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技术论文
关于光缆拉伸试验中光纤应变异常的探讨

摘  要:近年来,我国光纤通信网络的大规模建设,光纤光缆的需求量逐年稳定增长,使得光纤到户的普及率越来越高,光纤数据下行速度与流量也越来越快,大大地方便了人们的日常生活。稳定的信号质量与数据传输与传输线路光缆的质量有着密不可分的关系,要求所使用的光缆加工制造过程稳定,对保证光纤传输质量有技术保障。本文就光缆拉伸试验时,可能出现的纤应变结果异常的情况进行探讨。
关键词:光纤  光缆  拉伸  试验  光纤  纤应变  异常
1 前言
光纤光缆作为光纤通信的主要载体,光缆质量的优劣直接关系到光信号传输的好坏;对于光缆产品而言,要求光缆产品务必满足相关的标准及技术规范的要求;考虑到光缆在施工或者传输过程中可能遇到的恶劣环境,光缆产品本身必须达到相关标准要求的技术指标要求,为光纤光缆的正常使用及信号传输提供技术支撑。本文以室外光缆为例进行实例分析。
2 常见光缆拉伸纤应变异常现象
在对室外光缆进行机械性能项目试验时,会遇到光缆的拉伸光纤应变(以下简称纤应变)明显偏离了设计应变水平,得出明显异常的试验结果。这些异常的试验检测结果,严重影响了检测的准确性,无法发挥检测的作用,相反还对生产工艺控制造成干扰。根据以往的检测经验,经常遇到以下两种明显异常的情况,分别如图1、2所示。
图1  负应变纤应变曲线
图1为一盘GYTS 24B1.3光缆的拉伸应变曲线,就检测结果看,此盘光缆长期、短期拉力下,纤应变分别为-0.006%、0.030%,残余纤应变-0.017%。
图2  残余应变较大的纤应变曲线
图2为一盘GYTS-4B1.3型光缆的拉伸应变曲线,图中所示测试曲线的测试结果为长期、短期纤应变分别为0.003%、0.012%,残余纤应变为0.015%。
而根据产品标准[1],图2所示的检测结果,不符合标准要求,残余附加衰减大于0.01%。
3 纤应变检测原理及结果异常的原因分析
根据试验标准[2]要求,光缆拉伸试验过程,就是在一根光缆中某一段上,均匀施加规定的纵向张力,达到规定张力后再卸去所施加的纵向张力,同时在加载、卸载的过程中监测受试段光缆的纤应变及衰减变化情况。在整个试验过程中,可分为两个过程,即加载过程以及卸载过程。在纵向加载过程中光缆逐渐伸长,在达到拉伸窗口后,缆中光纤开始伸长,即产生纤应变,应变由“0”开始逐渐递增;在卸载过程中,光缆随着纵向张力的减小而逐渐回缩,当拉伸窗口小于光缆短期拉力要求时,在光缆回缩的同时,纤应变将逐渐减小直至为“0”。
根据拉伸试验输出结果分析,图1所示曲线图中,除短期纤应变大于0,长期纤应变、残余纤应变全部小于0,即为负。而图2所示曲线图中,长期、短期以及残余纤应变全部大于0,但残余纤应变又大于短期纤应变。在光缆整个试验过程中,从理论上讲纤应变是不应该出现负值的,但是由于监测设备的测试误差,实际检测中是有可能出现负应变,但负应变的绝对值应不大于监测设备的最大允许误差。因此图1、图2所示的拉伸纤应变曲线明显异常,测试结果不准确。
对检测过程进行分析后,发现在检测员、检测设备、检测环境完全满足标准要求,那么只可能是方法上存在问题,但是在采用同样的方法,在有的时候也能测出正常的检测结果,因此难以说明是在检测方法上出了问题。我们首先对以往的试验检测情况进行汇总统计分析,可以发现在夏、冬两季节,这种异常情况出现频次相对较多,且图1所示的情况大多发生在夏季,而图2所示的情况大多发生在冬季。根据分析结果,我们对这些测试结果异常的情况进行了研究分析,很有可能是因为试样本身的温度不同于检测区域温度,即样品预处理不满足试验要求,而造成检测结果的异常。
为了验证我们的推测,我们设计了一套试验方案:选择两盘同种型号的光缆(长度为3km),将其中一盘作为负载对象,进行正常的拉伸试验,另一盘作为监测对象,接入监测设备。将作为监测对象的光缆放置在恒温箱中进行两次恒温(用于模拟夏季和冬季两个季节),两次恒温的温度分别设定为9℃、32℃,恒温同为24h,对恒温后光缆分别进行两次纤应变的监测。
在这三个试验期间,试验区域的温度都持续维持在(22±2)℃,同时作为负载对象的光缆一直放置在试验区域。
