光纤参数（精选6篇）
光纤参数 篇1
摘要：随着1966年到1970年光纤通信的提出到第一根低耗损光纤的生产, 世界世界光纤通讯正式形成, 并作为现在通讯的主要方式, 进入了光纤通讯的时代。光纤通讯应用在社会上的各个领域, 各国的公共电信通讯网、工业生产、城市通讯以及军事等场合的使用。随着人们对生活要求的日益增进, 对于通信能够实现长距离大容量的要求促使了光纤通讯技术的快速发展, 因而对于光纤通讯技术更深层次的发展有了更具体和更严格的要求。光纤通讯技术随着人们的需要进行着不断的创新, 光纤从多模光纤发展到单模光纤, 光纤的波长和传输速率也不断的进行着进化, 而光纤价格随着应用的普及也在不断的下降, 从而又再次的促进着应用范围的不断扩大。光纤通讯已经开始替代其他的电信通讯模式而晋升为主流的通讯模式, 光纤通讯在未来势必也会成为电信通讯模式的主导。
关键词：光纤,光纤参数,测试方法,特性参数
光纤是包含内部纤芯和外部的包层的光传输介质。纤芯负责光的传输, 而包层负责为光传输来提供反射面以及光隔离。根据纤芯和包层的折射率与纤芯和包层的相对折射率可以判断光纤对于光的束缚能力以及信息传输容量的大小。根据各种纤芯与包层不同组合与特定性能的应用要求来进行归纳总结, 势必可归纳出光纤的特性参数以用来测量与研究。
光纤的特性参数有多重, 最为基本的有三种特性参数:光纤的几何特性参数、光纤的光学特性参数和光纤的传输特性参数。其次, 光纤还具有物理特性和化学特性。但本文只针对光纤的几何特性、光学特性和传输特性的测量方法进行研究。
1 光纤的特性参数之几何特性的测量方法
光纤的特性参数之几何特性参数主要包括对于光纤长度、光纤纤芯的不圆度、光纤包层的不圆度、光纤纤芯的直径、光纤包层的直径、光纤纤芯与光纤包层同心度误差等的研究。
通过折射近场法来直接测量在光纤横截面上产生的折射曲线的分布来对几何尺寸参数进行确定。对于对光纤包层的确定并不难, 难就难在对于纤芯的确定。例如对于渐变型光纤的确定, 因为光纤包层与光纤纤芯之间的过渡是具有连续性的, 所以在光纤包层和光纤纤芯之间不存在明显的界限, 所以如何去确定光纤纤芯和光纤包层之间的界限就存在着难点。而针对这一难点, 可以通过对于折射率分布情况的研究来确定。
在折射率分布曲线上确定给定值, 通过给定值来界定光纤纤芯的边界, 而折射率分布曲线上的给定值需要通过对光纤整个截断面的扫描来获取。我们知道, 受地球引力影响, 光纤在生产过程中的整个横截断面并不能形成理想的圆对称, 所以在扫描时应该根据不同情况进行区域分化扫描。光纤包层的折射率是均匀的, 所以在扫描光纤包层时幅度可以大一些。而光纤纤芯的折射率存在很大的变化, 所以对于光纤纤芯的扫描的幅度应该小一些。折射近场法是测试光纤几何参数尺寸的基本测试方法。
2 光纤的特性参数之光学特性的测量方法
光纤的特性参数之光学特性参数主要包括对于光纤模场直径、单模光纤 (成缆) 的截止波长、多模光纤的截止波长以及折射率的分布等的研究。
2.1 对于光纤光学特性的光纤模场直径的测量方法
在单模光纤中, 对于光纤横截面内单模光纤的基膜与电场强度的分布, 以及光功率存在于光纤横截面一定范围内的多少的衡量, 就是模场直径所要研究的范围。对于单模光纤的研究, 不仅受到模场直径的定义影响, 也受到模场直径的测量方法影响。所以在测量单模光纤的模场直径时, 根据不同测量方法的优缺点去选择合适的测量方法显得尤为重要。主要的测量方法有横向偏移法和传输场法。
2.2 对于光纤光学特性的光纤的截止波长的测量方法
测量光纤的截止波长的方法有很多, 其中包括有模场直径方法、传导进场法、折射功率法以及传导功率法和偏振分析法等等。其中的传导功率法被用作基准测试法, 而模场直径法被用作替代测试法。
传导功率法, 主要是指根据光纤产生的传导功率与光纤的波长之间存在的关系曲线来确定截止波长的方法。其测量的精确了很高。测量机理主要是根据光纤中存在的衰减机理, 确定急剧衰减的位置从而确定截止波长的方法。
模场直径法, 主要是指根据通过对随着光纤波长而不断变化的模场直径的研究来确定截止波长的方法。其测量机理主要是根据在光纤传输过渡阶段内, 截止波长附近会产生模场直径会产生突变, 模场直径会突然的增加, 而正是基于模场直径的突然增加从而可以以此来判断截止波长。
2.3 对于光纤光学特性的光纤折射率分布的测量方法
光纤的光学特性主要是在于光纤折射率。而对于光纤折射率的研究主要是针对于光纤剖面的研究。通过对于折射率分布的研究, 有许多测量方法被应用, 其中根据优缺点可以进行相对应的选择。而最主要, 且应用广泛的就是, 折射进场法和近场扫描法。
3 光纤的特性参数之传输特性的测量方法
光纤的特性参数之传输特性参数主要包括对于光纤的损耗、光纤的色散以及光纤的非线性效应等的研究。
3.1 对于光纤传输特性的色散的测量
光纤在传输过程中, 光纤的脉冲会根据传输距离的改变而发生改变, 究其原因, 是因为光纤之中存在着色散与模畸变。其中色散主要是指, 在单色光在不同的波长的作用下促使群延时不同的一种现象。
光纤产生的色散主要有分为材料色散, 波导色散和单模光纤色散。其中, 材料色散主要是受到光纤材料的影响。波导色散主要是指模受到光波长度影响产生变异的现象。单模光纤的色散主要是指模内色散, 是由群延时受波长影响产生的。
测量光纤在传输过程中的色散, 有两种方法:相移法与脉冲时延法。主要是根据光强度产生的波形来划分的。相移法根据测量不同的光纤波长, 在同一个正弦调制信号的相移, 所得出的群延时和波长之间的关系, 进而计算出光纤色散的系数的一种方法。其测量方法具有测量精度高的优点, 且对于测试设备的要求也比较简单, 所以具有广泛的应用。脉冲时延法是通过测量不同波长的时延差来确定光纤色散的系数。脉冲时延法主要需要喇曼光源以及半导体激光器的光源, 其他还有白光脉冲光源等。
3.2 对于光纤传输特性的色损耗的测量
光纤在光传播的过程中, 因为距离的不断增大, 会有能量的损耗, 其中主要有被光纤内部吸收的损耗, 也有光纤外部的传输损耗。对于光纤损耗系数的测量, 也是光纤参数测量中的一个重要的测量参量。
