第五章光纖機(jī)械性能

（機(jī)械制造行業(yè)）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)械性能測試目的當(dāng)光纖在成纜過程中和用于實(shí)際環(huán)境中時，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)的變形后會斷裂成兩段或幾段。由于光纖斷裂會導(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，需要剝除光纖的涂敷層進(jìn)行熔接，在光纖光纜的測試中，需要剝除光纖的涂敷層制作端面，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1.3～8.9N之間。當(dāng)剝?nèi)ネ糠髮雍螅桓粗蔚墓饫w有一個自然彎曲的趨勢，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或許多光纖同時熔接（光纖帶的批量熔接）時產(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σ可用下式計(jì)算：圖5.1U字形裂紋(5.1)式中：L為裂紋長度，α為裂紋寬度的一半。如果裂紋尖端的曲率半徑ρ=α/L，并假設(shè)L≥α，則σ為：(5.2)斷裂應(yīng)力σ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σ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，光纖上的微裂紋將會生長、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?、塵埃、化學(xué)物質(zhì)作用使表面強(qiáng)度變?nèi)?，石英玻璃光纖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。長。僅當(dāng)外界施加的應(yīng)力增加到KIC時，斷裂才會發(fā)生。施加應(yīng)力都會使裂紋生長。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)疲勞和動態(tài)疲勞。①靜態(tài)疲勞靜態(tài)疲勞即施加一個恒定的應(yīng)力，測量其斷裂時間。試驗(yàn)時，光纖在一個恒定外加應(yīng)力σ的作用下，觀察最弱的裂紋斷裂所需的時間tf(σ)。斷裂時間可由下式表示：(5.8)利用斷裂時間與施加應(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)。②動態(tài)疲勞動態(tài)疲勞即施加一個具有恒定速率的應(yīng)力，測量加載和斷裂時間。在恒定外加應(yīng)力速率σa下，觀察斷裂時間tfd和斷裂應(yīng)力σf，三者之間滿足的關(guān)系為：(5.9)同時還有：(5.10)由式(5.10)可求出nd，nd稱為動態(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σ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σ恒定時，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.測量方法(1)篩選試驗(yàn)①測量原理為了保證一個最低的光纖強(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。被測的初始光纖會斷成幾段短光纖，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σ表示，也可用應(yīng)變ε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是一個非線性參數(shù)，其值由試驗(yàn)確定（典型值為3～6T計(jì)算得到的光纖張力σ為：(5.13)式中：2αF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個涂覆層的模量；Aj—第j個涂覆層的標(biāo)稱橫截面積；Eg—玻璃光纖的彈性模量。②篩選試驗(yàn)參數(shù)用規(guī)定的篩選應(yīng)力σp來控制幸存段光纖。篩選試驗(yàn)中施加應(yīng)力σa的大小如圖5.2所示。圖5.2也顯出了加載時間t1、卸載時間tu和篩選時間td。篩選試驗(yàn)施加抗張負(fù)荷的時間要盡可能地短，為了確保玻璃光纖經(jīng)受住篩選應(yīng)力、篩選時間又要足夠的長。故光纖經(jīng)受抗張負(fù)荷的篩選時間一般為ls。圖5.2篩選試驗(yàn)中應(yīng)力σ與時間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σp，以保證光纖有一個最低強(qiáng)度。不過，在這里需要提醒讀者的是，光纖的這個最低強(qiáng)度實(shí)際上是不可靠的，因?yàn)樵谛兜艉Y選試驗(yàn)應(yīng)力期間的動態(tài)疲勞降低了最低強(qiáng)度，這將涉及到一個實(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%為t1。篩選試驗(yàn)區(qū)，施加的篩選應(yīng)力σa值應(yīng)大于規(guī)定的篩選應(yīng)力σp。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，卸載時間為tu，卸載時間應(yīng)控制在用戶與廠家共同認(rèn)可的最大值以下。③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.制動輪篩選試驗(yàn)機(jī)制動輪篩選試驗(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輪和驅(qū)動輪之間產(chǎn)生的速度差造成的。制動輪和驅(qū)動輪上皮帶用于防止光纖打滑。高精度張力計(jì)用來測量光纖上的荷載和控制制動輪與驅(qū)動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。它們既不會對光纖施加附加張力，也不會損傷光纖涂覆層。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盤子上的固定重物被安裝到一個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，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。④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)分級等級ⅠⅡ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①測量原理篩選試驗(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σ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σ的應(yīng)力下光纖斷裂的累積概率：σ0是在“標(biāo)距”長度L0下測得的，與e-1或36.8%的累積概率相對應(yīng)的強(qiáng)度；L0、σ0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斷光纖抗拉強(qiáng)度和使用壽命。②試驗(yàn)裝置光纖抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)裝置為一臺合適的拉力機(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。③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10～20m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℃和相對濕度95%）中作預(yù)處理。