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第六章光纤带机械性能第一节光纤带机械性能测试的目的众所周知，光纤带是由紫外光固化涂覆光纤和紫外光固化粘结材料共同组合的线性矩阵。如果光纤带在成缆、施工、使用、维护中受扭转、残留扭转等外力作用，那么会影响光纤的传输性能和机械使用寿命。同时，光纤带在施工、维护中应具有可分离性，即光纤能从光纤带中分离成若干根光纤的子单元或单根光纤。光纤带便于剥离，即光纤涂覆层及光纤带粘结材料能容易地剥除。这样，光纤带机械性能包括：可分离性、可剥离性、抗扭转能力和残余扭转度。研究光纤带机械性能的目的在于，从光纤带结构出发，通过模拟光纤带在成缆、施工中受扭转等条件进行必要的试验来确保光纤带的传输、机械性能及使用寿命。第二节测量方法国内外有关标准中介绍的验证光纤带机械性能优劣的试验方法有：光纤带的可分离性、光纤带剥离性、光纤带抗扭转能力和光纤带残余扭转度。本章将简要介绍这些试验的测量原理、试验装置和试验程序。一、光纤带可分离性1.测量原理光纤带可分离性试验的测量原理是利用一工具或手工将未老化的6芯或12芯或24芯光纤带中的光纤分离成单根或多根光纤的子单元。光纤带可分离性试验的目的有两个：(1)保证要求分离的光纤带具有足够的抗撕裂性能。(2)确保要求分离的光纤带具有可分离成单根光纤或多根光纤子单元的分离性。2.试验装置光纤可分离性试验装置应包括一个具有合适夹具的张力强度测量装置和一个放大倍数为100倍的显微镜。3.试验程序对于n芯光纤带，从被测的每个约1m长的光纤带试样上截取最小长度为100mm的光纤带试样，共取n/2段试样；对m批光纤带，光纤带试样数共有m×n/2个。对于x个光纤带试样（从批次中抽取，在产品规范中，x一般规定为3～5），用刀器将被试光纤带中光纤一根根与光纤带中其他光纤分开至长度为25～30mm，以便于试验时夹持，如图6.1所示。对于x较多的光纤带试样，要将光纤带中光纤两根两根地与光纤带中其他光纤分开，直至分出的光纤根数为被测试光纤带芯数的一半，即n/2。图6.1可分离性试验试样制备可分离性试验程序如下：将每个试样插入强度测量装置上，如图6.2所示，在离分离起始点约3mm处位置将分开的光纤夹住，以100mm/min的速度慢慢地将光纤撕开至50mm的长度，并连续记录50mm的长度上的撕裂力。用显微镜检查可分离性，即光纤带撕裂后预涂覆层和着色层受损的情况。最后，比较所测的各光纤所需撕裂力的大小。图6.2光纤带可分离（撕裂）试验示意图评定光纤带可分离性优劣条件有：不使用特殊工具或器械就能完成光纤带的分离。完成撕开时所需的应力不超过4.4N。光纤分离过程不应对光纤的传输和机械性能造成永久性的损伤。在分离试验后光纤着色层允许有点脱落，但在任意2.5cm长度的光纤上应留有足够的便于光纤带中各光纤相互区别的色标。二、光纤带可剥离性1.测量原理使用专用的剥离工具，从未老化和老化的光纤带上，以机械的方式剥去一段长度大于25mm光纤带的粘结材料、着色层和光纤预涂覆层，以验证光纤带的可剥离性的优劣。2.试验装置光纤带可剥离性的试验装置为一专门的剥离工具和用来擦去光纤带上各涂覆层残留物的酒精。3.试验程序受试光纤带试样预处理方法有两种：温度湿度老化法和水老化法。温度湿度老化法是将受试光纤带浸泡在温度为85±2℃，非冷凝湿度为85±5％环境中停留30天。水老化法是将受试光纤带浸泡在温度为23±5℃的去离子水或蒸馏水中持续14天。光纤带可剥离性试验在标准大气压下进行。未经过老化、湿度老化和水老化光纤带的可剥离性试验应在老化后的8小时内完成。剥离后的光纤带的清洁应用酒精擦清光纤上的残留涂覆物，以使玻璃光纤能够熔接。可剥离性试验的试样最少为10个。三、光纤带抗扭转1.测量原理光纤带在成缆、敷设、使用和维护中不可避免地受到扭转的作用。