光纤动态疲劳参数的两种测试方法及其差异分析

于丽君,胡 鹏,彭利红

(1.武汉邮电科学研究院,武汉 430074; 2.烽火通信科技股份有限公司,武汉 430074)

光纤动态疲劳参数的两种测试方法及其差异分析

于丽君1,胡 鹏2,彭利红2

(1.武汉邮电科学研究院,武汉 430074; 2.烽火通信科技股份有限公司,武汉 430074)

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。

动态疲劳参数;光纤寿命;轴向张力法;两点弯曲法

0 引 言

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IEC 60973-2-50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]。

图1 轴向张力拉伸法动态疲劳曲线

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48 h后进行实验,取5、50和500 mm/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。

图2 轴向张力拉伸法的动态疲劳曲线

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。

图3 两点弯曲法的动态疲劳曲线

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45 m,单次测试长度约1 m,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5 m,单次测试长度约只有0.05 m,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/T 15972.33-2008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。

[1]GR 20 CORE 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].

[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

于丽君(1990―),女,山东聊城人。硕士研究生,主要研究方向为光纤通信。