产生光纤损耗的原因有很多, 而主要的损耗包括吸收损耗、辐射损耗和散射损耗。对此我们可以知道, 吸收损耗主要与光纤自身的材质有关;辐射损耗主要与光纤自身的几何形状波动有关;散射损耗与光纤自身的结构缺陷和非线性效应有关。光纤的吸收损耗是光纤的本征损耗, 包括紫外、红外和杂质吸收等等组成的。而光纤的散射耗损主要包括波导的散射耗损和瑞利的散射耗损组成。
4 结语
对于现代社会光纤通讯的广泛普及, 对于光纤通讯的研究成为一项重要的研究课题。其中对于光纤参数测量方法的研究也是光纤及光缆测量研究标准中的一个重要的指标, 对于监督的完善光纤通讯的质量有着至关重要的作用。本文通过对于光纤特性参数中的几何特性参数、光学特性参数、传输特性参数的研究, 分别针对光纤的几何特性参数中运用折射进场法来研究几何特性参数尺寸的进行测量;光纤的光学特性参数中的光纤模场直径法和光纤截止波长的测量方法的研究;光纤的传输特性参数对光纤的色散和光纤所产生的损耗的测量方法的研究, 来进一步的光纤通讯做进一步系统的深入。
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缺陷光纤端面几何参数的测量 篇2
光纤端面的几何参数对光纤传感和光纤通信等的研究有着重要的作用。用图像处理方法计算光纤几何参数在近几年比较常见。在用图像处理方法测量光纤几何参数时多采用基于灰度图像分割及特征数据点采集的方法[1,2], 也有利用Canny算子的边缘检测和圆边界点选取的方法[3,4]。但用以上两种方法测量有缺陷光纤端面的几何参数时都可能产生误差, 原因在于以上方法不能去除缺陷部分带来的影响。
本文结合了以上两种方法, 采用基于灰度阈值分割及椭圆拟合的方法实现缺陷光纤端面几何参数的测量, 并在提取边缘点时考虑到了去除缺陷部分的边缘点。由于缺陷部分的影响将导致面积变化、重心偏移, 从而产生误差[5], 文献[6]提出采用边缘跟踪和边界链码的方法提取拟合点, 很明显这种方法会把缺陷部分的边缘点也提取出来。对于合格光纤, 包层边缘与纤芯边缘近似于同心圆, 而对于有缺陷的部分, 明显会造成左右或者上下部分不对称, 因此利用此特性可以有效去除缺陷部分的边缘点。
1 测量算法的实现
光纤几何参数包括纤芯直径、包层直径、纤芯不圆度、包层不圆度和纤芯包层不同心度。具体定义如下:
式中, dcore为纤芯直径, dclad为包层直径, dcomax、dcomin分别表示纤芯最大直径和最小直径, dclmax、dclmin分别表示包层最大直径和最小直径, a、β和δ分别表示纤芯不圆度、包层不圆度和纤芯包层不同心度, (xclad, yclad) 、 (xcore, ycore) 分别表示包层中心位置和纤芯中心位置。
1.1 基于灰度阈值分割及特征数据点采集的方法[1,2]
该方法将纤芯与包层区域分割开来, 分别采集纤芯、包层的数据点。算法的具体步骤如下: (1) 加载光纤图像, 并对灰度图像进行阈值分割; (2) 计算二值图像中纤芯区域包含的数据点总数得到纤芯总面积S1, 将包层和纤芯包含的数据点总数相加得到面积S2, 再由公式S=πd2/4分别求纤芯和包层的面积; (3) 由纤芯区域包含的总数据点结合重心坐标公式求出纤芯和包层的中心位置, 重心公式如下:xcen=∑xf (x, y) /∑f (x, y) , ycen=∑yf (x, y) /∑f (x, y) ; (4) 用最小二乘拟合椭圆方式, 由椭圆的长短轴即可得到纤芯和包层不圆度参数。
1.2 基于Canny算子边缘检测和椭圆拟合的方法
Canny算子是一种多级边缘检测算法, 也是一种经典的边缘检测算子, 应用范围比较广泛。Canny算子检测算法步骤如下: (1) 高斯滤波平滑图像; (2) 用一阶偏导的有限差分计算梯度幅值和方向; (3) 对梯度幅值进行非极大值抑制; (4) 用双阈值算法检测边缘和连接边缘。
基于Canny算子的边缘检测方法首先选择一个阈值, 再用Canny算子的边缘检测算法进行边缘检测, 得到边缘轮廓;通过提取边缘点拟合出边缘。该方法的具体步骤如下: (1) 加载光纤图像。 (2) 手动选择阈值, 阈值范围在0~255之间;用Canny算子在所选的阈值中进行边缘检测。 (3) 对边缘检测所得到的轮廓进行边缘点提取, 提取方法为先逐行扫描, 判断该行中非零点个数是否为4个 (即两个包层边缘点、两个纤芯边缘点) , 如果是, 则选取这一行作为边缘点, 若不是, 则舍去;同理进行逐列扫描, 进行边缘点选取。 (4) 用所有的拟合点进行椭圆拟合, 查看拟合效果。若拟合效果不佳则返回步骤 (2) , 重新选择阈值;若为最佳拟合效果, 则求出光纤端面的几何参数。
1.3 基于阈值分割和边缘点选取及拟合方法
该方法结合了1.1节的基于灰度图像阈值分割算法和1.2节的椭圆拟合算法。具体步骤如下: (1) 读取光纤图像, 对图像进行灰度阈值分割。采用Otsu算法[7]对光纤图像进行前景和背景的分割 (前景区域为纤芯边缘与包层边缘所包围的包层区域) 。 (2) 提取边缘点。考虑到合格光纤包层边缘与纤芯边缘应为一个同心圆, 结合该特性进行边缘点的提取可以有效剔除干扰边缘点。首先进行行扫描, 前景点必须包含两段包层区域 (左半部分和右半部分) ;左半部分的包层区域包层边缘坐标为 (x1, y1) , 纤芯边缘坐标为 (x1, y2) ;右半部分包层区域包层边缘坐标为 (x1, y4) , 纤芯边缘坐标为 (x1, y3) 。如果左半部分包层厚度Th1=|y2-y1|与右半部分包层厚度Th2=|y4-y3|的大小一致, 则提取该行边缘点。其次进行列扫描, 同理可以提取相应的边缘点。 (3) 将步骤 (2) 所得到的边缘点用最小二乘法分别进行椭圆拟合[8] (拟合包层边缘和纤芯边缘) , 并求出相应的光纤端面几何参数。具体方法如下:平面位置椭圆任意方程可表示为
根据最小二乘法原理, 令
式中, (xi, yi) 为所提取的边缘点 (i=1, 2…n) 。只要求出A、B、C、D和E这5个参数即可求出椭圆方程, 也就是令后求解线性方程组[9]。可以求出椭圆的实际参数如下:
式中, (xc, yc) 表示椭圆中心位置, a表示长轴, b表示短轴。通过式 (7) 分别拟合出相应的包层边缘和纤芯边缘, 并求出包层或纤芯的最大直径dmax=a、最小直径dmin=b及包层或纤芯的中心位置, 通过式 (1) ~ (5) 分别求出光纤的几何参数。
2 实验结果及分析
