光纖動態(tài)疲勞參數(shù)的兩種測試方法及其差異分析

于麗君,胡 鵬,彭利紅

(1.武漢郵電科學(xué)研究院,武漢 430074; 2.烽火通信科技股份有限公司,武漢 430074)

光纖動態(tài)疲勞參數(shù)的兩種測試方法及其差異分析

于麗君1,胡 鵬2,彭利紅2

(1.武漢郵電科學(xué)研究院,武漢 430074; 2.烽火通信科技股份有限公司,武漢 430074)

由光纖篩選實驗壽命預(yù)期模型可知,影響光纖壽命的主要參數(shù)有威布爾指數(shù)m、應(yīng)力腐蝕敏感性參數(shù)n和篩選應(yīng)力與靜態(tài)應(yīng)力比值。文章重點討論了軸向張力法和兩點彎曲法對光纖壽命的重要評價指數(shù)動態(tài)疲勞參數(shù)Nd值的影響及判定。對兩種測試方法測得的G.652D光纖的Nd值進(jìn)行統(tǒng)計,對優(yōu)缺點進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,軸向張力拉伸法可以很好地發(fā)現(xiàn)光纖強度問題,但實現(xiàn)過程中光纖容易打滑,而兩點彎曲法則相反。在實際測試過程中應(yīng)綜合使用兩種測試方法。

動態(tài)疲勞參數(shù);光纖壽命;軸向張力法;兩點彎曲法

0 引 言

動態(tài)疲勞參數(shù)Nd值關(guān)系到光纖的力學(xué)性能以及使用壽命,一直是業(yè)界關(guān)注的熱點。光纖制造商對不同類型光纖(無涂覆或涂覆)的Nd進(jìn)行測量,不僅對光纖用于苛刻環(huán)境有較大的參考價值,而且能減少成本更高的光纜相關(guān)試驗次數(shù)。GR-20-CORE規(guī)定單模光纖的Nd＞18[1],而國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9771.1規(guī)定Nd＞20。國際電工委員會的IEC 60973-2-50和ITU-T(國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部)并沒有規(guī)定Nd值的規(guī)范[2]。本文統(tǒng)計了軸向張力拉伸法和兩點彎曲法分別測得的G.652D光纖的Nd值,通過分析兩種測試方法的優(yōu)缺點,給出了實際測試Nd值的建議。

1 動態(tài)疲勞參數(shù)測試

目前,用于Nd值測試的國際標(biāo)準(zhǔn)主要有國際電工委員會的IEC 60793-1-33 2008[3]和美國電信工業(yè)協(xié)會的TIA-455-FOTP 28C(R2005);國家標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 15972.33-2008[4]。其中,Nd值的測試方法主要包括軸向張力拉伸法和兩點彎曲法。

1.1 軸向張力拉伸法實驗原理

軸向張力拉伸法測試Nd值是將多根試樣光纖分別以一定的拉伸速率軸向拉伸直至試樣光纖發(fā)生斷裂,測試光纖在斷裂瞬間的斷裂應(yīng)力σf,再由公式計算出Nd值,并通過改變應(yīng)變速率來試驗光纖的疲勞性能[3]。對于常規(guī)光纖(包層直徑為125μm、涂覆層直徑為250μm),斷裂應(yīng)力σf的計算公式為

式中,T為光纖斷裂張力;Ag為光纖橫截面積。則每一應(yīng)變速率下的應(yīng)力速率σa為

式中,t(σf)為斷裂時間;t(0.8σf)為斷裂應(yīng)力80%時所用的時間。而應(yīng)力速率σa與中值斷裂應(yīng)力σf(0.5)的關(guān)系為

式中,截距為應(yīng)力速率等于1時斷裂應(yīng)力的對數(shù),取每一應(yīng)力速率σa下的中值斷裂應(yīng)力σf(0.5)。圖1所示為軸向張力拉伸法斷裂應(yīng)力對應(yīng)的動態(tài)疲勞曲線,由此可計算出Nd值[4]。

