Когда люди говорят окак проверить оптоволоконный кабельОбычно они означают следы OTDR, вносимые потери или сертификацию канала после установки.
На самом деле начинаются серьезные испытания кабелянамного раньше, еще до появления оболочки кабеля существуют силовые элементы и броня. Один из наиболее важных шагов длябудущий кабельэтоконтрольное испытание оптического волокна– испытание на механическую прочность голых волокон, которое определяет, насколько надежным будет готовый оптоволоконный кабель при растяжении, изгибе и длительной-службе.
В этой статье мы сосредоточимся на этом единственном шаге:
как проверить оптоволоконный кабельна уровне волокон, проверив контрольную-испытательную прочность волокон, идущих внутри кабеля.
Как проверить оптоволоконный кабель на прочность?-проверку?
На практике контрольная-испытательная прочность проверяется на уровне волокна перед прокладкой кабеля. Каждое оголенное волокно, входящее в оптоволоконный кабель, растягивается по всей длине до заданного растягивающего напряжения (например, 0,69 ГПа / 100 кПа). Любое волокно, которое не может выдержать такое напряжение, ломается и выбрасывается, и в жилу кабеля допускаются только те волокна, которые прошли это -проверочное испытание на всю длину, что гарантирует, что готовый кабель выдержит номинальные нагрузки на растяжение, изгиб и длительную-эксплуатацию.
Какое место проверочное тестирование занимает при тестировании оптоволоконного кабеля?
Упрощенный жизненный циклоптоволоконный кабельвыглядит так:
Этап голого волокна
Рисунок волокна
Контрольное испытание оптического волокна (механическое экранирование будущих волокон кабеля)
Оптические испытания голого волокна (затухание, геометрия, дисперсия)
Этап изготовления кабеля
Скручивание проверенных-волокон в свободные трубки или ленты
Добавление силовых элементов, наполнителей, гидроблоков-и оболочек.
Механические испытания готового кабеля(растяжение, раздавливание, удар, изгиб, циклическое изменение температуры)
Оптические испытания готового кабеля(затухание, дополнительные потери после механических испытаний)
Этап полевого развертывания
Контроль натяжения установки
Приемочные испытания: рефлектометр, вносимые потери, отражение
Периодические проверки в течение срока службы кабеля
контрольное испытание оптического волокнапринадлежит кстадия голого волокна, но его результаты «вшиты» в кабель навсегда:
Каждое волокно внутри оптоволоконного кабеля имеет либопрошедшийконтрольное испытание при определенном уровне нагрузки или ононе удалось и было удалено.
Как только эти волокна будут скручены в кабель, вы не сможете повторить этот этап проверки. Механический запас кабеля уже определен.
Поэтому, когда мы говорим"как проверить оптоволоконный кабель на прочность-проверке"На самом деле мы описываем, как производитель тестирует и фильтрует волокна, которые определяют поведение кабеля под напряжением.
Что такое контрольное испытание оптического волокна (с точки зрения кабеля)?
С точки зрения механики разрушения контрольное испытание представляет собой испытание на растяжение стекла с поверхностными дефектами.
Изоптоволоконный кабельС точки зрения, проще думать об этом так:
Производитель растягивает каждое волокно до определенного уровня напряжения (например,0,69 ГПа/100 кПа) по всей длине.
Любое волокно, которое не выдержит этого стресса, порвется и выйдет из строя.никогда не использоватьсявнутри оптоволоконного кабеля.
Таким образом, контрольное тестирование действует какмеханические защитные воротамежду голым стеклом и готовым кабелем:
Волокна, которые слишком слабы, чтобы выдержать разумное протягивание и обращение с кабелем, удаляются заранее.
Волокна, входящие в жилу кабеля, продемонстрировали прочность, как минимум, указанную при контрольных-испытаниях.
Подробный раздел «1.1.1 Контрольные-испытания на прочность оптического волокна» объясняет, как именно это работает с точки зрения дефектов, динамической усталости и роста трещин. Следующие разделы переводят эту теорию напрактические последствия для кабеля.
Контрольное-испытание прочности оптического волокна
Определение и цель проверки-испытания оптического волокна на прочность
В оптических волокнах, в которых в качестве среды используется кварцевое стекло, неизбежно существуют дефекты разного размера, особенно трещины на поверхности волокна. Размер и форма таких дефектов распределены случайным образом. Чтобы гарантировать прочность практических оптических волокон, необходимо выполнить онлайновый или автономный-проверку прочности оптических волокон после вытяжки, чтобы исключить оптические волокна, прочность которых ниже указанного значения, и гарантировать, что волокна, покидающие завод, могут использоваться при состояниях нагрузки ниже прочности при контрольных-испытаниях без разрушения.