本文分别对有崩缺和有缺口光纤图像用以上介绍的3种算法进行了实验测量并进行了比较。
2.1 实验测量
图1 (a) 所示为有崩缺的缺陷光纤端面图像, 图1 (b) 、 (c) 和 (d) 分别为用方法1、方法2和方法3得到的拟合结果。表1所示为分别用3种方法对图1 (a) 所示缺陷光纤端面进行测量得到的光纤端面几何参数。
图2 (a) 所示为有缺口的缺陷光纤端面图像, 图2 (b) ~2 (d) 所示分别为用方法1、方法2和方法3拟合得到的结果。表2所示为分别用3种方法对图2 (a) 所示缺陷光纤端面进行测量得到的光纤端面几何参数。
2.2 测量结果及误差分析
图1所示缺陷光纤的纤芯直径为509.100像素, 包层直径为561.081像素。图2所示缺陷光纤的纤芯直径为508.973像素, 包层直径为554.010像素。用3种算法测量时所得参数的误差如表3所示。
从表3可以看出, 3种算法测量纤芯直径都能达到比较高的精度, 但1.2节算法具有较大的不稳定性。从总的误差来看, 算法具有较高的稳定性, 精度也相对较高
由图1 (b) 和图2 (b) 的拟合图像可以看出, 用1.1节算法测量缺陷光纤图像时会产生较大的误差, 其原因是, 1.1节算法在求面积和重心的过程中由于缺陷部分的影响 (如图1 (a) 的崩缺部分) 使得重心面积和重心位置发生变化, 从而导致了一定的误差。
由图1 (c) 和图2 (c) 的拟合图像可以看出, 用Canny算子检测边缘及椭圆拟合的稳定性不高 (图1 (c) 的拟合误差比较大, 而图2 (c) 的拟合结果比较好) , 其原因是, 在用Canny算子检测边缘时, 可能会将缺陷部分的边缘也检测出来, 从而对拟合结果造成影响。同时该方法需要手动选择阈值, 对于测量带来比较多的不便。
由图1 (d) 和图2 (d) 的拟合图像可以看出, 方法3具有比较好的鲁棒性, 主要原因是该方法考虑了缺陷可能带来的影响, 能够在提取拟合点的过程中去除缺陷部分带来的影响。虽然该方法较前两种方法测量缺陷光纤端面几何参数有较高的准确度, 但当缺陷的光纤包层和纤芯的不同心度比较大或者包层形变时, 用该方法也会产生比较大的误差。
3 结束语
本文通过对有缺陷光纤进行研究, 提出了基于灰度图像阈值分割及椭圆拟合方法测量光纤几何参数, 在提取边缘拟合点时考虑到了缺陷部分的影响, 并将其剔除。与另外两种方法进行了实验对比, 实验结果表明, 本文提出的方法能更精确地计算出缺陷光纤端面的几何参数。
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光纤参数 篇3
光纤强度Weibull分布中的形状参数m及光纤的抗疲劳参数n可用于光纤使用寿命的估计,并且光纤断裂可靠性研究也需借助Weibull分布参数的计算。尽管概率分布的计算并不高深,但具体计算时,尤其子样量特别大(通常要50~100个子样)时,人工手算非常繁杂。特别是分布参数未知的情况下,要熟练地对数据进行分布检验、假设检验、误差分析等,计算中要用到点估计、区间估计、卡方分布、F分布等概念及查表、计算,涉及的计算量更大,即使是中级科技人员做到精深地掌握这些统计学的概念也非易事。
在众多的通用计算软件中,Matlab在概率统计应用方面有着出色的功能,具有命令简单、句型清晰、计算快速且大多无需编程等特点,对初、中级科技人员特别适用。相对于许多价格昂贵的专业分析软件(例如售价近2万元的Weibull++软件),Matlab是开源软件,下载可得,且有专业网支持,包文件丰富。本文将介绍利用Matlab软件中的统计工具箱中的命令来计算Weibull分布参数,这样避开了繁杂的数学计算,使工作重心转移到分布的分析应用上。
1 Weibull函数的简介
本文仅从实用角度出发对Weibull分布函数及相关的含义作简介,不涉及推导及证明[1,2]。
1.1 Weibull分布
Weibull分布是由瑞典工程师W.Weibull在1939年发表的“A Statistical Theory of the Strength of Material(材料强度的统计理论)”中为求解锚链的强度时给出的一种分布函数,其形式为:
式中m为形状参数,t0为尺度参数,r为位置参数。Weibull分布可简记为F(t|(m,t0,r)),三参数的Weibull分布也称为累积断裂分布函数(CDF)。当某一产品的失效规律服从Weibull分布时,只要获得m、t0、r这三个分布参数,就可具体掌握产品的失效情况和进行有效的可靠性计算。将式(1)微分可得Weibull分布的概率密度函数(PDF)f(t),f(t)=F′(x),f(t)为:
1.2 Weibull分布的数字特征
Weibull分布的数字特征量包括Weibull分布的可靠度函数、失效函数、均值与方差、可靠寿命等。Weibull分布的可靠度函数R(t)表示产品工作到时间t时完成规定功能的概率,R(t)为:
Weibull分布的失效函数H(t)表示产品工作到时间t后单位时间内发生失效的概率,H(t)分别为:
Weibull分布的均值μ表示产品的寿命,方差s2表示与均值偏离的度量,μ和s2分别为:
式中Γ为伽马函数。
Weibull分布的可靠寿命为:
式中R分别为e-1和0.5时,tR为特征寿命和中位寿命t0.5。从上述的特征量可看出,可靠度函数、失效函数、均值与方差、可靠寿命都是分布参数m、t0、r的关系式,因此求解m、t0、r是最关键的一步。在可靠性分析中m值很重要,m>1时,失效率随时间t(应力σ)的增大而增大,它反映了损耗失效(即在合适的工作条件下,长期循环应力和损伤积累而导致的失效)过程。需要说明的是,由于Weibull分布本身就是表征与时间或应力失效有关的函数,因此若将上述关系式中的时间t换成断裂时的强度值σ,t0换成σ0后,上述关系式均成立。
2 光纤强度双参数Weibull分布
根据具体的应用,Weibull分布函数可简化为单参数、双参数的函数形式。当式(1)中的r=0时,F(t|(m,t0))称为双参数的Weibull分布,也称尺度—形状范型。有文章分析表明,光纤强度的分布满足双参数的Weibull分布,一定长度的光纤在应力σ作用下,累积断裂概率可用双参数Weibull分布函数来描述:
令σ0=ηm(应值得关注的是,Matlab给出的η值是真尺度参数),上式变换为:
为获得累积断裂分布函数(CDF)和参数(m,σ0)间的关系,通常对式(10)两边取两次自然对数,可得:
令,x=lnσ,B=lnσ0,可得线性函数y=mx-B,在直角坐标中该直线的斜率为m,截距为-B。需提及的是:在求解光纤强度的Weibull参数m时,光纤断裂强度σ与试样长度L、拉伸速率、环境温度等条件有关;若试样长度为L1,推算在试样长度下L2的强度值时应作如下的变换:
3 Matlab估算的光纤强度Weibull分布参数
3.1 传统的图解估计法
传统的图解估计法在工程上使用较为简单、快速、便利,但精度不高,采用传统的图解估计法计算Weibull分布参数时需借助Weibull概率纸及相应的计算尺。采用Weibull概率纸估算分布参数(m,σ0)的过程是:a.作数据表,把实测的失效时间t(或强度值σ)和累积失效频率F(t|σ)做成一一对应的数据表,失效时间ti(或强度值σi)应从小到大排序,为单增数列。为了判断分布的状况,需计算秩F(ti|σi),用百分数表示。常用的计算方法有平均秩、中位秩(Benard法)、对称秩,不同秩的计算方法精度不同,其中中位秩计算方法相对简便,精度较高,因此较为常用。b.在Weibull概率纸上描点,即将F(σi)与σi数据对在Weibull概率纸上打点。c.配直线,若所描各数据点在概率纸上近似地呈一条直线,说明此分布类型满足Weibull的分布。d.参数的估计,根据读图的规则,拟合直线的斜率,即m(形状参数)值,可判别出m的估计值、尺度参数σ0的估计值,m值越大,斜率越陡,m表征着强度值分布的集中度。利用Weibull概率纸上的各种计算尺及它们的数值关系,可进一步估算出其分布的均值μ及均方差s,因篇幅所限,在此不作具体介绍。若实验数据点在Weibull概率线上呈不均匀分布,则表明光纤的质量出现了问题,需要查找相关原因,以改善工艺。
图1为采用图解估计法获得的拟合直线,图中的虚线是用Matlab软件中的最小二乘法(LSM)拟合的,置信度为95%时,直线方程为y=1.570 8x-2.551 4,即形状参数m≈1.6,尺度参数η=exp(2.551 4/1.570 8)=5.078 4,位置参数r=0.887 2,以此可判定该光纤强度满足Weibull分布(95%置信度r接受值为0.514)。
3.2 利用Matlab的各种解析算法[3,4]
3.2.1 Matlab用于估算的基本命令
Matlab中用于估算Weibull分布参数所涉及的基本命令如表1所示,这十余条Matlab的操作命令句型简单明了,可快速地进行数据的统计分析应用,避免了求解复杂的微积分及各种方程。上述命令的具体格式及含义可参考Matlab软件界面的帮助文件。
3.2.2 几种解析算法[5]
常用的解析算法有以下几种:a.极大似然估计法(MLE),该方法是由R.A.Fisher在1912年提出的,Matlab进行极大似然估计的函数为mle。对Weibull分布的模式,调用命令为[phat,pci]=mle(date,‘distribution’,‘Weibull’,‘alpha’,0.05),数据的返回为Phat=分布参数的MLE值,pci=区间估计的置信上限和下限。b.距估计法(MOM),点估计的距法是由皮尔逊提出的,Matlab中无专用命令,依公式计算即可。c.最小二乘法(LSM),使用线性回归命令POLYFIT=(X,Y,1)对秩进行Y的回归,或采用Matlab中的曲线拟合工具(CURVE FITTING)。
表2示出了某光纤强度测试数据,其光纤断裂强度分布和累积断裂分布函数(即Weibull分布)如图2所示。现以表2中的数据为例,采用Matlab中mle函数进行Weibull分布参数的估算,首先计算[phat,pci]=mle(x,‘distribution’,‘Weibull’),返回置信度为100×(1-α)%=alpha的估计参数,默认时α=0.05,即置信区间为95%,计算结果如表3所示。
3.2.3 几种解析算法的比较
解析法可弥补手工及计算机辅助计算的图解估计法存在的较大误差的缺点,但不同的解析法对野点(奇异值)的敏感度也不尽相同。为了了解各种解析算法估算Weibull分布参数对奇异值处理的优劣,我们采用各种解析算法对表2中某光纤强度测试数据进行Weibull分布参数的计算,并对它们的样本特征量中对数据的奇异值比较敏感的变异系数Cv、偏度(SKEWNESS)、陗度(KURTOSIS)、标准差(STD)进行了对比,计算这些特征量所涉及的公式繁杂及篇幅的原因,因此本文只给出了这些特征量的计算结果,对比结果如表4所示。从表中可见,各种算法的准确度从高到低依次为MOM、MLE、WBLFIT、LSM。
注:1)秩F(σi)采用中位秩计算方法,F(σi)=(i-0.3)/(15+0.4)。
注:1)表中各种解析算法的置信度均采用95%,WBLFIT为Weibull++软件中采用MLE算法的名称,其他均为Matlab软件中的算法名称。
4 结论
根据相关理论分析,光纤强度的分布满足Weibull双参数的分布,免去了对所得数据点的分布规律的假设检验,大大减少了计算量。利用Matlab软件进行光纤强度的Weibull分布计算及推定时精度高、速度快,作图方便,尤其在各设定的置信度区间进行分布检验因秩表不完整很难判断时,只要熟练运用Matlab就可制做出各种分布的数值表用于检验。
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光纤参数 篇4
关键词：光纤动态疲劳,拉伸测试,两点弯曲测试
0 引言
由于动态疲劳参数nd关系到光纤的力学性能以及使用寿命,因而数十年来一直是业界关注的热点。光纤制造商对不同类型光纤(无涂覆或涂覆)的动态疲劳参数的测量,不仅对光纤用于苛刻环境(例如粒子加速器)有较大的参考价值,而且使光缆厂家减少了成本更高的光缆相关试验的次数,因此光纤动态疲劳参数的准确测量十分重要。
光纤动态疲劳参数的测试方法有传统的拉伸法与两点弯曲法两种。虽然以前曾认为与拉伸法相比,两点弯曲法在试验中所采用的光纤试样较短,可能会降低其探测光纤弱点的能力[1],但目前的研究结果发现,上述两种测试方法对光纤疲劳的测试结果有着良好的相关性[2]。本文将对涂覆不同涂层的光纤样品的光纤动态疲劳参数,采用上述两种测试方法进行对比测试,以期了解两种测试方法对测试结果的影响。