试验1(模拟冬季):
将在9℃温度下恒温后的监测对象光缆,从恒温箱中取出后,及时移入拉伸试验区域,以正常的试验速度将负载对象安装到光缆拉伸试验机上,将监测对象接入纤应变监测设备。按标准试验过程,进行光缆拉伸试验,得出如图3所示9℃拉伸曲线。
此次试验,纤应变结果为:长期拉力时纤应变为0.009%;短期拉力时纤应变为0.020%;残余纤应变为0.034%。
图3  9℃拉伸曲线
试验2(模拟夏季):
将在32℃温度下恒温后的监测对象光缆从恒温箱中取出后,重复试验1的过程,得出如图4所示32℃拉伸曲线。
此次试验,纤应变结果为:长期拉力时纤应变为-0.005%;短期拉力时纤应变为-0.010%;残余纤应变为-0.015%。
图4  32℃拉伸曲线
试验3:
将监测对象光缆放置在拉伸试验区域3天,保证监测对象光缆达到实验室的恒定温度后,重复试验1的过程,得出如图5所示常温拉伸曲线。
此次实验,纤应变结果为:长期拉力时纤应变为-0.003%;短期拉力时纤应变为-0.003%;残余纤应变为-0.003%。测试值完全处于监测设备的允许误差范围内,基本可认定在模拟试验中光纤应变无变化,纤应变为“0”。表明了受试光缆在检测环境下恒温充分后,纤应变测试时仅受纵向拉力影响,可以准确反应出光缆拉伸时纤应变的水平。
图5  常温拉伸曲线
试验1、试验2则表明了在光缆不受纵向负载时,缆自身温度与检测环境温度的不同而引起纤应变差异。当缆自身温度低于检测环境温度,试验过程中随着缆的温度升高,光纤因热胀效应而伸长,引起纤应变增大;当缆上温度高于检测环境温度,试验中随缆的温度降低,光纤因冷缩效应而缩短,引起纤应变变化。
三个试验以同一盘光缆作为负载对象,模拟了拉伸过程,排除了监测对象受纵向负载的影响,验证了之前的推测,光缆拉伸试验中试样的温度与检测环境温度有差异时会影响检测结果。即光缆拉伸试验中纤应变测试值的数学模型如公式1所示。
      公式1,
式中,ε为纤应变测试值,ε(F)为纤应变与光缆受纵向负载而引起纤应变变化的函数,ε(t)为光缆受温度影响而引起纤应变变化的函数。
4 纤应变检测异常结果解决建议
如何解决上面所列出的异常情况,最好的办法是按照试验标准中的要求进行试样预处理,试验时即可实现试验3的效果——排除温度对检测结果的影响,这样检测结果的准确性将得到保证。但在一些特殊的情况下,比如在较短的时间内要开展较多的检测,受制于场地,无法严格按标准要求进行检测;生产周期极短的定单,没有充足时间按标准要求进行检测等。通过试验,我们提出下面两种方法,可有效降低因未严格进行试样预处理而对试验结果产生的影响。
第一种方法:采用较短试样验进行检测,如150-200m的试样。
我们知道石英玻璃的热胀系数为5.5*10-7-1,而光纤主要成份就是石英玻璃,可以认为光纤的的热账系数即为5.5*10-7-1。而热账系数也可以解释为,单位长度的光纤,每升高1℃,其应变即增加0.000055%。这样小的应变貌似对检测的结果的影响不大,但根据检测结果看,实际影响非常大。
根据应变的概念:
          公式2,
式中L是变形前的长度,ΔL是其变形后的伸长量,ε是线应变。
用在光缆拉伸试验纤应检测时,L为光缆受力长度,不等于试样长度,各实验室根据设备的布置互有差异,我们实验室采用52.8m;ΔL为包含受力段在内的整个试样(被监测光缆全长)的伸长量。
根据检测原理,假设试样全长为3000m,那么使用我们实验室的设备进行检测,在试验过程中,试样每升高1℃,即
0.003%
这个结果将对最终的试验结果造成影响,特别是长期拉力下纤应变及残余纤应变。而改用成200m试样,则ε(T)≈0.0002%,在温度变化不是非常大时基本不会影响检测结果。
第二种方法:通过温度-应变函数计算测试结果。
前文的分析,充分反映出光缆拉伸试验时,纤应变的变化随拉力负载及试验中缆上温度变化情况决定。其数学模型应为:
        公式3,
式中,ε(F)为纤应变与拉力负载的函数,ε(T)纤应变与缆上温度变化的函数,ε则为测试值。通过计算得出ε(T),从而得出ε(F),即光缆拉伸性能(纤应变)的实际值。