預(yù)處理時間應(yīng)不少于24h。?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10～20m。拉伸速度按光纖產(chǎn)品規(guī)范中的要求。?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，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10～20m。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)威泊爾概率水平光纖標(biāo)距長度(m)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)疲勞和動態(tài)疲勞。人們常常用靜態(tài)疲勞參數(shù)和動態(tài)疲勞參數(shù)來表征光纖的疲勞性能。2.測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-TG.650推薦的疲勞參數(shù)的試驗(yàn)方法有：動態(tài)疲勞的軸向張力法、動態(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)動態(tài)疲勞參數(shù)的軸向張力測試法①測量原理軸向張力法是用來確定光纖在規(guī)定的恒定應(yīng)變速率下的動態(tài)疲勞參數(shù)。軸向張力法測量原理是通過改變應(yīng)變速率來檢驗(yàn)光纖的動態(tài)疲勞性能。這個試驗(yàn)方法適用于斷裂應(yīng)力值的對數(shù)與應(yīng)變速率的對數(shù)呈線性關(guān)系的那些光纖和應(yīng)變速率。②試驗(yàn)裝置軸向張力法測定光纖動態(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。對典型的石英玻璃光纖，光纖纏繞在輪子上或繞過滑輪時，彎曲應(yīng)力不應(yīng)超過175MPa（對125/250μm-包層/涂覆層石英玻璃光纖，最小的輪子直徑為50mm割表面。圖5.6動態(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定每根被測光纖在軸向張力拉伸過程中直至斷裂時的抗拉應(yīng)力。力值傳感器應(yīng)與光纖受到負(fù)載時的同樣方式進(jìn)行定標(biāo)和定向。在恒定的速率下移動一個或兩個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，應(yīng)考慮試驗(yàn)方法的各個方面，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。③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20～23±2℃之內(nèi)；相對濕度的標(biāo)稱值應(yīng)在40%～60±5%之內(nèi)；為獲得可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，要求相對濕度的標(biāo)稱值靠近50%RH。軸向張力法測量光纖動態(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。啟動電機(jī)拉伸光纖，記錄應(yīng)力與時間的關(guān)系曲線，直至光纖斷裂，關(guān)掉電機(jī)。對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)力與時間的關(guān)系曲線。動態(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，對通用包層直徑為125μm、涂覆層直徑為250μm（聚合物涂覆層）的光纖，可用下式計(jì)算斷裂應(yīng)力σf：σf=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，并按順序給定一個序號k，即第一號為最低斷裂應(yīng)力，第二號為低斷裂應(yīng)力等等。即使幾個試樣的斷裂應(yīng)力相同，也要對其給定不同的序號。b.計(jì)算每一斷裂應(yīng)力的累積失效概率Fk：Fk=(k-0.5)/Nk=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1n(σf)的威泊爾曲線。d.曲線上標(biāo)出所需數(shù)據(jù)。對給定標(biāo)距長度和直徑的試樣，動態(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[-(σf/σ0)md](5.18)設(shè)k(P)=PN+0.5來定義一個與給定概率P有關(guān)的序號。若k(P)為整數(shù)，令σf(P)=σFfk(P)為第k(P)序號的斷裂應(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σf(0.5)。威泊爾斜率為：(5.19)式中：σf(0.85)—累積失效概率為0.85時的斷裂應(yīng)力；σf(0.15)—累積失效概率為0.15時的斷裂應(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σf(0.5)。動態(tài)疲勞參數(shù)nd的計(jì)算為中值斷裂應(yīng)力σf(0.5)，通常會隨恒定應(yīng)力速率σa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)力的對數(shù)，如圖5.7所示。按ITU-TG.650(2000)規(guī)定光纖的動態(tài)疲勞參數(shù)nd應(yīng)不小于20。圖5.7斷裂應(yīng)力與應(yīng)力速率的動態(tài)疲勞參數(shù)曲線(2)靜態(tài)疲勞參數(shù)的軸向張力測試法①測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)。軸向張力法測量光纖靜態(tài)疲勞參數(shù)的測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。②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)都由光纖夾具對光纖施加應(yīng)力和監(jiān)測光纖斷裂時間部分構(gòu)成。由圖可知，受試光纖的標(biāo)距長度，即兩個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輪子上給光纖施加應(yīng)力。在對光纖施加應(yīng)力的懸掛重物下放置記時器用來測量光纖斷裂時間。③試驗(yàn)程序每個標(biāo)稱應(yīng)力水平下的樣本大小應(yīng)至少為15個光纖試樣。應(yīng)對至少五種不同的標(biāo)稱施加應(yīng)力水平σa進(jìn)行試驗(yàn)。標(biāo)稱應(yīng)力的選擇應(yīng)使其中值斷裂時間大約從1小時～30天，使得在對數(shù)坐標(biāo)紙上有大約相等的間距。對標(biāo)準(zhǔn)的石英玻璃光纖，達(dá)到這一要求的負(fù)載范圍為30～50N。由于斷裂時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)力水平的個數(shù)能反復(fù)來確定。換句話說，開始試驗(yàn)時可以用一個寬的應(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)測并記錄每根光纖斷裂的時間。對一樣品組在給定的標(biāo)稱應(yīng)力水平下進(jìn)行試驗(yàn)時，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。