1 测试样品的准备
与10～15年前拉制出的光纤相比,现在或一年前拉制出的光纤的质量则更好,预计其检验不合格的情况更少,因此进行拉伸法与两点弯曲法的对比测试时,我们采用了一年前拉制的6种商用涂覆光纤制作样品,并一直储存在典型的实验室条件下。制作的光纤样品中包括了三种不同涂层(均由一次涂层和二次涂层组成)和三种不同的拉丝方式。三种涂层仅在原位模量以及与光纤的附着力上有所不同;三种不同的拉丝方式中预制棒以及拉丝条件保持不变。具体的光纤样品号如表1所示,第一个数字表示拉丝方式,第二个数字表示涂层。
注:1)第3种涂层为帝斯曼公司开发的新一代涂层。
为研究三种涂层的原位性能与光纤疲劳参数的相关性,我们对各个光纤样品进行了相关测试,包括一次涂层原位模量以及二次涂层原位模量、拔出力(即一次涂层与光纤之间的附着力)、平均剥离力的测试。一次涂层原位模量测试是采用由TA Instruments制造的动态力学分析仪RSAIII在周围环境中进行,通过在光纤涂层区域上施加动态剪切力来获得该值[3]。二次涂层原位模量测试同样采用RSAIII在周围环境中进行,从光纤上把涂层剥离下来,通过RSAIII在动态拉伸模式下测试该值。由于一次涂层模量远小于二次涂层模量,因此测试时一次涂层的贡献可以忽略。拔出力测试是根据TIA/EIA FOTP-105(1993年草案)标准来进行的,测量长度为1cm。剥离力测试是根据TIA/EIA FOTP-178(2003年11月版本)标准进行的,测试中使用的刀片直径为0.006英寸(0.152 4 mm)的Micro-Strip剥离工具。
图1示出了不同涂层光纤样品的一次涂层的原位模量和一次涂层与光纤之间的附着力(拔出力)的测试结果。可见,涂覆不同涂层的光纤样品的一次涂层原位模量和拔出力有着较大的不同。例如,光纤样品X1-3和X2-3的一次涂层原位模量比其他光纤明显要低得多,在0.3～0.4MPa范围内,而拔出力也有相同的趋势。
图2示出了涂覆不同涂层的光纤样品的二次涂层原位模量以及剥离力的测试结果。可见,二次涂层性能对光纤剥离力起到决定性作用,涂覆不同涂层的光纤样品的二次涂层原位模量与光纤剥离力基本是一致的,二次涂层原位模量在1.5GPa左右,而平均剥离力在1.5N左右。例如,尽管涂覆涂层3的光纤样品X1-3和X2-3的一次涂层原位模量与拔出力明显低于其他光纤样品,但它们的剥离力与其他光纤类似。
2 测试条件和测试场所
采用两点弯曲法对光纤的动态疲劳参数以及动态光纤强度测试时是按照TIA/EIA ITM-13(2000年5月版)标准,测试中采用Fiber Sigma公司生产的两点弯曲设备。根据光纤长度方向上分布的缺陷以及制造过程中所产生的表面应力区的种类,两点弯曲法测试光纤动态疲劳参数以及动态光纤强度时通常采用三种不同加载模式,即恒定位移速率、恒定应变速率以及恒定应力速率,但它们之间在动态疲劳参数计算方面并没有明显的差异[4]。因此,在本次对比测试中采用了恒定位移速率法,在每种位移速率(1μm/s、10μm/s、100μm/s、1 000μm/s)下至少测试15个试样,以确定光纤动态疲劳性能;在位移速度100μm/s下的测试至少30个试样,以确定动态光纤强度。
采用拉伸法对光纤动态疲劳参数以及动态拉伸强度测试时是按照TIA/EIA FOTP-28(1999年4月版)标准,在三个测试场中进行了一系列拉伸测试。三个测试场的试验温度控制在(23±1)℃,相对湿度维持在43%～50%范围内,三个测试场拉伸试验设置的差异如表2所示。拉伸测试中采用的光纤样品长度为0.5m,在标称应变速率(0.025%/min、0.25%/min、2.5%/min和25%/min)下测量光纤动态疲劳参数,在标称应变速率2.5%/min下的确定动态拉伸强度。为了消除计算方法上潜在的差异,我们采用了由Fiber Sigma公司开发的分析方法对从三个测试场获得的所有原始数据进行分析。
3 两种测试方法测试结果的对比
3.1 两点弯曲法
采用两点弯曲法测得的光纤动态疲劳参数nd和动态光纤强度如表3所示。表中较低的标准估计误差(SEE)值(<0.001 7)说明了测试质量的一致性;Weibull动态形状参数m是评估失效应力结果,其通过采用最大似然估计(MLE)法计算获得;在位移速率达到100μm/s时测量的动态光纤强度结果表明所有光纤的m值都较高,即动态光纤强度分布比较紧密。由表中可见,相同拉丝方法生产的光纤样品X1-1、X1-2和X1-3中X1-3的nd值(=27.9)明显高于其他两种光纤;相同涂层3涂覆的光纤样品X1-3和X2-3中X2-3的nd值(=28.3)较高,同时两者的动态光纤强度也较高;光纤样品X3-1的nd值(=19.5)最低。
3.2 拉伸法
表4示出采用拉伸法在三个测试场(A、B和C)以四种标称应变速率(0.025%/min、0.25%/min、2.5%/min和25%/min)对光纤动态疲劳参数nd测试结果,为了比较,表中还列出了采用两点弯曲法测得的nd值。由于以0.025%/min应变速率进行测试非常耗时,即使预加加载力达到25N也要约5h,因此表4中一些测试值是在三个较快应变速率下测得的结果。从表中可见,采用拉伸法测试时,三个测试场中光纤样品X1-2和X2-2的nd≈25,这与采用两点弯曲法测试时光纤样品X1-2和X2-2的nd值有较大差异,但两者相关性较好;虽然在四种应变速率下对光纤样品X1-3和X2-3也进行了测试,但因SEE值过高(>0.0017),测试结果差异较大,故略去了测得的nd值;在两种测试方法中光纤样品X3-1测得的nd(≈20)值较一致。
注:1)该测试值为0.25%/min、2.5%/min和25%/min三种应变速率下测得的。