光纤带抗扭转试验的测量原理是设法在光纤带上施加荷载，借助循环扭转来模拟光纤带实际扭转情况，以检验光纤带结构的机械和功能的完整性，确保光纤带经受扭转力作用后，光纤带中光纤不会分离成单根光纤或多根光纤子单元。2.试验装置光纤带扭转试验的试验装置，如图6.3所示。该试验装置由两个竖直放置的光纤带定位夹具和为每根光纤施加1N张力的吊挂荷重器具组成。图6.3抗扭转试验装置3.试验程序从不同批次的光纤带中选取5个有代表性试样，每个试样长度为340mm。将制备好的光纤带试样牢固地固定在试验装置中，两夹具夹持的光纤带距离为300mm。试验时，先将顶端夹具顺时针旋转180°回到起始位置后，再逆时针旋转180°，然后再回到起始位置，这就构成一个循环扭转试验。扭转试验应重复进行20个循环，扭转速度为每分钟20个循环。四、光纤带残余扭转1.测量原理光缆中绞合的光纤带长度与敷设的光缆中的光纤长度相等。接入网中馈线和配线中所用的光缆要经受很宽的温度和湿度的作用。这种作用在光缆接续点或地上标准终接点或接头盒处特别显著。光纤带必须在无扭转状态才能保持它们的尺寸完整性，允许重新排列或限制因光纤扭转引起宏观弯曲致使衰减增大。光纤残余扭转的测量原理是在受试光纤带底部悬挂IN的荷载，使光纤带发生扭转，测量出扭转角θ，用扭转角θ除以光纤带试样长度就可以计算出光纤带的残余扭转。2.试验装置光纤带残余扭转试验装置，如图6.4所示。该试验装置由两个夹具、一个加载重物和扭转角测量仪器组成。图6.4光纤带残余扭转试验装置3.试验程序从被试光纤带中选取5个有代表性的试样，每个试样长度应不小于50mm。将试样置于85℃下老化30天。试验时，用夹具固定光纤带的顶部，并在光纤带底部加1N的荷重，使光纤带无扭转，记录下此时光纤带的位置，然后，卸除负荷，光纤带发生扭转，测量扭转角θ；用θ角除以光纤带试样长度计算出光纤的残余扭转。第七章光纤的环境性能第一节光纤环境性能测试的目的随着人们对信息需求的日益增长及光纤通信技术的日趋成熟，光纤光缆正在以架空、直埋、管道、沟道、隧道、水下等敷设方式在各种各样的实际使用环境中，织制着纵横交错的光缆网络。光纤光缆跨越各种温区，要能经受不同环境条件的作用。为确保光纤能在各种严酷环境条件下正常工作，我们应该模仿光纤实际使用场所的温度、潮湿、高温高湿、高温、核辐射等环境条件设计出温度循环、浸水、高温高湿、高温、核辐射等试验来检验光纤对气候的适应性、耐核辐射等性能是否符合要求。人们正是在充分研究光纤的环境性能的基础上，设法改进光纤的材料选择、结构设计、制造工艺、正确选择涂覆、套塑材料及相应的涂覆工艺和合理选择光缆材料、光缆结构和成缆工艺。如果我们从理论和试验中找出致使光纤环境性能下降的原因所在，那么改善光纤环境性能的办法也就指日可待了。第二节测量方法光纤环境性能试验主要包括温度循环。浸水、高温高湿、核辐射等。温度循环试验用来验证光纤的气候适应性能，浸水试验是考察光纤的耐水侵蚀性能，高温高湿试验则是判断光纤耐高温高湿作用的性能，高温试验是用来评价光纤耐高温的性能，核辐射试验用以检测光纤耐γ射线辐射的耐辐照性能。下面对光纤环境性能的测量原理、试验装置和试验程序等作简单介绍。一、温度循环1.测量原理光纤温度循环试验的测量原理是通过模拟光纤在储存、运输和使用期间可能经受的最坏温度变化来确定A1a-A1d多模光纤和B1-B4单模光纤对温度变化的衰减稳定性，即光纤的衰减温度特性。光纤的温度衰减特性试验是将受试的整筒光纤放在气候室内，在温度循环试验规定的温度范围内进行温度循环试验，以确定温度变化时，光纤的附加损耗量。温度循环试验结束后，可按下式计算出光纤的平均附加损耗：0log10PPL(dB/km)(7.1)式中：P—分别在试验点TA、TB、保温后的稳定光功率；P0—参考温度T0的光功率；L—试样长度。另外，我们还可以用光时域反射计(OTDR)直接测量不同温度点的OTDR曲线，从而确定光纤的温度附加损耗量。2.试验装置光纤的温度衰减特性的试验装置主要由衰减测量装置和气候室组成。