對每種標(biāo)稱應(yīng)力水平σi對應(yīng)的中值斷裂時間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(σi)+截距=1n(ti)(5.22)上式中的截距值為：截距=中值[1n(ti)]+ns·中值[1n(σi)](5.23)三、可剝性1.測量原理光纖的可剝性的測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運(yùn)動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。可剝性試驗(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運(yùn)動。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方向的相對運(yùn)動，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合適的能檢測出剝?nèi)ス饫w涂覆層時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，并能顯示出被測光纖涂覆層剝除時的剝離力，力值讀數(shù)應(yīng)是連續(xù)的。例如，用一臺曲線記錄儀記錄最大力和平均力，以及剝離中力值波動的幅度和頻率。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50μm。剝離工具刀刃應(yīng)不引起光纖彎曲，刀刃對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，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。所剝光纖長度會影響剝離力。對于標(biāo)稱涂覆層直徑為250μm的光纖，所剝光纖長度對剝離力影響很小。光纖的剝離長度規(guī)定為：對于標(biāo)稱涂覆直徑為250μm的光纖，可取的值為20mm、30mm和50mm；對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運(yùn)動（對于標(biāo)稱涂覆層直徑為250μm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樣應(yīng)在25±5℃的溫度和30%～60%的相對濕度下至少預(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，使其在加載時不打滑（例如光纖在直徑為80mm向孔中。距光纖端頭規(guī)定的距離處切開涂覆層。啟動拉伸機(jī)，在光纖和剝離工具之間提供一個恒定的相對運(yùn)動，從光纖上剝?nèi)ネ扛矊?。觀察、測量記錄剝?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，試驗(yàn)完成。GB/T9771.1～.5-2000規(guī)定單模光纖涂覆層所需的剝離力峰值宜在1.3～8.9N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，需要將待熔接的光纖端頭上的涂覆層剝?nèi)?，然后將其放在熔接機(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，光纖的自由端就會偏離光纖固定器的軸線一定距離δf。我們假設(shè)光纖伸出段彎曲后形成一個以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α等于三角形AOC′的角α，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)，只要測出裸光纖的伸出長度x和偏移距離δf，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，它對光纖的連接損耗的影響相當(dāng)大，特別是對多根光纖構(gòu)成的光纖帶的連接，由于各根光纖翹曲方向是隨機(jī)的，故對靠V槽定位和對準(zhǔn)的光纖帶中諸多的連接損耗的影響將更大。因此對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θ；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2θ。當(dāng)然，有翹曲的兩根光纖連接時，二者的相對位置情況多樣，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θ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，等效軸線型傾斜原來的2m提高到4m，這對確保很小的光纖連接損耗起到十分大的作用。3.測量方法光纖翹曲的測量方法有側(cè)視顯微技術(shù)和激光束散射法。這兩種測量方法的測量原理、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)①測量原理側(cè)視顯微技術(shù)測量光纖的翹曲的測量原理是通過確定未支撐光纖端頭繞光大偏離量和從光纖夾具到測量點(diǎn)的懸空距離，用一個簡單的圓模型就能計(jì)算出光纖的曲率半徑（參看圖5.10②試驗(yàn)裝置側(cè)視顯微技術(shù)中的光學(xué)顯微鏡測量光纖翹曲試驗(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。該裝置可以手動操作，或靠步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。C.偏離測量裝置提供一種來測量光纖旋轉(zhuǎn)360°時偏離的裝置。該裝置由可視顯微鏡組成。若采用可視顯微鏡，要提供允許精確測量光纖偏離的方式。例如測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)手動或自動操作的可視系統(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。③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10～20mm。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δf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；δf—光纖偏離量。(2)激光束散射法①測量原理激光束散射法測量裸光纖曲率半徑（翹曲）的測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。②試驗(yàn)裝置激光束散射法測量光纖翹曲的試驗(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、光束分離器和一個三棱鏡組成。B.檢測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器。圖5.13激光散射法試驗(yàn)裝置③試驗(yàn)程序光纖試樣被固定在一個旋轉(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，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，那么會影響光纖的傳輸性能和機(jī)械使用壽命。同時，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)的測量原理、試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)程序。一、光纖帶可分離性1.測量原理光纖帶可分離性試驗(yàn)的測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：(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)包括一個具有合適夾具的張力強(qiáng)度測量裝置和一個放大倍數(shù)為100倍的顯微鏡。3.