Стандарт Bellcore GR-20-CORE предусматривает, что оптическое волокно должно пройти контрольное испытание по всей длине оптического волокна при давлении 0,69 ГПа (100 кПа).
При контрольном испытании оптического волокна применяется отборочное испытание с напряжением 100 кПа в каждой точке по всей длине волокна, так что те волокна, которые не могут выдержать это напряжение (что эквивалентно наличию трещин размером более 1 мкм), ломаются в своих слабых местах, тогда как волокна, прошедшие контрольное испытание, могут быть гарантированно нормально работать при нагрузках ниже уровня контрольного-теста.
Динамическое усталостное поведение во время контрольных испытаний оптического волокна
Фактически, процесс контрольных-испытаний оптического волокна сам по себе представляет собой процесс динамической усталости. Во время контрольных-испытаний под действием контрольного-испытательного напряжения трещины в волокне будут расширяться, что еще больше снижает прочность волокна. Снижение прочности волокна в процессе динамической усталости можно выразить следующей формулой:
Sf⁻² − Si⁻²=− 1/B ∫₀ᵗ [σ(t)]ⁿ dt (1-1)
Динамическое уравнение усталости для снижения прочности волокна
где Si — прочность волокна до контрольных-испытаний;
Sf — прочность волокна после контрольных-испытаний;
σ — напряжение, приложенное во время контрольного испытания оптического волокна;
n и B — константы, описывающие рост трещины.
Во время контрольного-тестирования нагрузка, приложенная к каждой точке волокна, включает три процесса: нагружение, удержание и разгрузку (как показано на рис.. 1-1). Изменение прочности волокна до и после контрольных-испытаний определяется по формуле:
Sf⁻²=Si⁻² − 1/B [ σp⁽ⁿ⁺¹⁾ / ((n+1)σ₁) + σpⁿ t_d + σp⁽ⁿ⁺¹⁾ / ((n+1)σ₂) ] (1-2)
Связь между прочностью волокна до и после контрольных испытаний
где σ₁ — скорость нарастания напряжения в области нагружения, поэтому время нагружения равно t₁=σp/σ₁;
σ₂ — скорость снижения напряжений в области разгрузки, поэтому время разгрузки равно t₂=σp/σ₂;
σp — испытательное-испытательное напряжение;
t_d — время выдержки под нагрузкой.
Из кривых, представленных на рис. 1-1, видно, что в областях нагружения и удерживания все волокна, прочность которых ниже контрольного-испытательного напряжения σp (включая снижение прочности, вызванное динамической усталостью в этой области), будут разрываться, на что указывают кривые а и б. Однако в зоне разгрузки могут возникнуть две ситуации: одна, как показано кривой с, когда волокно разрывается в зоне разгрузки из-за снижения прочности, вызванного динамической усталостью; другой показан кривой d, где прочность снижается до уровня ниже контрольного -испытательного напряжения σp из-за динамической усталости во время разгрузки, но волокно все равно выдерживает контрольное испытание, не разрушаясь. В результате даже в волокнах, прошедших контрольное испытание, все еще могут оставаться участки, в которых прочность ниже напряжения контрольного-тестового испытания, что приводит к локальному признанию недействительным контрольного испытания.
Влияние времени разгрузки и испытательной-стрессовой нагрузки на результаты проверки
Чтобы понять эту проблему, можно использовать два подхода. Один из них — минимизировать время разгрузки при контрольных испытаниях оптического волокна; это один из основных технических показателей современного оборудования для испытания-оптических волокон. Другой — выбрать подходящую фактическую нагрузку для контрольных-испытаний в соответствии с различными уровнями контрольных-испытаний и временем разгрузки. Например, согласно опыту компании Mingxun, оптическое волокно с минимальной испытательной-испытуемой прочностью 0,7 ГПа выдерживает контрольное испытание при 0,73 ГПа (со значением хвоста цензурирования около 4,3 % и временем разгрузки 75 мс), а оптическое волокно с минимальной контрольной-испытательной прочностью 1,40 ГПа выдерживает контрольное-испытательное напряжение 1,50 ГПа (со значением хвоста цензурирования около 7% и временем разгрузки 25 мс).
Рис. 1-2 Статистическое распределение прочности оптического волокна на разрыв
Трещины гарантируют, что минимальная прочность готового оптического волокна превышает уровень прочности при контрольных-испытаниях.
Концентрация напряжений в поверхностных трещинах оптических волокон
Кончик трещины оптического волокна образует область-концентрации напряжений, которая является наиболее вероятным фактором, вызывающим разрушение волокна. Степень концентрации напряжений обычно выражают коэффициентом интенсивности напряжений К_I:
K_I = σ√a (1-4)
Определение коэффициента интенсивности напряжений режима I
где – константа;
σ — внешнее напряжение;
а — глубина трещины.