观察下面两个拉伸曲线,光缆拉伸时,在拉伸窗口前的升力阶段、卸力阶段,可以认为在这两个阶段内,纤应变仅随温度变化而变化,且这变化是线性变化。采集曲线上检测数据,可得出纤应变与温度的函数关系。
        
           图6(a) 负应变纤应变时间曲线                   图6(b) 残余应变较大的纤应变时间曲线
图6(a)与图1是反映同一盘光缆的同一个试验,只是图1显示纤应变与拉力负载的变化关系,而图6(a)则显示纤应变与时间的变化关系。以这盘缆的拉伸试验为例,在图6(a)中所示线性区域内采集测试数据,通过拉伸试验的“strain date”栏,采集数据如表1所示。
 
(ε1,T1)
(ε2,T2)
光通道
采集时间
纤应变
%
光通道
采集时间
纤应变
%
采集
数据
2
12
(00:02:38)
-0.001
2
27
(00:05:53)
-0.004
3
-0.001
3
-0.004
4
-0.002
4
-0.005
5
-0.003
5
-0.005
6
-0.002
6
-0.004
7
-0.003
7
-0.005
8
-0.002
8
-0.003
9
-0.001
9
-0.003
10
-0.002
10
-0.004
11
-0.001
11
-0.004
12
-0.003
12
-0.005
13
-0.003
13
-0.005
平均值
-
-
-0.002
-
-
-0.00425
表1 负应变纤应变曲线数据采集表
根据线性函数的表达式f(x)=mx+b以及表1中两次采集的时间及每次采集数据的平均值,可近似得出m=-1.15*10-7,b=-1.83*10-6。则ε(T)的函数关系式为:
      公式4,
查测试时的“strain date”,图1所示拉伸曲线这盘GYTS-24B1.3型光缆的长期、短期以及残余纤应变的测试时间分别为06:31、13:27、19:44。根据公式4,可得:
长期纤应变ε(TL)=-0.0047%;
ε(TS)=-0.0095%;
ε(TR)=-0.0138%。
根据公式2可得出ε(F),即光缆拉伸性能的实际纤应变:
ε(FL)=-0.001%;
ε(FS)=0.040%;
ε(FR)=-0.003%。
同样,图6(b)与图2也是反映同一个试验。表2为其数据采集表。
 
(ε1,T1)
(ε2,T2)
光通道
采集时间
纤应变
%
光通道
采集时间
纤应变
%
采集
数据
2
180
(00:15:01)
0.008
2
240
(00:20:01)
0.015
3
0.011
3
0.012
4
0.010
4
0.014
5
0.010
5
0.012
平均值
-
-
0.00975
-
-
0.01325
表2 残余应变较大的纤应变曲线数据采集表
同样地计算推理过程得出ε(T)的函数关系式:
     公式5,
查测试时的“strain date”,图2所示拉伸曲线这盘GYTS-4B1.3型光缆的长期、短期以及残余纤应变的测试时间分别为05:36、13:06、21:31。
根据公式5,可得:
ε(TL)=0.0047%;
ε(TS)=0.0099%;
ε(TR)=0.0158%。
根据公式2可得出ε(F),即光缆拉伸性能的实际纤应变:
ε(FL)=-0.002%;
ε(FS)=0.002%;
ε(FR)=0.000%。
5 结束语
根据以上拉伸试验输出结果来分析,不同的环境因素对于受测拉伸光缆的输出结果可能产生很大的不同,所做出受测光缆的最终评定也有差异,但是试验结果实际上并没有真正反应出光缆产品的实际性能水平,可能会影响到光缆产品最终试验结果的判定。作为一个专业化的试验室,必须严格按照标准所设定的试验步骤和规范进行操作,不能随意做出自我判断,也不能轻视细微小变化对产品本身的影响,试验工作本身是一种严肃而认真的工作,在条件允许的情况应该以标准要求的试验方法进行检测,真实地反应出光缆本身的质量水平。
参考文献:
[1] YD/T 901-2009层绞式通信用室外光缆
[2] GB/T 7424.2-2008光缆总规范 第2部分:光缆基本试验方法
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