適當(dāng)?shù)募訜崴俾蕦夂蚴覝囟壬咧烈?guī)定的高溫TB，待室內(nèi)溫度穩(wěn)定后，使試樣光纖在TB溫度下保溫適當(dāng)?shù)臅r(shí)間t1，再以適當(dāng)?shù)睦鋮s速率將氣候室溫度降至環(huán)境溫度。上述的降溫、保溫、升溫、保溫過程構(gòu)成了一個(gè)溫度循環(huán)。如圖7.1所示。圖7.1 一個(gè)溫度循環(huán)的試驗(yàn)氣候室內(nèi)溫度循環(huán)曲線在一個(gè)溫度循環(huán)過程中要記錄好溫度點(diǎn)環(huán)境溫度TA、TB下經(jīng)過保溫時(shí)間t1后輸出光功率P0