При данной трещине по мере увеличения напряжения, когда К_I возрастает до критического значения К_С, волокно разрывается.
Статическая усталость оптических волокон в волоконно-оптических кабелях
Во время прокладки и эксплуатации оптического кабеля поверхностные трещины волокна продолжают расти под действием напряжения и влаги, что приводит к снижению прочности волокна и в конечном итоге приводит к его разрыву. Это процесс статической усталости оптического волокна.
Статические усталостные характеристики оптического волокна:
Усталостные характеристики оптического волокна обычно описываются следующей показательной функцией:
В=da/dt=A K_Iⁿ (1-5)
Уравнение скорости роста статической усталостной трещины
где а – глубина трещины;
А – материальная константа;
K_I — коэффициент интенсивности напряжений, который зависит от геометрии трещины, ее глубины и величины приложенного напряжения;
n называется коэффициентом коррозии под напряжением или параметром усталостного-сопротивления.
А и К_I определяются структурой кварцевого стекла, и для данной структуры волокна А и К_I можно считать постоянными.
Величина n зависит не только от структуры волокна, но и от условий окружающей среды, при которых к волокну прикладывается напряжение. Это важный фактор, напрямую влияющий на срок службы оптического волокна. Чем больше значение n, тем выше сопротивление усталости. Значение n оптического волокна Corning составляет 22, а значение n оптического волокна Corning с керамическим-покрытием — 29.
Ключевые факторы, влияющие на срок службы оптического волокна
Таким образом, срок службы оптического волокна зависит главным образом от следующих трех факторов:
(1) Трещины.
Трещины включают в себя первоначальные поверхностные и внутренние дефекты, образовавшиеся во время вытягивания, нанесения покрытия и обработки волокна, а также дополнительные микро-дефекты, которые могут появиться во время прокладки кабелей и установки. Размер, плотность и распределение этих трещин определяют первоначальную механическую прочность волокна и сильно влияют на то, насколько быстро прочность снижается в условиях эксплуатации. Волокно с меньшим количеством трещин имеет гораздо более высокую вероятность прожить весь срок службы оптоволоконного кабеля без разрушения.
(2) Стресс.
Не менее важны уровень и продолжительность механического воздействия на волокно на протяжении всего срока его службы. В практических волоконно-оптических кабелях это напряжение в основном возникает из-за растягивающей нагрузки во время установки, остаточной деформации после натяжения, теплового расширения и сжатия, усадки оболочки, ветровых и ледовых нагрузок на воздушные пролеты, а также местных изгибов и манипуляций. Чем выше длительное напряжение в стекле, тем быстрее будут расти трещины и тем короче ожидаемый срок службы; и наоборот, поддержание деформации волокна значительно ниже пределов, полученных при контрольных-испытаниях-, значительно повышает механическую надежность кабеля.
(3) Влага.
Влага в окружающей среде ускоряет коррозию под напряжением в кончиках трещин и способствует статической усталости. Хотя для защиты волокон в волоконно-оптических кабелях используются покрытия, гели и водоблокирующие-элементы, молекулы воды все равно могут достигать поверхности стекла из-за дефектов покрытия или в течение очень длительного времени. Таким образом, влажная среда или повторяющиеся циклы влажно-сухой увеличивают скорость роста трещин для данного уровня напряжения. Хорошая конструкция кабеля и правильная установка (например, предотвращение повреждения оболочки и обеспечение эффективной гидроизоляции) помогают ограничить доступ влаги к поверхности волокна и тем самым продлить срок службы волокон внутри кабеля.
Почему проверочные-испытания на прочность важны для оптоволоконных кабелей?
1. Установка: насколько сильно вы можете тянуть кабель
Волоконно-оптический кабель имеет конструкциюноминальное тянущее усилие– значение, которое установщик не должен превышать.
За этим единственным числом стоит предположение: волокна внутри кабеля имеют по крайней мере определенноедоказательство-проверка прочности.
Если волокна не прошли контрольные-тесты или уровень контрольных-тестов был слишком низким:
Кабель может выглядеть механически прочным снаружи (оболочка, стальные проволоки, стеклопластик).
Но некоторые волокна в сердцевине могут порваться под воздействиемнормальное установочное натяжение, хотя кабель в целом все еще находится в пределах номинального предела.
Введя минимальный уровень контрольных-тестов, производитель гарантирует:
самые слабые волокнауже сломаны и отклоненыперед подключением кабелей.
Готовый кабель можно безопасно натянуть до номинального натяжения, не вызывая скрытых разрывов волокна внутри жилы.
Другими словами,доказательство-сила испытания устанавливает внутренний запас прочностидля кабеля во время установки.
2. Долгосрочная-надежность и срок службы кабеля.