图3示出了采用拉伸法在测试场B中不同应变速率下动态疲劳原始数据曲线。可见,图3a)中的测试曲线近乎完美,显示整个拉伸测试过程情况良好;图3b)中的一部分测试曲线已变形,显示在拉伸测试过程中出现了不规则的打滑;图3c)中的所有测试曲线已变形残缺,显示在拉伸测试过程中出现了最糟糕的全程打滑现象。图4示出了采用拉伸法在测试场A和C中光纤样品X2-2和X2-3的动态疲劳测试结果,其结果证实了测试场B的情况。由图4可见,在测试场A和C中涂覆涂层2的光纤样品X2-2的拉伸测试情况良好;而涂覆涂层3的光纤样品X2-3的全部4个应变速率的拉伸测试均出现了明显的问题,其原因可能在于涂层3具有较低的一次涂层原位模量和拔出力,使得涂覆涂层3的光纤样品X1-3和X2-3不适宜采用拉伸法进行动态疲劳参数测试,即无法获取有意义的nd值,并且拉伸测试时打滑的问题在低应变速率下表现得更为明显。
4 结论
通过研究比较拉伸法与两点弯曲法在不同测试场中对不同涂层涂覆的光纤动态疲劳参数测试结果发现,对于一次涂层原位模量较低的涂覆的光纤,测试时会引入不确定因素,降低拉伸法对动态疲劳参数估计的准确性。因此无论在何种测试场,上述使用新一代涂层的光纤均较适宜采用两点弯曲法测试其动态疲劳性能。此外,两点弯曲法的弯曲模式还可更好地模拟弯曲不敏感的光纤(G.657)的实际应用情况。
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光纤参数 篇5
光纤Bragg光栅 (FBG) 具有波长编码, 抗电磁辐射, 耐腐蚀等优点。自1989年美国的Morey等人首次报导将FBG应用于应变与温度传感以来, FBG己成为传感领域发展最快的技术之一。作为埋入式应变传感器, 裸FBG必须经过合适的保护封装。对于埋入金属结构内部的FBG, 采用高熔点的金属作为保护镀层, 不仅可以与基体金属之间具有良好的冶金性能, 还具有较高的高温蠕变强度和持久强度, 因此, 金属镀镍、铜、钛合金等[1,2,3,4,5]是有效的保护形式。金属化的FBG经过适当的连接方法才能紧密地植入金属基体中。在埋入基体材料的方法中, 钎焊连接是行之有效的埋入方法[4,6]。经过保护和连接后, 裸FBG与金属基体之间产生了保护层和连接层, FBG通过保护层和连接层才能感知到基体承受的应力。因此, 很有必要分析裸FBG与基体结构之间的应力传递关系。
光纤智能金属结构需要监测构件的三维应变和内部各个方向的应力状况。目前, 对于FBG的轴向应力传感特性研究得较多, 而对横向埋入式的FBG应力传感特性的研究报道还很少。本文将镀镍保护的FBG经钎焊方法横向埋入金属梁内部, 以此测量金属梁内部的横力弯曲应力, 把FBG的径向应力传感特性参数归纳为应力传递系数和位置函数, 并对此进行了深入分析。
1 埋入金属梁内的FBG径向应力传感特性
承受均匀的径向应力的裸FBG, 其中心波长的变化为[7]
对于如图1所示的结构, 当外力作用时, 其横截面上受到的是横力弯曲正应力和剪应力。这两个应力的合成应力通过连接层和保护层传递到FBG的径向, 从而使得FBG的中心波长随之变化。
以i=1, 2, 3分别表示FBG, 镀镍层和连接层, 字母a、b、c分别表示FBG、镀镍层和连接层的半径, h表示埋入的中心偏离梁中性层的高度, d表示埋入的中心偏离集中外力的水平距离, L、B、H分别表示梁的长度、宽度和高度。利用纯熔融石英的参数, p11=0.121, p12=0.27, neff=1.456, μ=0.17, 应用材料力学基本知识, 可以得到埋入式FBG在受到外部集中力作用时的中心波长变化与外力F的关系[8]:
式中:E′和μ′分别表示具有金属保护层FBG的等效弹性模量和泊松比, “-”代表FBG埋入位置在中性层下方, “+”代表FBG埋入位置在中性层上方。
引入平均应力传递系数γ用来表征埋入式FBG横向应力传感的灵敏性, 即FBG受到的横向应力与埋入FBG位置处基体的平均应力的比值, γ=J3J2/J1。γ越大, 表明FBG应力灵敏性越好。将γ代入式 (2) 中, 并引入记号KF=1.761/E1表示截面常数 (该常数随着梁的横截面惯性矩IZ变化) , ϕ表示位置函数 (单位为mm-2) :
则式 (2) 可简化为
对于其它形式的梁, 只需更改FBG传感器的其埋入位置参数、梁截面形状和尺寸参数, 便可获知FBG传感器波长变化与外力的关系。
2 平均应力传递系数分析
平均应力传递系数γ与连接层参数和金属镀层参数密切相关。
2.1 连接层参数的影响
本文采用钎焊方法将FBG传感器与金属基体结合紧密, 连接层即为钎料层。不同的钎料层参数 (主要包括弹性模量、钎料层厚度) 对平均应力传递系数有着不同的影响。在镀镍保护层半径b=80μm的情况下, 图2表明了钎料层弹性模量和半径对平均应力传递系数γ的影响。对于同一钎料层半径 (即金属基体内小孔半径) , 平均应力传递系数γ随着钎料层的弹性模量的增加而减小;无论哪种弹性模量, 当钎料层半径c较小时 (约≤0.25 mm) , γ随c变化的幅度较大, 而此后γ几乎保持不变。因此, 钎料层半径过大对改变平均应力传递系数γ几乎没有影响。当钎料层的弹性模量E3<100 GPa时, γ随c的增加而增加。在钎料层的弹性模量E3=100 GPa时, γ基本不随c的改变而变化。当钎料层的弹性模量E3>100 GPa时, γ随c的增加而减小。由此, E3=100 GPa、c=0.25 mm可被认为是选择钎料层的拐点参数。
通过以上分析可知:在工程实际应用中, 金属基体上的预留小孔不能过大, 以免破坏基体结构本身的力学性能;在保证FBG传感器充分被保护的条件下, 应尽量选取弹性模量低的连接层。
2.2 保护层参数的影响
将FBG传感器埋入金属基体中, 需要一定厚度的金属保护层。如果保护层太薄, 容易使FBG传感器在埋入过程中受到损伤, 甚至失效;如果保护层太厚, 不仅增加保护时间, 而且会造成应力传感滞后, 增大测量误差。材料的弹性模量反映材料抵抗弹性变形能力的指标, 代表着保护层的极限变形能力[9], 它对应力传递有着不可忽视的影响。因此, 有必要对保护层的厚度和弹性模量这两个参数进行分析。
针对Sn-Pb钎料层半径c=1.5 mm, 图3表明了不同的保护层厚度, 取保护层泊松比μ=0.31 (不同的金属保护层的泊松比变化不大) 的情况下, 平均应力传递系数随着不同的弹性模量变化趋势。可得出, 对相同弹性模量的保护层, 平均应力传递系数随着保护层厚度的增加而减小。对于相同厚度的保护层, γ随着保护层弹性模量的增加而增大, 表明外界应力传递给FBG越充分;随着保护层弹性模量的增加, γ增加的幅度减小, 最终趋于稳定。