試驗(yàn)程序?qū)τ趎芯光纖帶，從被測的每個約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m批光纖帶，光纖帶試樣數(shù)共有m×n/2個。對于x個光纖帶試樣（從批次中抽取，在產(chǎn)品規(guī)范中，x一般規(guī)定為3～525～30mm，以便于試驗(yàn)時夾持，如圖6.1所示。對于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：將每個試樣插入強(qiáng)度測量裝置上，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。完成撕開時所需的應(yīng)力不超過4.4N。光纖分離過程不應(yīng)對光纖的傳輸和機(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85±2℃，非冷凝濕度為85±5％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23±5℃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。可剝離性試驗(yàn)的試樣最少為10個。三、光纖帶抗扭轉(zhuǎn)1.測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個有代表性試樣，每個試樣長度為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，先將頂端夾具順時針旋轉(zhuǎn)180°回到起始位置后，再逆時針旋轉(zhuǎn)180°，然后再回到起始位置，這就構(gòu)成一個循環(huán)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)。扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)應(yīng)重復(fù)進(jìn)行20個循環(huán)，扭轉(zhuǎn)速度為每分鐘20個循環(huán)。四、光纖帶殘余扭轉(zhuǎn)1.測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)，測量出扭轉(zhuǎn)角θ，用扭轉(zhuǎn)角θ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)裝置由兩個夾具、一個加載重物和扭轉(zhuǎn)角測量儀器組成。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個有代表性的試樣，每個試樣長度應(yīng)不小于50mm。將試樣置于85℃下老化30天。試驗(yàn)時，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)，記錄下此時光纖帶的位置，然后，卸除負(fù)荷，光纖帶發(fā)生扭轉(zhuǎn)，測量扭轉(zhuǎn)角θ；用θ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)境性能測試的目的隨著人們對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)是用來評價(jià)光纖耐高溫的性能，核輻射試驗(yàn)用以檢測光纖耐γ射線輻射的耐輻照性能。下面對光纖環(huán)境性能的測量原理、試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)程序等作簡單介紹。一、溫度循環(huán)1.測量原理光纖溫度循環(huán)試驗(yàn)的測量原理是通過模擬光纖在儲存、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，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，我們還可以用光時域反射計(jì)(OTDR)直接測量不同溫度點(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)裝置主要由衰減測量裝置和氣候室組成。(1)衰減測量裝置應(yīng)采用GB/T15972.4-1998《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/T15972.4規(guī)定的后向散射法中的衰減測量裝置來測定被測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(A1a～A1d)應(yīng)不短于1000m，單模光纖(B1～B4)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)果可能會受到光纖彎曲半徑的影響?；谶@個考慮，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。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。被測光纖試樣放入氣候室內(nèi)，在規(guī)定的時間內(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件溫度測試條件標(biāo)稱值2h,23℃,50％RH最低溫度TA-60℃或-40℃最高溫度TB+85℃或+70℃在每個溫度下最小的持續(xù)時間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，目視檢查外觀，然后將試樣光纖的兩端分別與穩(wěn)定光源和光檢測系統(tǒng)連接好，待監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定后測定環(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)定光源和光檢測系統(tǒng)連接好或與光時域反射計(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間t1(t1≥2h)。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)成了一個溫度循環(huán)。如圖7.1所示。圖7.1一個溫度循環(huán)的試驗(yàn)氣候室內(nèi)溫度循環(huán)曲線在一個溫度循環(huán)過程中要記錄好溫度點(diǎn)環(huán)境溫度TA、TB下經(jīng)過保溫時間t1后輸出光功率P0、PA、PB。光纖溫度衰減特性實(shí)驗(yàn)時，被測光纖試樣應(yīng)經(jīng)歷兩個溫度循環(huán)過程。試驗(yàn)結(jié)束后，按照式(7.1)計(jì)算出光纖的平均附加損耗量。二、溫度時延漂移1.測量原理當(dāng)今光纖光纜被廣泛使用在不同的敷設(shè)方式和環(huán)境中，敷設(shè)方式有架空、管道、直埋、纜溝和水下等，使用環(huán)境溫度為-50～+60℃，因此要求光纖的性能要有高度的穩(wěn)定性。長期以來，人們始終關(guān)心的光纖溫度特性包括溫度特性和時延溫度特性。由于過去的光纖通信采用的是異步數(shù)字傳輸，不考慮時鐘溫度漂移問題。當(dāng)今，隨著光同步數(shù)字傳輸網(wǎng)的普及應(yīng)用，人們開始重視時鐘漂移問題，也開始研究光纖脈沖時延溫度特性。盡管光纖的時延溫度系數(shù)很小，但其對40Gbit/s速率的高速系統(tǒng)仍有影響。眾所周知，光脈沖通過長度為L的光纖的群時延為:(7.2)式中：L為光纖長度，N為光纖材料群折射率，c為真空中的光速。當(dāng)溫度發(fā)生變化時，群時延也發(fā)生變化，將時延τ對溫度T求導(dǎo)可得：(7.3)實(shí)際上，光纖時延溫度的變化是一種慢變化，稱為溫度漂移。我們定義單位長度單位溫度間隔時延變化量為光纖溫度時延漂移常數(shù)，記作Kf，單位為ps/(km·℃)，表示式為：(7.4)式中：第一項(xiàng)是由于光纖材料群折射率隨溫度變化而引起的，第二項(xiàng)是由于光纖物理變化引起的。