圖1 軸向張力拉伸法動態(tài)疲勞曲線

1.2 兩點彎曲法測試原理

兩點彎曲法測試Nd值是將光纖彎曲成U形夾在兩壓板之間,兩個壓板以一定的速率相向運動直至試樣光纖發(fā)生斷裂,記錄光纖斷裂瞬間的壓板間距d,由d值計算出光纖斷裂時受到的應(yīng)力值,再由公式計算Nd值。對于光纖使用中應(yīng)力起因于彎曲的情況,應(yīng)優(yōu)先采用本試驗方法[3]。由于步進(jìn)電機的最快速度限制了壓板的最快速度,采用計算出的壓板間距d將縮短試驗時間并達(dá)到最快壓板速度。

每根光纖的斷裂應(yīng)力σf可表示為

式中,εf為光纖斷裂應(yīng)變;α為光纖非線性應(yīng)力應(yīng)變特性的修正系數(shù),典型值為6;E0為楊氏模量;df為玻璃光纖直徑;dc為包括任何涂覆層的光纖總直徑;2dg為兩個槽的總深度。

通常采用的壓板移動速度v為1、10、100和1 000μm/s 4擋,控制精度均為±10%。v與σf(0.5)的關(guān)系為

式中,r為玻璃光纖的半徑;截距為恒定壓板速度等于1時的斷裂應(yīng)力的對數(shù)。記錄實驗數(shù)據(jù),繪制兩點彎曲法斷裂應(yīng)力對應(yīng)的動態(tài)疲勞曲線,即可計算得出Nd值[4]。

2 測試數(shù)據(jù)處理

記錄實驗數(shù)據(jù)并計算各應(yīng)力速率下的斷裂應(yīng)力和每一斷裂應(yīng)力的累積斷裂概率:Fk=(k― 0.5)/N,k=1,2,…,N。其中,N為樣本大小[4]。

2.1 軸向張力拉伸法數(shù)據(jù)處理

本文采用G.652D單模光纖樣本在溫度為22.5℃、濕度為50.2%的環(huán)境條件下預(yù)處理48 h后進(jìn)行實驗,取5、50和500 mm/min 3種拉伸速率下的中值斷裂應(yīng)力。繪制的斷裂應(yīng)力對應(yīng)的動態(tài)疲勞曲線如圖2所示,再通過公式計算Nd值。圖中,斜率=1/(1+Nd)=0.042 9,Nd=22.31。

圖2 軸向張力拉伸法的動態(tài)疲勞曲線

2.2 兩點彎曲法數(shù)據(jù)處理

采用與軸向張力拉伸法同樣的光纖樣本及環(huán)境條件,取1、10、100和1 000μm/s 4種壓板速率下的中值斷裂應(yīng)力。采用兩點彎曲法試驗設(shè)備并根據(jù)壓板間距d自動計算出光纖的斷裂應(yīng)力及應(yīng)力速率。繪制的斷裂應(yīng)力對應(yīng)的動態(tài)疲勞曲線如圖3所示,再通過公式計算得出Nd值,圖中,斜率= 1/(Nd―1)=0.044 8,Nd=23.78。

圖3 兩點彎曲法的動態(tài)疲勞曲線

2.3 兩種測試方法差異分析

通過對比兩種測試方法測得的Nd值,發(fā)現(xiàn)兩點彎曲法測得的Nd值普遍比軸向張力拉伸法高0.5～2個單位。這是由于軸向張力拉伸測試過程中,光纖內(nèi)外涂層分離或錯位、實驗設(shè)備的選擇和操作步驟的規(guī)范程度等均會在不同程度上造成光纖在卷軸上出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,這會導(dǎo)致應(yīng)力速率減小,但光纖斷裂強度不變。而現(xiàn)有光纖涂層大多采用模量偏低的涂料制成,更加劇了打滑現(xiàn)象的出現(xiàn)。兩點彎曲法通過修改不同壓板速率下的預(yù)負(fù)荷強度值,可以很好地規(guī)避軸向張力拉伸測試過程中出現(xiàn)的打滑問題,且操作簡單,其Nd值測試標(biāo)準(zhǔn)偏差遠(yuǎn)小于軸