通过以上分析可知:对于某一特定的连接层, 尽量选取弹性模量大的保护层, 适当减小保护层厚度有助于提高埋入式FBG应力传感的灵敏度。
3 位置函数分析
平均应力传递系数γ和截面常数KF确定的情况下, 位置函数φ越大, FBG的波长随着外力F变化的幅度越大, 越容易被波长检测设备测得。对于特定横截面的金属梁, 位置参数h和d直接影响着FBG传感器在什么位置处埋入能够最大程度地精确反应出外界应力的变化。以下是针对图1结构, 宽B=35 mm、高H=10 mm、长L=120 mm的矩形横截面梁的情形进行分析。
3.1 不同位置的影响
图4表明了位置函数φ随不同埋入位置的变化趋势。距离作用力F越远 (d越大) , 位置函数越小。随着h绝对值的减小, φ减小。对应于某一个d值, 在距离中性层最远处 (即截面的最上端和最下端) , φ取到最大值;在中性层上 (h=0) , φ取到最小值。这表明, 对于中部对称位置加载集中力的矩形横截面梁, 如果将FBG传感器埋在梁的中性层位置上, 其波长不随外界应力的变化。实际上, 在截面上、下边缘处无法完整地埋入FBG传感器。因此, 在保护层、连接层以及横截面参数一定的情况下, 为获得较高的应力灵敏度, 在不破坏基体结构的前提下, 埋入位置的水平距离应尽量靠近集中力的作用点, 且埋入高度应远离中性层。
3.2 位置误差的影响
埋入位置的精确度取决于埋入FBG时的对中工艺, 即FBG的轴线是否与基体小孔的轴线重合。在手工连接操作的情形下, 发生轴线对中误差在所难免, 误差有三种情况:1) 高度位置误差 (d准确, h上下波动) ;2) 水平位置误差 (h准确, d左右波动) ;3) 综合位置误差 (d和h均有波动) 。以下分析均假设连接层半径c=1 mm, 保护层半径b=250μm。
1) 高度位置误差
对于特定的d, 埋入后FBG中心所在位置的实际高度h误差与连接层和保护层半径有关, 其上下波动的极限范围是[-Δh, Δh], Δh=c-b, 如图5所示。图6表明了埋入高度h=2 mm时的误差Δh在不同的d的情况下对位置函数产生的影响。d值越小, 对h的误差越敏感。对某一特定的d值, 当埋入位置低于指定高度时 (Δh<0) , 位置函数φ小于Δh>0 (即埋入位置高于指定高度) 时的位置函数。在d准确的情况下, 如果FBG传感器埋入的实际位置低于指定位置, 它的波长变化值将减小;反之, 则波长变化值增大。
2) 水平位置误差
对于特定的h, 埋入后FBG中心距离集中力的实际水平距离误差左右波动的极限范围为[-Δd, Δd], Δd=c-b, 如图7所示。图8表明了埋入水平距离d=30 mm时的误差Δd在不同的h的情况下对位置函数产生的影响。h值越大, 对d的误差越敏感。对某一特定h值, 当Δd<0 (即埋入位置在指定位置左侧) 时, 位置函数φ>Δd>0 (即埋入位置在指定位置右侧) 时的位置函数。这表明, 当埋入高度h准确, 如果FBG传感器埋入的实际位置在指定位置左侧, 它的波长变化值将增大;反之, 则波长变化减小。
3) 综合位置误差
综合位置误差指FBG实际埋入的位置相对于指定位置有一倾斜角度θ, 这是实际操作中最易发生的情况, 如图9所示。水平距离d的误差极限变化范围是[-Δdcosθ, Δdcosθ], 垂直高度h的误差变化范围是[-Δhsinθ, Δhsinθ] (0°<θ<360°) , Δd=Δh=c-b, θ以逆时针方向为正方向。θ=0°、180°时, 转变为h准确, d左右波动的情况;θ=90°和270°时, 转变为d准确, h上下波动的情况。由于引入了倾斜角度θ, 位置函数变为
由式 (4) 可知, 位置函数φ与倾斜角度θ有关, 并会呈现出周期性。图10表明了在d=30 mm, h=3 mm的情况下, 误差Δd和Δh共同对位置函数产生的影响。
在Δd和Δh共同作用下, 位置函数曲线是以指定位置为中心的椭圆。当0°<θ<90°时, FBG实际埋入位置的水平距离d和高度h均比指定位置偏大, 随着θ的增大, 水平距离d的误差逐渐变小, 同时高度h的误差逐渐变大, 位置函数φ随着它们的变化而变大;当90°<θ<180°时, FBG实际埋入位置的水平距离d比指定位置偏小而高度h比指定位置偏大, 随着θ的增大, 水平距离d的误差逐渐变大, 同时高度h的误差逐渐变小, 位置函数φ随着它们的变化而变小;180°<θ<270°时, FBG实际埋入位置的水平距离d和高度h均比指定位置偏小, 随着θ的增大, 水平距离d的误差逐渐变小, 同时高度h的误差逐渐变大, 位置函数φ随着它们的变化而变小;当270°<θ<360°时, FBG实际埋入位置的水平距离d比指定位置偏大而高度h比指定位置偏小, 随着θ的增大, 水平距离d的误差逐渐变大, 同时高度h的误差逐渐变小, 位置函数φ随着它们的变化而变大。由此可得出:当FBG实际埋入位置较指定位置偏右 (即0°<θ<90°和270°<θ<360°) 时, 位置函数φ随着倾斜角度θ的增大而变大。当FBG实际埋入位置较指定位置偏左 (即90°<θ<270°) 时, 位置函数φ随着倾斜角度θ的增大而变小。
4 结论
在保证FBG传感器充分被保护的条件下, 应尽量选取弹性模量大且厚度薄的保护层以及弹性模量小的连接层, 并且应尽可能在靠近集中力作用点且埋入高度应远离中性层的位置处埋入FBG传感器。埋入操作技能也将影响到埋入式FBG传感器应力传感特性, 如何提高FBG与埋入位置的同轴度是日后亟需解决的问题。
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光纤参数 篇6
动态疲劳参数Nd值关系到光纤的力学性能以及使用寿命,一直是业界关注的热点。光纤制造商对不同类型光纤(无涂覆或涂覆)的Nd进行测量,不仅对光纤用于苛刻环境有较大的参考价值,而且能减少成本更高的光缆相关试验次数。GR-20-CORE规定单模光纤的Nd>18[1],而国家标准GB/T 9771.1规定Nd>20。国际电工委员会的IEC60973-2-50和ITU-T(国际电信联盟电信标准化部)并没有规定Nd值的规范[2]。本文统计了轴向张力拉伸法和两点弯曲法分别测得的G.652D光纤的Nd值,通过分析两种测试方法的优缺点,给出了实际测试Nd值的建议。
1 动态疲劳参数测试