溫度時延漂移常數(shù)的測量原理是利用應(yīng)變測量儀，在頻域法中，測量同一波長下溫度變化引起的正弦波調(diào)制信號的相位移?ф，即：?ф=2πfΔτ=2πfkfLΔT(7.5)將式(7.5)稍作變換得kf：(7.6)式中：f為調(diào)制頻率；L為試樣光纖長度；ΔT為溫度間隔。在一般情況下，時延隨溫度的變化并不完全是線性關(guān)系。試驗(yàn)時應(yīng)多選擇一些試驗(yàn)溫度點(diǎn)，由測量取得的多組數(shù)據(jù)求出擬合曲線，從而確定不同溫度間隔內(nèi)的平均時延漂移常數(shù)。2.試驗(yàn)裝置光纖溫度時延漂移常數(shù)的試驗(yàn)裝置與色散測量試驗(yàn)裝置基本相同。所不同的是光纖先后放入溫箱和冰柜中，光纜放在人工氣候室內(nèi)。溫度變化范圍為-40～+60℃之間。色散測量的是不同波長間的時延差，而溫度時延漂移常數(shù)是測量不同溫度下的時延差。光纖溫度時延漂移常數(shù)測量用的試驗(yàn)裝置是應(yīng)變測量3.試驗(yàn)程序光纖時延溫度常數(shù)的試驗(yàn)方法與單模光纖色散系數(shù)的試驗(yàn)方法基本相同，所不同的是，對色散測量的是同一溫度下（室溫）不同波長間的時延差；對時延溫度漂移，測量的是同一波長下（工作波長，如1310nm脈沖時延的變化。如將石英玻璃光纖的熱膨脹系數(shù)、石英玻璃在1310nm處的群折射率和折射率隨溫度變化值代入式(7.4)可算出kf≈36ps/(km·℃)，式(7.4)估算kf時，未考慮光纖預(yù)涂覆材料的影響，實(shí)際上，不同的涂覆材料和工藝，光纖的溫度時延漂移常數(shù)相差很大，大約在30～200ps/(km·℃)之間。另外，成纜光纖的溫度時延漂移常數(shù)會大一些，具體數(shù)值取決于光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和填充材料。一般要求光纖的溫度時延漂移常數(shù)以40ps/(km·℃)為好。三、浸水1.測量原理光纖浸水試驗(yàn)的測量原理是通過將多模光纖(A1a～A1d)和單模光纖(B1～B4)浸入蒸餾水或去礦物或離子水中來模擬光纖在實(shí)際使用、儲存和運(yùn)輸中可能遇到浸水環(huán)境條件來確定光纖的耐浸水適用性。我們可以借助插入損耗法和后向散射法來測量經(jīng)規(guī)定的浸水時間后浸泡的光纖試樣的衰減變化。2.試驗(yàn)裝置光纖浸水試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置主要由水箱和衰減測量裝置組成。(1)水箱浸泡光纖試驗(yàn)的水箱裝滿蒸餾水，去礦物水或離子水。水的PH值為5.0～8.0。(2)衰減測量裝置應(yīng)采用GB/T15972.4-1998《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)定的插入損耗法和后向散射法中的衰減測量裝置來測定浸水后的光纖衰減變化。3.試驗(yàn)程序?yàn)榇_保光纖光傳輸性能測量的重復(fù)性，被測多模光纖(A1a～A1d)的最短長度為1000m，單模光纖(B1～B4)的最短長度則為2000m。水箱外部的光纖試樣長度越短越好。所制備的光纖試樣不會影響到其受試結(jié)果。光纖試樣應(yīng)松繞成盤，而且光纖兩端應(yīng)保持在水外，試樣光纖以最小彎曲直徑150mm水平或垂直繞成盤，以防止引起宏觀彎曲損耗。光纖試樣被放入充滿水的水箱中，水溫為23±5℃。光纖試樣在水箱中放置30天。接著，可以用插入法和后向散射法，在規(guī)定波長下，測量浸水前、浸水中和浸水后的光纖試樣的衰減變化。四、高溫高濕1.測量原理光纖高溫高濕試驗(yàn)原理是通過模擬光纖在實(shí)際使用、儲存和運(yùn)輸中可能經(jīng)受到的高溫高潮濕環(huán)境條件來確定適用性。高溫高濕試驗(yàn)是通過觀察規(guī)定時間范圍內(nèi)恒溫下高潮濕對光纖的作用，從而達(dá)到評價(jià)光纖的實(shí)用性能的目的。這個試驗(yàn)給出一個實(shí)用的方法。2.試驗(yàn)裝置光纖的高溫、高濕試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置主要由氣候室、增濕器和衰減測量裝置組成。(1)氣候室氣候室的體積大小應(yīng)適應(yīng)容納被測光纖線盤，而且便于試驗(yàn)中測量裝置的接入。同時，氣候室也能在規(guī)定的精度內(nèi)保持給定的高溫和高濕。高溫高濕氣候室和輔助設(shè)備的安放應(yīng)避免冷凝水滴落到光纖試樣上。(2)增濕器用去礦物水或去離子水來獲得規(guī)定的濕度。試驗(yàn)裝置的銹或腐蝕雜質(zhì)都不應(yīng)作用到光纖試樣上。應(yīng)該按照增濕器制造廠家說明書要求控制加到增濕器中的水量。(3)衰減測量裝置采用GB/T15972.4-1998《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)定的插入損耗法和后向散射法中的衰減測量裝置來測定被測光纖的衰減變化。3.試驗(yàn)程序?yàn)榇_保被測光纖光傳輸性能測量的重復(fù)性對被測多模光纖(A1a～A1d)的最短長度為1000m；對被測的單模光纖(B1～B4)的最短長度則為2000m。位于氣候室外的光纖試樣長度越短越好。如果氣候室外的光纖試樣長度超過試樣光纖總長度的10％應(yīng)記載于試驗(yàn)報(bào)告中。光纖試樣的制備不應(yīng)影響到其被測的性能。光纖試樣應(yīng)松繞成線盤，而且被涂上例如滑石粉材料，以求線盤上的彼此緊靠的各圈光纖可自由移動，光纖試樣可以以水平或垂直繞成最小彎曲直徑為150mm的線圈，以免產(chǎn)生宏觀彎曲作用。如果光纖試樣用滑石粉處理，那么應(yīng)從該光纖試樣中抽一段未涂滑石粉的光纖，暴露到試驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)。高溫高濕試驗(yàn)的試驗(yàn)條件為：溫度為+85％，相對濕度為+85％，持續(xù)試驗(yàn)時間為30天。受試光纖的衰減測量是在規(guī)定的波長下，用插入法或后向散射法測量試驗(yàn)前、試驗(yàn)中（一旦試樣穩(wěn)定在規(guī)定的溫度和相對濕度下）和試驗(yàn)后的光纖衰減變化。五、高溫1.測量原理光纖高溫試驗(yàn)的測量原理是通過模擬多模光纖(A1a～A1d)和單模光纖(B1～B4)在實(shí)際使用、儲存和運(yùn)輸中所經(jīng)受的高溫環(huán)境條件作用下，測量光纖衰減變化來確定光纖的適用性。這個試驗(yàn)?zāi)康氖窃诮o定的時間范圍內(nèi)觀察高溫對光纖的作用。2.試驗(yàn)裝置光纖高溫試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置主要由高溫箱和衰減測量裝置組成。(1)高溫箱高溫箱的體積大小應(yīng)能容納被測光纖線盤，并不會使輻射熱直接作用到試樣光纖上，且便于試驗(yàn)條件下測量裝置的接入。高溫箱還應(yīng)具有在規(guī)定的精度范圍內(nèi)保持規(guī)定的溫度的能力?？刹捎脧?qiáng)制空氣循環(huán)方法來保持高溫箱內(nèi)的溫度均勻。(2)衰減測量裝置光纖高溫環(huán)境下的衰減變化測量裝置采用的是GB/T15972.4-1998《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》規(guī)定的插入法和后向散射法中的衰減測量裝置。3.試驗(yàn)程序?yàn)楂@得測量的重復(fù)性，光纖高溫環(huán)境下衰減變化測量所需多模光纖最短長度為1000m，單模光纖最短長度為2000m。放在高溫箱外的光纖試樣長度應(yīng)越短越好。光纖試樣的制備應(yīng)不影響在受試條件下的性能。建議將光纖試樣松繞成線盤，并用諸如滑石粉等材料涂抹，以便使繞成的彼此緊靠的光纖圈可自由移動。光纖試樣可水平或垂直地繞成一個最小彎曲直徑為150mm的線盤，以防產(chǎn)生任何宏觀彎曲作用。