(1)衰减测量装置应采用GB/T15972.4-1998《光纤总规范第4部分：传输特性和光学特性试验方法》中规定的传输功率监视法和GB/T15972.4规定的后向散射法中的衰减测量装置来测定被测光纤的温度衰减变化。(2)气候室气候室的体积大小应适合容纳被试光纤线盘，气候室的温度应地规定试验温度范围内，其温度控制精度应在±3℃内。采用强制空气循环来维持气候室内温度均匀，气候室的设置及辅助设备的安放要避免冷凝水滴落到受试光纤试样上。3.试验程序试样为出厂长度或按产品规定的长度，并应为可达到所需试验准确度的适当长度。建议被试光纤最短长度为：多模光纤(A1a～A1d)应不短于1000m，单模光纤(B1～B4)应不短于2000m。如果受试光纤经滑石粉处理，那么应从该试样光纤中抽出一段未涂抹滑石粉的光纤进行试验。为了得到具有重复性的试验结果，试验光纤应松驰地绕在线盘上并置于气候室内。试验结果可能会受到光纤弯曲半径的影响。基于这个考虑，试样松绕成卷并用滑石粉材料处理，以便使卷绕的紧挨各圈，彼此能自由地移动。受试光纤可以以水平或垂直方式绕成最小弯曲直径为150mm，以避免发生宏弯作用。被测光纤试样放入气候室内，在规定的时间内经受各种温度变化。试验条件，如表7.1所示。表7.1温度循环试验条件预处理条件温度测试条件标称值2h,23℃,50％RH最低温度TA-60℃或-40℃最高温度TB+85℃或+70℃在每个温度下最小的持续时间t12h最大的温度速率斜坡速率1℃/min需要完成的循环次数循环次数2试验具体步骤与内容大致如下：试验前应将被试光纤试样置于正常试验大气环境中预处理时，目视检查外观，然后将试样光纤的两端分别与稳定光源和光检测系统连接好，待监测系统稳定后测定环境温度下的衰减基准值。将处于环境温度下的试样光纤置入气候室，并将试样光纤两端引出气候室外，与稳定光源和光检测系统连接好或与光时域反射计连接好。再以适当的冷却速率将气候室温度降到规定的低温TA，待室内温度达到稳定后，接着使试样光纤在TA温度下保温适当的时间t1(t1≥2h)。然后以适当的加热速率将气候室温度升高至规定的高温TB，待室内温度稳定后，使试样光纤在TB温度下保温适当的时间t1，再以适当的冷却速率将气候室温度降至环境温度。上述的降温、保温、升温、保温过程构成了一个温度循环。如图7.1所示。图7.1一个温度循环的试验气候室内温度循环曲线在一个温度循环过程中要记录好温度点环境温度TA、TB下经过保温时间t1后输出光功率P0、PA、PB。光纤温度衰减特性实验时，被测光纤试样应经历两个温度循环过程。试验结束后，按照式(7.1)计算出光纤的平均附加损耗量。二、温度时延漂移1.测量原理当今光纤光缆被广泛使用在不同的敷设方式和环境中，敷设方式有架空、管道、直埋、缆沟和水下等，使用环境温度为-50～+60℃，因此要求光纤的性能要有高度的稳定性。长期以来，人们始终关心的光纤温度特性包括温度特性和时延温度特性。由于过去的光纤通信采用的是异步数字传输，不考虑时钟温度漂移问题。当今，随着光同步数字传输网的普及应用，人们开始重视时钟漂移问题，也开始研究光纤脉冲时延温度特性。尽管光纤的时延温度系数很小，但其对40Gbit/s速率的高速系统仍有影响。众所周知，光脉冲通过长度为L的光纤的群时延为:cLNVLg(7.2)式中：L为光纤长度，N为光纤材料群折射率，c为真空中的光速。当温度发生变化时，群时延也发生变化，将时延τ对温度T求导可得：dTdLNdTdNLcdTd1(7.3)实际上，光纤时延温度的变化是一种慢变化，称为温度漂移。我们定义单位长度单位温度间隔时延变化量为光纤温度时延漂移常数，记作Kf，单位为ps/(km·℃)，表示式为：dTdLLNdTdNcLdTdKf11(7.4)式中：第一项是由于光纤材料群折射率随温度变化而引起的，第二项是由于光纤物理变化引起的。温度时延漂移常数的测量原理是利用应变测量仪，在频域法中，测量同一波长下温度变化引起的正弦波调制信号的相位移∆ф，即：∆ф=2πfΔτ=2πfkfLΔT(7.5)将