目前,用于Nd值测试的国际标准主要有国际电工委员会的IEC 60793-1-33 2008[3]和美国电信工业协会的TIA-455-FOTP 28C(R2005);国家标准主要有GB/T 15972.33-2008[4]。其中,Nd值的测试方法主要包括轴向张力拉伸法和两点弯曲法。
1.1 轴向张力拉伸法实验原理
轴向张力拉伸法测试Nd值是将多根试样光纤分别以一定的拉伸速率轴向拉伸直至试样光纤发生断裂,测试光纤在断裂瞬间的断裂应力σf,再由公式计算出Nd值,并通过改变应变速率来试验光纤的疲劳性能[3]。对于常规光纤(包层直径为125μm、涂覆层直径为250μm),断裂应力σf的计算公式为
式中,T为光纤断裂张力;Ag为光纤横截面积。则每一应变速率下的应力速率σa为
式中,t(σf)为断裂时间;t(0.8σf)为断裂应力80%时所用的时间。而应力速率σa与中值断裂应力σf(0.5)的关系为
式中,截距为应力速率等于1时断裂应力的对数,取每一应力速率σa下的中值断裂应力σf(0.5)。图1所示为轴向张力拉伸法断裂应力对应的动态疲劳曲线,由此可计算出Nd值[4]。
1.2 两点弯曲法测试原理
两点弯曲法测试Nd值是将光纤弯曲成U形夹在两压板之间,两个压板以一定的速率相向运动直至试样光纤发生断裂,记录光纤断裂瞬间的压板间距d,由d值计算出光纤断裂时受到的应力值,再由公式计算Nd值。对于光纤使用中应力起因于弯曲的情况,应优先采用本试验方法[3]。由于步进电机的最快速度限制了压板的最快速度,采用计算出的压板间距d将缩短试验时间并达到最快压板速度。
每根光纤的断裂应力σf可表示为
式中,εf为光纤断裂应变;α为光纤非线性应力应变特性的修正系数,典型值为6;E0为杨氏模量;df为玻璃光纤直径;dc为包括任何涂覆层的光纤总直径;2dg为两个槽的总深度。
通常采用的压板移动速度v为1、10、100和1 000μm/s 4挡,控制精度均为±10%。v与σf(0.5)的关系为
式中,r为玻璃光纤的半径;截距为恒定压板速度等于1时的断裂应力的对数。记录实验数据,绘制两点弯曲法断裂应力对应的动态疲劳曲线,即可计算得出Nd值[4]。
2 测试数据处理
记录实验数据并计算各应力速率下的断裂应力和每一断裂应力的累积断裂概率:Fk=(k-0.5)/N,k=1,2,…,N。其中,N为样本大小[4]。
2.1 轴向张力拉伸法数据处理
本文采用G.652D单模光纤样本在温度为22.5℃、湿度为50.2%的环境条件下预处理48h后进行实验,取5、50和500mm/min 3种拉伸速率下的中值断裂应力。绘制的断裂应力对应的动态疲劳曲线如图2所示,再通过公式计算Nd值。图中,斜率=1/(1+Nd)=0.042 9,Nd=22.31。
2.2 两点弯曲法数据处理
采用与轴向张力拉伸法同样的光纤样本及环境条件,取1、10、100和1 000μm/s 4种压板速率下的中值断裂应力。采用两点弯曲法试验设备并根据压板间距d自动计算出光纤的断裂应力及应力速率。绘制的断裂应力对应的动态疲劳曲线如图3所示,再通过公式计算得出Nd值,图中,斜率=1/(Nd-1)=0.044 8,Nd=23.78。
2.3 两种测试方法差异分析
通过对比两种测试方法测得的Nd值,发现两点弯曲法测得的Nd值普遍比轴向张力拉伸法高0.5~2个单位。这是由于轴向张力拉伸测试过程中,光纤内外涂层分离或错位、实验设备的选择和操作步骤的规范程度等均会在不同程度上造成光纤在卷轴上出现打滑现象,这会导致应力速率减小,但光纤断裂强度不变。而现有光纤涂层大多采用模量偏低的涂料制成,更加剧了打滑现象的出现。两点弯曲法通过修改不同压板速率下的预负荷强度值,可以很好地规避轴向张力拉伸测试过程中出现的打滑问题,且操作简单,其Nd值测试标准偏差远小于轴向张力拉伸法。
同时,轴向张力拉伸实验采用的试样光纤长度约45m,单次测试长度约1m,测试动态过程捕获到低强度点的概率较高。因此,轴向张力拉伸法因其长标距测试的优势,容易发现光纤本身的强度问题。而两点弯曲试验采用的试样光纤长度约5m,单次测试长度约只有0.05m,这导致两点弯曲测试过程很难发现光纤强度问题[5]。
通过上述分析可知,两种测试方法均具有其优缺点,因而适用于不同情形。具体选择时应综合考虑光纤试样、试验环境和施加应力量等因素,且应在用户和制造商之间达成一致。国家标准GB/T15972.33-2008规定轴向张力拉伸法作为光纤动态疲劳测试的基准方法,但对于使用中光纤应力起因于弯曲的情况,尤其在测试G.657光纤的Nd值时,应优先采用两点弯曲法[4]。
某些情况下可以取长补短,综合使用两种测试方法。例如,采用两点弯曲法测得Nd值后,再采用轴向张力拉伸法探究光纤的长期可靠性。
3 结束语
动态疲劳参数Nd值是影响光纤寿命最敏感的因素之一,提高Nd值可以很好地延长光纤寿命。两种测试方法适用于不同情形,实际应用中应与用户和制造商协商,根据光纤试样、试验环境和施加应力量等因素选择具体的试验方法。
摘要：由光纤筛选实验寿命预期模型可知,影响光纤寿命的主要参数有威布尔指数m、应力腐蚀敏感性参数n和筛选应力与静态应力比值。文章重点讨论了轴向张力法和两点弯曲法对光纤寿命的重要评价指数动态疲劳参数Nd值的影响及判定。对两种测试方法测得的G.652D光纤的Nd值进行统计,对优缺点进行了分析。结果表明,轴向张力拉伸法可以很好地发现光纤强度问题,但实现过程中光纤容易打滑,而两点弯曲法则相反。在实际测试过程中应综合使用两种测试方法。
关键词：动态疲劳参数,光纤寿命,轴向张力法,两点弯曲法
参考文献
[1]GR 20CORE ISSUE 3-2012,Generic Requirements for Optical Fiber and Optical Fiber Cable[S].
[2]刘炯.影响光纤动态疲劳测试的因素浅析[J].光电通信网,2015,(1):31-36.
[3]IEC 60973-1-33-2001,Optical fibres Part 1-33:Measurement methods and test procedures-Stress corrosion susceptibility[S].
[4]GB/T 15972.33-2008,光纤试验方法规范第33部分:机械性能的测量方法和试验程序——应力腐蚀敏感性参数[S].