如果試樣光纖被涂抹滑石粉處理，那么應(yīng)從該試樣光纖中抽出一段未涂抹滑石粉的光纖暴露到試驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)。光纖高溫試驗(yàn)的試驗(yàn)條件：溫度為+85℃，持續(xù)試驗(yàn)時間為30天。盡管高溫試驗(yàn)不控制濕度，但是試驗(yàn)開始時35℃下相對濕度不低于50％，衰減測量是在規(guī)定的波長下，用插入法或后向散射法來測量試驗(yàn)前、試驗(yàn)中（一旦試樣穩(wěn)定在規(guī)定的溫度）和試驗(yàn)后被測光纖的衰減變化。六、核輻照1.測量原理為確保敷入有背景輻射和有害核輻射環(huán)境中的光纖能夠安全可靠地工作，有必要研究測量暴露在γ輻射環(huán)境中的成纜或未成纜單模光纖或多模光纖中產(chǎn)生的輻照感應(yīng)衰減的增加。這主要是由于光纖玻璃缺陷部位俘獲了輻射分解的光纖核輻照測量原理是采用衰減測量中的截?cái)喾▉泶_定光纖在環(huán)境背景下的輻照感應(yīng)衰減。通過監(jiān)測試樣光纖暴露在γ輻照前后及期間的功率來實(shí)現(xiàn)光纖在有害核輻照環(huán)境下的輻照感應(yīng)衰減。恢復(fù)效應(yīng)可在104～102時間范圍內(nèi)發(fā)生，這使得輻照引起的衰減變化特征變得很復(fù)雜。因?yàn)樗p與許多變量有關(guān)，如：試驗(yàn)環(huán)境溫度、試樣結(jié)構(gòu)、施加于試樣的輻射總劑量和劑量率以及測量衰減所使用的光平。2.試驗(yàn)裝置兩種輻照環(huán)境下的光纖核輻照試驗(yàn)裝置，如圖7.2和7.3所示。兩種試驗(yàn)裝置主要由輻照源、光源、光濾波器/單色儀、光探測器、光功率計(jì)和輻射劑量計(jì)等組成。圖7.2環(huán)境背景輻照試驗(yàn)裝置圖7.3有害核環(huán)境輻照試驗(yàn)裝置(1)輻照源①環(huán)境背景輻照試驗(yàn)應(yīng)采用一個Co（鈷）或等效的電離源以不大于0.2Gy/h的低劑量率產(chǎn)生γ輻射。②有害核環(huán)境輻照試驗(yàn)應(yīng)采用一個Co（鈷）或等效的電離源以0.05Gy/s至2.5Gy/s范圍內(nèi)所需的劑量產(chǎn)生輻射。(2)光源應(yīng)采用諸如鹵鎢燈、一組激光器或LED等光源來產(chǎn)生850nm、1300nm(1310nm)、1550nm工作波長。在完成測量的時間內(nèi)，光源強(qiáng)度應(yīng)保持穩(wěn)定。從光源耦合到試驗(yàn)光纖中的功率應(yīng)不大于-30dBm(1.0μW)。光源應(yīng)用占空比為50％的脈沖信號進(jìn)行調(diào)制。(3)光濾波器/單色儀應(yīng)用一組濾光器材或—單色儀獲得波長為850±20nm、1300(1310)±20nm和1550±20nm的光。濾光器3dB光譜寬度大于25nm。(4)包層模剝除器必要時，應(yīng)在試樣光纖輸入端和輸出端采用包層模剝除器以剝除包層模。如果光纖涂覆材料設(shè)計(jì)成可去除包層模（涂覆材料折射率略高于玻璃包層折射(5)光纖固定和定位裝置試樣光纖應(yīng)固定在諸和真空吸盤能穩(wěn)定支撐試樣輸入端的裝置上，以便試樣端可與輸入光進(jìn)行重復(fù)定位。(6)輸入端注入模擬器①多模光纖（折射率漸變型）應(yīng)用一穩(wěn)態(tài)模濾模器去掉高階傳輸模，在光纖輸入端建立穩(wěn)態(tài)條件。②單模光纖一光學(xué)透鏡系統(tǒng)或尾纖可用于激勵被試光纖。耦合進(jìn)試樣光纖中的光功率在試驗(yàn)期間應(yīng)保持穩(wěn)定。如果采用一光學(xué)透鏡系統(tǒng)，一種使光纖定位較不敏感的方法就是對光纖輸入端進(jìn)行空間和角度的滿注入；如果采用尾纖，可能有必要采用折射率匹配材料來消除干涉效應(yīng)。應(yīng)采用高階模濾模器來濾除高階模。(7)光探測器應(yīng)采用在接收光強(qiáng)范圍內(nèi)線性并穩(wěn)定的光探測器。典型系統(tǒng)可包括采用電流輸入前置放大器進(jìn)行放大的光生伏打型光電二極管，由鎖相放大器進(jìn)行同步檢測。(8)光功率計(jì)應(yīng)采用合適的光功率計(jì)測定從光源耦合進(jìn)試樣的光功率，確保它不大于1.0μW或按產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定的值。(9)輻射劑量計(jì)應(yīng)采用熱致發(fā)光LiF或CaF晶體檢測器(TLD)測定試樣光纖接收到的輻射劑量。(10)溫度受控試驗(yàn)箱溫度受控試驗(yàn)箱應(yīng)能將規(guī)定溫度保持在±2℃以內(nèi)。(11)試驗(yàn)線軸試驗(yàn)線軸對本試驗(yàn)所采用的輻射不應(yīng)起屏蔽或吸收作用。3.試驗(yàn)程序試樣置入試驗(yàn)箱以前，應(yīng)對輻照源劑量均勻性和強(qiáng)度進(jìn)行校準(zhǔn)。將四個TLD置于輻照區(qū)，使它們的中心放在試樣所在線軸或線盤軸線上。采用四個TLD以便于獲得具有代表性的平均值。應(yīng)采用等于或略大于實(shí)際試驗(yàn)劑量的校準(zhǔn)系統(tǒng)。為保證實(shí)際試驗(yàn)劑量測量的最大可能的準(zhǔn)確度，TLD只限于使用一次。被測光纖端面應(yīng)光滑、清潔并與光纖軸垂直。(1)環(huán)境背景輻照試驗(yàn)測量試樣暴露在γ輻照源前后衰減變化的測量步驟如下：①將光纖或光纜試樣（繞成圈或繞在線軸或線盤上）置于圖7.2所示的試驗(yàn)箱中；②將光纖輸入端和輸出端放在定位裝置上，并分別與光源和探測器對準(zhǔn)；③試驗(yàn)前，應(yīng)對試樣在25±5℃的溫箱中預(yù)處理1h，或在該溫度下按產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定的時間預(yù)處理；④按截?cái)喾?，測量試樣在規(guī)定波長下的衰減值，并記錄暴露于γ輻射源之前光纖的衰減值A(chǔ)1；⑤采用經(jīng)校準(zhǔn)的功率計(jì)測量試樣輸入端（圖7.2中A點(diǎn)）的功率。需要時，應(yīng)調(diào)節(jié)光源功率使得A點(diǎn)功率小于1.0μW或按產(chǎn)品規(guī)范中的規(guī)定；⑥按要求制備試樣端面，并將試樣端對中在試驗(yàn)裝置上；⑦在輻射源關(guān)閉的情況下，應(yīng)對試樣的輸入端進(jìn)行定位，以便在探測器上獲得最大光功率。一旦調(diào)好之后，在γ輻照試驗(yàn)期間不應(yīng)改變輸入端光注入條件；⑧輻照前，應(yīng)在規(guī)定的試驗(yàn)溫度下對所有試驗(yàn)波長測量輸出功率；⑨將某種曲線記錄儀或合適的測量裝置連接到檢測系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)功率測量，應(yīng)調(diào)整測量設(shè)備。使檢測信號不超過設(shè)備的極限；⑩通過使試樣經(jīng)受不大于0.2Gy/h的劑量率來測量由于暴露于γ輻照而產(chǎn)生的環(huán)境背景輻射效應(yīng)。試樣應(yīng)經(jīng)受至少為1Gy的最小總劑量；⑾在γ輻照周期內(nèi)應(yīng)記錄試樣輸出功率；⑿在完成輻照過程的2h之內(nèi)，應(yīng)按截?cái)喾ㄟM(jìn)行試樣的衰減測量，應(yīng)記錄暴露于γ輻射源之后試樣的衰減值A(chǔ)1；⒀對要求的試驗(yàn)溫度和波長，重復(fù)步驟①～⑿。對每一個要求的溫度，必須采用新的未經(jīng)輻照的試樣。(2)有害環(huán)境試驗(yàn)在暴露于γ輻射源前后及期間，測量試樣中傳輸功率的程序如下所述；①按要求制備短段試樣(1～2m)端面；②將短段試樣輸入端置于定位裝置上并與試驗(yàn)裝置對準(zhǔn)（見圖7.3用經(jīng)校準(zhǔn)的功率計(jì)測量時獲得最大光功率。