向張力拉伸法。

同時,軸向張力拉伸實驗采用的試樣光纖長度約45 m,單次測試長度約1 m,測試動態(tài)過程捕獲到低強度點的概率較高。因此,軸向張力拉伸法因其長標(biāo)距測試的優(yōu)勢,容易發(fā)現(xiàn)光纖本身的強度問題。而兩點彎曲試驗采用的試樣光纖長度約5 m,單次測試長度約只有0.05 m,這導(dǎo)致兩點彎曲測試過程很難發(fā)現(xiàn)光纖強度問題[5]。

通過上述分析可知,兩種測試方法均具有其優(yōu)缺點,因而適用于不同情形。具體選擇時應(yīng)綜合考慮光纖試樣、試驗環(huán)境和施加應(yīng)力量等因素,且應(yīng)在用戶和制造商之間達(dá)成一致。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15972.33-2008規(guī)定軸向張力拉伸法作為光纖動態(tài)疲勞測試的基準(zhǔn)方法,但對于使用中光纖應(yīng)力起因于彎曲的情況,尤其在測試G.657光纖的Nd值時,應(yīng)優(yōu)先采用兩點彎曲法[4]。

某些情況下可以取長補短,綜合使用兩種測試方法。例如,采用兩點彎曲法測得Nd值后,再采用軸向張力拉伸法探究光纖的長期可靠性。

3 結(jié)束語

動態(tài)疲勞參數(shù)Nd值是影響光纖壽命最敏感的因素之一,提高Nd值可以很好地延長光纖壽命。兩種測試方法適用于不同情形,實際應(yīng)用中應(yīng)與用戶和制造商協(xié)商,根據(jù)光纖試樣、試驗環(huán)境和施加應(yīng)力量等因素選擇具體的試驗方法。

[1]GR 20 CORE ISSUE 3-2012,Generic Requirements for Optical Fiber and Optical Fiber Cable[S].

[2]劉炯.影響光纖動態(tài)疲勞測試的因素淺析[J].光電通信網(wǎng),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,光纖試驗方法規(guī)范第33部分:機械性能的測量方法和試驗程序——應(yīng)力腐蝕敏感性參數(shù)[S].

[5]PD IEC/TR 62048-2014,Optical fibres.Reliability. Power law theory[S].

Two Kinds of Test-Methods for Fiber Dynamic Fatigue Parameter and Their Difference Analysis

YU Li-jun1,HU Peng1,PENG Li-hong2
(1.Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications,Wuhan 430074,China; 2.Fiber Home Telecommunication Technologies Co.,Ltd.,Wuhan 430074,China)

Life expectancy by an optical fiber screening test model shows that the main parameters affecting the life of the optical fiber are Weibull exponent m,stress corrosion susceptibility parameter n and the ratio of screening stress and static stress. This paper mainly focuses on the effects and determination of axial tension method and two-point bending method to the value of Nd,which is a key parameter to evaluate the fiber life.The values of Ndunder the two test methods for G.652D are statistically measured.The advantages and disadvantages of these two methods are also analyzed.Axial tension stretching method can find good fiber strength issue,but the implementation of optical fiber can be slippery.The bending method can well avoid fiber slippage problem,but it is difficult to find the strength of the optical fiber.Based on the above results,we suggest that both the test methods should be used in real application scenario.

dynamic fatigue parameter;fiber life;axial tension method;two-point bending method

TN818

A

1005-8788(2016)06-0039-03

10.13756/j.gtxyj.2016.06.011

2016-06-01

于麗君(1990―),女,山東聊城人。碩士研究生,主要研究方向為光纖通信。