光纖動(dòng)態(tài)疲勞參數(shù)的兩種測(cè)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(dòng)態(tài)疲勞參數(shù)的兩種測(cè)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)討論了軸向張力法和兩點(diǎn)彎曲法對(duì)光纖壽命的重要評(píng)價(jià)指數(shù)動(dòng)態(tài)疲勞參數(shù)Nd值的影響及判定。對(duì)兩種測(cè)試方法測(cè)得的G.652D光纖的Nd值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),對(duì)優(yōu)缺點(diǎn)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(qiáng)度問(wèn)題,但實(shí)現(xiàn)過(guò)程中光纖容易打滑,而兩點(diǎn)彎曲法則相反。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中應(yīng)綜合使用兩種測(cè)試方法。

動(dòng)態(tài)疲勞參數(shù);光纖壽命;軸向張力法;兩點(diǎn)彎曲法

0 引 言

動(dòng)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(diǎn)。光纖制造商對(duì)不同類(lèi)型光纖(無(wú)涂覆或涂覆)的Nd進(jìn)行測(cè)量,不僅對(duì)光纖用于苛刻環(huán)境有較大的參考價(jià)值,而且能減少成本更高的光纜相關(guān)試驗(yàn)次數(shù)。GR-20-CORE規(guī)定單模光纖的Nd＞18[1],而國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9771.1規(guī)定Nd＞20。國(guó)際電工委員會(huì)的IEC 60973-2-50和ITU-T(國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部)并沒(méi)有規(guī)定Nd值的規(guī)范[2]。本文統(tǒng)計(jì)了軸向張力拉伸法和兩點(diǎn)彎曲法分別測(cè)得的G.652D光纖的Nd值,通過(guò)分析兩種測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn),給出了實(shí)際測(cè)試Nd值的建議。

1 動(dòng)態(tài)疲勞參數(shù)測(cè)試

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

1.1 軸向張力拉伸法實(shí)驗(yàn)原理

軸向張力拉伸法測(cè)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(cè)試光纖在斷裂瞬間的斷裂應(yīng)力σf,再由公式計(jì)算出Nd值,并通過(guò)改變應(yīng)變速率來(lái)試驗(yàn)光纖的疲勞性能[3]。對(duì)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(jì)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(shí)間;t(0.8σf)為斷裂應(yīng)力80%時(shí)所用的時(shí)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(shí)斷裂應(yīng)力的對(duì)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(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)疲勞曲線,由此可計(jì)算出Nd值[4]。

圖1 軸向張力拉伸法動(dòng)態(tài)疲勞曲線

1.2 兩點(diǎn)彎曲法測(cè)試原理

兩點(diǎn)彎曲法測(cè)試Nd值是將光纖彎曲成U形夾在兩壓板之間,兩個(gè)壓板以一定的速率相向運(yùn)動(dòng)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(jì)算出光纖斷裂時(shí)受到的應(yīng)力值,再由公式計(jì)算Nd值。對(duì)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(yàn)方法[3]。由于步進(jìn)電機(jī)的最快速度限制了壓板的最快速度,采用計(jì)算出的壓板間距d將縮短試驗(yàn)時(shí)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(gè)槽的總深度。

通常采用的壓板移動(dòng)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(shí)的斷裂應(yīng)力的對(duì)數(shù)。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制兩點(diǎn)彎曲法斷裂應(yīng)力對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)疲勞曲線,即可計(jì)算得出Nd值[4]。

2 測(cè)試數(shù)據(jù)處理

記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并計(jì)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(shí)驗(yàn),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(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)疲勞曲線如圖2所示,再通過(guò)公式計(jì)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(dòng)態(tài)疲勞曲線

2.2 兩點(diǎn)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(diǎn)彎曲法試驗(yàn)設(shè)備并根據(jù)壓板間距d自動(dòng)計(jì)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(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)疲勞曲線如圖3所示,再通過(guò)公式計(jì)算得出Nd值,圖中,斜率= 1/(Nd―1)=0.044 8,Nd=23.78。

圖3 兩點(diǎn)彎曲法的動(dòng)態(tài)疲勞曲線

2.3 兩種測(cè)試方法差異分析

通過(guò)對(duì)比兩種測(cè)試方法測(cè)得的Nd值,發(fā)現(xiàn)兩點(diǎn)彎曲法測(cè)得的Nd值普遍比軸向張力拉伸法高0.5～2個(gè)單位。這是由于軸向張力拉伸測(cè)試過(guò)程中,光纖內(nèi)外涂層分離或錯(cuò)位、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選擇和操作步驟的規(guī)范程度等均會(huì)在不同程度上造成光纖在卷軸上出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,這會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力速率減小,但光纖斷裂強(qiáng)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(diǎn)彎曲法通過(guò)修改不同壓板速率下的預(yù)負(fù)荷強(qiáng)度值,可以很好地規(guī)避軸向張力拉伸測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的打滑問(wèn)題,且操作簡(jiǎn)單,其N(xiāo)d值測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)偏差遠(yuǎn)小于軸

向張力拉伸法。

同時(shí),軸向張力拉伸實(shí)驗(yàn)采用的試樣光纖長(zhǎng)度約45 m,單次測(cè)試長(zhǎng)度約1 m,測(cè)試動(dòng)態(tài)過(guò)程捕獲到低強(qiáng)度點(diǎn)的概率較高。因此,軸向張力拉伸法因其長(zhǎng)標(biāo)距測(cè)試的優(yōu)勢(shì),容易發(fā)現(xiàn)光纖本身的強(qiáng)度問(wèn)題。而兩點(diǎn)彎曲試驗(yàn)采用的試樣光纖長(zhǎng)度約5 m,單次測(cè)試長(zhǎng)度約只有0.05 m,這導(dǎo)致兩點(diǎn)彎曲測(cè)試過(guò)程很難發(fā)現(xiàn)光纖強(qiáng)度問(wèn)題[5]。

通過(guò)上述分析可知,兩種測(cè)試方法均具有其優(yōu)缺點(diǎn),因而適用于不同情形。具體選擇時(shí)應(yīng)綜合考慮光纖試樣、試驗(yàn)環(huán)境和施加應(yīng)力量等因素,且應(yīng)在用戶(hù)和制造商之間達(dá)成一致。國(guó)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(dòng)態(tài)疲勞測(cè)試的基準(zhǔn)方法,但對(duì)于使用中光纖應(yīng)力起因于彎曲的情況,尤其在測(cè)試G.657光纖的Nd值時(shí),應(yīng)優(yōu)先采用兩點(diǎn)彎曲法[4]。

某些情況下可以取長(zhǎng)補(bǔ)短,綜合使用兩種測(cè)試方法。例如,采用兩點(diǎn)彎曲法測(cè)得Nd值后,再采用軸向張力拉伸法探究光纖的長(zhǎng)期可靠性。

3 結(jié)束語(yǔ)

動(dòng)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(zhǎng)光纖壽命。兩種測(cè)試方法適用于不同情形,實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)與用戶(hù)和制造商協(xié)商,根據(jù)光纖試樣、試驗(yàn)環(huán)境和施加應(yīng)力量等因素選擇具體的試驗(yàn)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(dòng)態(tài)疲勞測(cè)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(yàn)方法規(guī)范第33部分:機(jī)械性能的測(cè)量方法和試驗(yàn)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?yàn)楣饫w通信。