需要時，應(yīng)采用中性密度濾波器調(diào)節(jié)光源功率，以在短段試樣輸出端獲得不大于1.0μW或按產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定的光功率；③將試樣軸放于試驗(yàn)裝置中，如圖7.3所示；④應(yīng)將試樣輸入端置于定位裝置上并進(jìn)行對準(zhǔn)，應(yīng)對輸出端進(jìn)行定位以使從試樣出射的全部光入射到探測器光敏面上；⑤試驗(yàn)前，應(yīng)對試樣在25±5℃溫度箱內(nèi)預(yù)處理1h；⑥輻射源關(guān)閉后，應(yīng)對試樣輸入端進(jìn)行定位，以在探測器上獲得最大光功率。一旦調(diào)好后，在γ輻照期間，不應(yīng)改變輸入端注入條件；⑦輻照前，應(yīng)在規(guī)定的試驗(yàn)溫度下，在所有的試驗(yàn)波長測量輸出功率。這時還應(yīng)測量參考探測器功率；⑧應(yīng)將某種曲線記錄儀或合適的連續(xù)測量裝置連接到檢測系統(tǒng)，以便進(jìn)行連續(xù)功率測量。應(yīng)調(diào)整測量設(shè)備以使檢測信號不超過設(shè)備極限；⑨通過使試樣至少經(jīng)受表7.2規(guī)定的劑量率和總劑量大小組合之一來測定由于暴露于γ輻照而產(chǎn)生的有害效應(yīng)。表7.2總劑量/劑量率組合總劑量Gy(Sievert)劑量率Gy/s300.051000.510002100002因?yàn)檩椛湓刺匦宰兓?，劑量率大小僅是近似值。輻射源之間劑量率的變化預(yù)計(jì)高達(dá)±50％，打開或關(guān)閉輻射源所需的時間應(yīng)不大于總暴露時間的10％；⑽在γ輻照周期內(nèi)記錄試樣輸出功率，在完成輻照過程后至少還要記錄功率15min或按產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定。在完成輻照過程之后的恢復(fù)期內(nèi)，還應(yīng)記錄參考檢測功率大??；⑾對要求的試驗(yàn)溫度和波長，重復(fù)步驟②～⑽。對每一個要求的溫度，必須采用新的未經(jīng)輻照的試樣。(3)計(jì)算①光衰減變化△A（環(huán)境背景輻照試驗(yàn)）△A=A2-A1(7.7)式中：A1—暴露于γ輻照之前試樣的衰減(dB)；A2—暴露于γ輻照之后試樣的衰減(dB)。②每一波長下光透射率變化A（有害環(huán)境試驗(yàn)）AO=-10lg(PO/PB)(7.8)A15=-10lg(P15/PB)(7.9)式中：PO—停止輻照Is內(nèi)試樣的功率輸出（除非另有規(guī)定）(mW)；P15—停止輻照15min內(nèi)試樣的功率輸出（除非另有規(guī)定）(μW)；PB—輻照開始前試樣的功率輸出(μW)；AO—緊按輻照之后試樣的光透射率變化（光衰減）(dB)；A15—輻照后15min內(nèi)試樣的光透射率變化（光衰減）(dB)。③考慮到系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，采用參考測量時，參考探測器的測量結(jié)果為：AREF=-10lg(PE/PBN)(7.10)式中：PE—測量結(jié)束時由參考探測器測得的功率(μW)；PBN—輻照開始前由參考探測器測得的功率(μW)。④考慮系統(tǒng)不穩(wěn)定，修正后的試驗(yàn)結(jié)果為：AONOR=AO-AREF(7.11)A15NOR=A15-AREF(7.12)第八章光纖機(jī)械性能測試第一節(jié)光纜機(jī)械性能測試的目的光纜機(jī)械性能試驗(yàn)是指檢驗(yàn)光纜產(chǎn)品所具有的抗外部機(jī)械力作用能力的試驗(yàn)。光纜在制造、運(yùn)輸、施工和使用過程中都會受到各種外機(jī)械力作用。光纜在外機(jī)械力作用下。光纜中光纖很可能會受到外機(jī)械力作用，其傳輸性能可能發(fā)生變化，使用壽命有可能縮短，甚至出現(xiàn)斷纖現(xiàn)象。光纜的機(jī)械性能技術(shù)指標(biāo)是光纜產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)。光纜機(jī)械性能檢測設(shè)備是檢驗(yàn)光纜產(chǎn)品機(jī)械性能的設(shè)備。光纜在制造、運(yùn)輸、施工和使用中通常受到綜合型的外機(jī)械力作用，不同情況下光纜承受的外作用力不但大小不同，而且類型也不同。綜合各種受力狀態(tài)，可分解為：拉伸、壓扁、沖擊、反復(fù)彎曲、扭轉(zhuǎn)、曲繞、卷繞和振動等八種典型的受力狀態(tài)。光纜機(jī)械性能試驗(yàn)是檢驗(yàn)光纜產(chǎn)品機(jī)械性能是否達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者訂貨合同技術(shù)指標(biāo)要求的檢測試驗(yàn)，即判斷被檢測光纜產(chǎn)品是否合格的試驗(yàn)，光纜廠要定期按本廠企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對所生產(chǎn)的各種型號光纜做這種常規(guī)試驗(yàn)，以便及時判斷所生產(chǎn)的光纜產(chǎn)品質(zhì)量及質(zhì)量控制是否存在問題。第二節(jié)性能測試本章介紹的各種光纜機(jī)械性能測試方法，應(yīng)根據(jù)光纜類型由用戶與廠家共同商定。不同的光纜類型應(yīng)選擇不同的試驗(yàn)項(xiàng)目，并非所有的光纜類型都要做所有的項(xiàng)目。合格判據(jù)和試樣數(shù)量等應(yīng)符合相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品進(jìn)網(wǎng)規(guī)定。一、拉伸1.目的拉伸的測試方法適用于在規(guī)定的拉力下試驗(yàn)光纜，以驗(yàn)證在敷設(shè)的光纜中光纖的衰減和光纖伸長應(yīng)變性能與負(fù)載之間的關(guān)系。這個方法的初衷是非破壞兩種測試方法為：方法1：測量衰減變化的方法。方法2：確定光纖伸長應(yīng)變的方法。方法2可以提供現(xiàn)場敷設(shè)光纜最大允許拉力和光纜應(yīng)變安全系數(shù)。兩個方法既可單獨(dú)使用，也可以組合使用，應(yīng)按詳細(xì)規(guī)范要求或按用戶和廠方協(xié)商意見進(jìn)行。2.試樣試樣應(yīng)在整盤光纜上進(jìn)行。在受試光纜的兩端做好光纖端面處理。3.試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置組成的示例，如圖8.1和圖8.2所示。(1)方法1：用一臺衰減測量儀來測量衰減變化(2)方法2：用一臺光纖伸長應(yīng)變測量儀（詳見光纖伸長測量方法）測量其拉伸應(yīng)變?？估瓘?qiáng)度測量裝置能夠調(diào)節(jié)受試光纜的最小長度。所用的轉(zhuǎn)向滑輪，如圖8.2所示。負(fù)載傳感器的最大負(fù)載范圍的最大誤差為3％。仔細(xì)地按規(guī)定方法調(diào)節(jié)夾持裝置來夾持光纜使之不影響試驗(yàn)結(jié)果。如需要，應(yīng)提供機(jī)械和電氣方法來測量光纜伸長。圖8.1拉伸性能測量原理圖8.2用轉(zhuǎn)向滑輪和卡盤的拉伸試驗(yàn)裝置示例4.試驗(yàn)程序試驗(yàn)應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下進(jìn)行。安裝光纜至拉伸設(shè)備并保證其固定安全。在拉伸設(shè)備和兩端所用的固定光纜的方法是均勻地固定受試光纜，限定住光纜/或光纜的最大允許拉伸負(fù)載和應(yīng)變極限。然而，對某些光纜結(jié)構(gòu)（如中心管式）需要通過防止光纖滑動措施才能獲得正確的應(yīng)變極限值。將拉伸試驗(yàn)中光纜的光纖連接到測量儀。對方法2（光纖伸長測量方法—差按有關(guān)規(guī)范要求連續(xù)增大拉伸負(fù)載至規(guī)定值。記錄衰減變化和/或光纖應(yīng)變與光纜負(fù)載或伸長的函數(shù)關(guān)系。對大芯數(shù)光纜，可以采用一臺多路衰減和（或）多路光纖應(yīng)變測量儀。通常，試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)為一次。試樣的衰減和/或光纖應(yīng)變不超過相關(guān)規(guī)范的要求值。對方法2如果有詳細(xì)的規(guī)范要求，應(yīng)該計(jì)算出光纖伸長率與負(fù)載，包括去除拉伸負(fù)荷后的殘留伸長。光纜伸長率εc和光纖伸長率εf，如圖8.3所示。如果需要，應(yīng)在光纖應(yīng)變與拉伸負(fù)荷曲線上定義出光纖開始發(fā)生應(yīng)變處的負(fù)荷，即曲線的線性部分與負(fù)荷橫坐標(biāo)軸的相交點(diǎn)。試驗(yàn)報(bào)告中應(yīng)包括下列內(nèi)容：光纜長度和受試長度、光纖端面制備狀況、負(fù)荷傳感器、注入條件、衰減測量儀用的光纖應(yīng)變測量裝置、在特定波長的衰減或光纖應(yīng)變變化與負(fù)荷的函數(shù)關(guān)系及拉伸速率等。圖8.3光纖伸長和光纜伸長與拉伸負(fù)荷的函數(shù)關(guān)系二、光纜護(hù)套耐磨損1.目的光纜耐磨損包括兩個涵義：護(hù)套的耐磨損和光纜標(biāo)志的耐磨損。本書光纜耐磨損試驗(yàn)的目的是確定光纜護(hù)套耐磨損。2.試樣試樣長度按規(guī)定要求，典型的試樣長度為750mm。3.試驗(yàn)裝置耐磨損試驗(yàn)裝置是由一個設(shè)計(jì)成沿平行光纜縱軸從兩個方向以每分鐘55±5個循環(huán)的頻率磨擦光纜外表面的長度為10±1mm的設(shè)備組成。一個磨擦沿兩個方向各移動一次構(gòu)成一個磨損循環(huán)。磨擦刃口應(yīng)是直徑為按詳細(xì)規(guī)范規(guī)定的一個鋼針。一個典型的磨損試驗(yàn)裝置，如圖8.4所示。圖8.4磨損試驗(yàn)裝置4.試驗(yàn)程序試驗(yàn)應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下進(jìn)行。用光纜夾頭將測量長度大約為750mm的光纜試樣牢牢地固定在支撐平臺上。按有關(guān)規(guī)范要求給磨擦刃口提供所需的負(fù)荷力，而且要避免沖擊光纜。對每個試樣進(jìn)行四次試驗(yàn),每次試驗(yàn)后試樣向前移動100mm,同時按同一方向旋轉(zhuǎn)90°。按有關(guān)規(guī)范要求的循環(huán)數(shù)試驗(yàn)后，光纜護(hù)套應(yīng)無磨穿現(xiàn)象出現(xiàn)，而且要保持光纜中光纖的光學(xué)連續(xù)性。三、壓扁1.目的壓扁試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證光纜的耐壓能力。2.試樣光纜試樣長度要保證完成試驗(yàn)規(guī)定的要求。3.試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置應(yīng)能使在平鋼板和可移動鋼板之間的光纜試樣的受試長度為100mm的部分受到均勻的壓力?？梢苿愉摪宓倪吘墤?yīng)倒圓，倒圓的半徑大約為5mm。在鋼板的平面部分不包括邊緣。典型的試驗(yàn)裝置如圖8.5所示。圖8.5壓扁試驗(yàn)裝置4.試驗(yàn)程序?qū)⒐饫|試樣置于兩平鋼板間，防止其側(cè)向移動。逐漸施加壓力，以求不產(chǎn)生突然變化。如采用逐步增量方式施加壓力，則增量比不超過1.5:1。在不轉(zhuǎn)動光纜試樣的情況下，壓力應(yīng)施加在試樣的三個不同的位置，它們的位置間隔應(yīng)大于500mm。如有規(guī)范要求進(jìn)行工作條件試驗(yàn)，可在垂直于試樣方向插入一根或多根鋼棒（直徑為25mm）進(jìn)行附加或替代試驗(yàn)。試驗(yàn)應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下進(jìn)行，試驗(yàn)時應(yīng)在有關(guān)規(guī)范中規(guī)定最大壓扁力、允許的短暫壓扁力和長期壓扁力。通常，試驗(yàn)施加負(fù)荷的持續(xù)時間至少為1min。如有要求應(yīng)在加載下測量試樣的附加衰減，卸載5min后，測量試樣衰減變化。試驗(yàn)合格判斷依據(jù)應(yīng)詳細(xì)規(guī)定。典型的破壞形式包括：光纜中光纖喪失光學(xué)連續(xù)性，光傳輸性能惡化或光纜遭受到物理損傷。圖8.6所示為典型的壓扁試驗(yàn)中測量的壓扁力與附加衰減的變化曲線。圖8.6壓扁力與附加衰減的變化曲線四、沖擊1.目的沖擊試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證光纜耐沖擊能力。2.試樣光纜試樣長度要保證完成試驗(yàn)規(guī)定的要求，當(dāng)只對光纜試樣物理損壞進(jìn)行判定時，試樣長度為1m（如小直徑的軟跳線光纜或雙芯光纜）至5m（大直徑光光纜試樣和每端連接一個連接器或者采用一種典型的方法，將光纖、護(hù)套和加強(qiáng)件夾持在一起，如沖擊裝置上的夾具合適，試樣就不受上述限制。3.試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置將使沖擊作用到固定在一個鋼基座平臺上的光纜試樣上。對只需一次或幾次沖擊的試驗(yàn)，所選用的合適試驗(yàn)裝置，如圖8.7所示。圖8.7幾次沖擊試驗(yàn)裝置沖擊試驗(yàn)裝置將重物以垂直落體方式使沖擊力傳遞到受試光纜試樣的一個中間鋼件上。當(dāng)需要進(jìn)行重復(fù)沖擊（即沖擊數(shù)大于5次）試驗(yàn)時，選用的是更為實(shí)用的沖擊試驗(yàn)裝置，如圖8.8所示。通過落錘可實(shí)現(xiàn)重復(fù)沖擊。通常，沖擊速率約為2秒一個循環(huán)。與試樣接觸的沖擊表面應(yīng)為圓形。它即可是半球形(圖8.9A)又可是圓柱形(圖8.9B)。沖擊件表面半徑R應(yīng)為300mm。試驗(yàn)裝置應(yīng)包括光學(xué)性能測試設(shè)備，按規(guī)范要求對試樣進(jìn)行衰減變化的測量。圖8.8重復(fù)沖擊試驗(yàn)裝置圖8.9沖擊件表面形狀4.試驗(yàn)程序試驗(yàn)是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下進(jìn)行。如需要，光纜試樣應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下預(yù)處理24h。沖擊試驗(yàn)規(guī)范中應(yīng)規(guī)定沖擊次數(shù)、沖擊速率和在試樣上的沖擊位置。試驗(yàn)合格判據(jù)應(yīng)按有關(guān)規(guī)范內(nèi)容進(jìn)行。典型的試樣失效形式包括：光纜中光纖喪失光學(xué)連續(xù)性、光傳輸性能降低或光纜物理損傷、圖8.10給出一個典型的沖擊試驗(yàn)引起光纖附加衰減的曲線。圖8.10沖擊試驗(yàn)的光纖附加衰減五、反復(fù)彎曲1.目的反復(fù)彎曲試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證光纜經(jīng)受反復(fù)彎曲的能力。2.試樣試樣長度應(yīng)滿足試驗(yàn)規(guī)定的要求。當(dāng)只鑒別光纜試樣物理損傷時，試樣長度為1m（例如，小直徑的軟跳線光纜或雙芯光纜）至5m要進(jìn)行光學(xué)性能測量時，所需要的試樣長度會更長。光纜試樣的每端應(yīng)與連接器連接，或以一種典型的方法將光纖、護(hù)套和加強(qiáng)件夾持在一起。如果彎曲裝置上的夾具合適，試樣長度不受上述條件限制。3.試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置允許試樣左右往復(fù)彎曲角度達(dá)180°。試樣的兩個極根位置為試樣的兩個垂直邊彎成90°。與此同時，試樣受到一個拉伸負(fù)荷。光纜反復(fù)彎曲試驗(yàn)裝置，如圖8.11所示。對帶有連接器的光纜反復(fù)彎曲試驗(yàn)裝置，如圖8.12所示。圖8