Волоконно-оптический кабель проводит большую часть своего срока службы поднизкая, но постоянная нагрузка:
собственный вес на пролете, тепловое расширение/сжатие, незначительная усадка оболочки, остаточное напряжение от установки и т. д.
В вашем техническом разделе объясняется, что:
Поверхностные трещины в волокне растут медленно под действием напряжения и влаги (статическая усталость).
Скорость роста трещины зависит от интенсивности напряжений и окружающей среды.
Для готового кабеля это означает:
Если волокна вошли в кабель с большими первоначальными дефектами (поскольку они не прошли эффективное контрольное-тестирование), эти дефекты могут увеличиться в течение многих лет эксплуатации.
В конце концов кабель может пострадатьв-обрывается служебное волокно: оболочка и силовые элементы целы, но одно или несколько внутренних волокон разорвано.
Более высокий и хорошо-контролируемыйдоказательство-проверка прочностиуменьшает размер и количество критических дефектов в волокнах, входящих в кабель.
Как результат:
Кабель может выдерживать небольшие дополнительные напряжения из-за температуры, ползучести или усадки оболочки.
Вероятность самопроизвольных разрывов волокна в середине пролета существенно снижается.
Таким образом, контрольное тестирование — это не просто внутреннее требование завода — оно напрямую контролируетмеханический срок службыоптоволоконного кабеля в полевых условиях.
3. Квалификация кабеля и соответствие стандартам.
Если кабель сертифицирован на соответствие стандартам (Telcordia, IEC и т. д.), программа испытаний включает в себя:
Испытания кабеля на растяжение: натяните кабель до заданного натяжения и проверьте дополнительные оптические потери.
Экологические испытания: циклическое изменение температуры, проникновение воды, раздавливание, удар и т. д.
Эти тесты на уровне кабеля-предполагают, что волокна внутри уже прошли определенноеуровень проверки-теста.
Если контрольное-тестирование является слабым или непоследовательным:
Одна и та же конструкция кабеля может вести себя по-разному на разных катушках.
Кабель может пройти типовое испытание в лаборатории, но при этом при массовом производстве и развертывании все равно будет наблюдаться неожиданный разрыв волокна или большие потери.
Указывая и контролируя силу контрольных-испытаний, производитель обеспечиваетповторяемые механические характеристики кабеля:
Одна и та же конструкция кабеля будет одинаково вести себя в разных партиях продукции.
Клиенты могут быть уверены, что номинальная растягивающая нагрузка кабеля действительно соответствует безопасной деформации волокна внутри кабеля.
4. Простое число, описывающее «скрытую прочность» жилы кабеля.
Внешне два оптоволоконных кабеля могут выглядеть одинаково: одинаковая оболочка, одинаковое бронирование, одинаковое количество жил.
Внутри они могут быть самыми разными:
В кабеле А используются волокна,-протестированные в0,69 ГПа (100 кПа)
В кабеле Б используются волокна,-протестированные в1,0 ГПа или выше
уровень проверки-тестадает вам быстрый способ понять эту скрытую разницу:
Более высокая-испытательная прочность → более прочные, более усталостные-волокна →более высокая внутренняя прочность кабеля.
Меньшая испытательная-испытательная прочность → меньшая устойчивость к сильным натяжениям, резким изгибам и длительным-нагрузкам.
Когда вы сравниваете оптоволоконные кабели разных поставщиков, проверка технических характеристик-испытаний волокна – это один из способов оценить истинное механическое качество жилы кабеля.
Часто задаваемые вопросы
Как контрольные испытания оптического волокна связаны с «как тестировать оптоволоконный кабель»?
Когда мы говорим о том, *как тестировать оптоволоконный кабель*, большинство людей думают об OTDR, вносимых потерях или тестах сквозного--конечного соединения. Контрольные испытания оптического волокна проводятся на более ранних этапах цепочки, на этапе голого волокна. Это этап механического скрининга, который определяет, какие волокна будут допущены в жилу кабеля. Другими словами, контрольное тестирование — это скрытая часть тестирования оптоволоконного кабеля, которая определяет внутренний механический запас кабеля перед проведением каких-либо полевых испытаний.
Что происходит с волокном, которое не прошло контрольное испытание? Он все еще входит в кабель?
Нет. Волокно, не выдержавшее контрольных испытаний, рвется во время проверки на растяжение и отбраковывается. Этот участок волокна вырезается и не будет использоваться ни в одном оптоволоконном кабеле. Для прокладки кабелей принимаются только волокна, выдержавшие указанное испытательное-испытательное напряжение по всей длине.
Всегда ли более высокий уровень проверки-испытаний лучше для оптоволоконных кабелей?
Более высокие уровни испытаний-удаляют более слабые волокна и в целом повышают механическую прочность жилы кабеля. Однако они также увеличивают нагрузку на стекло во время производства и могут снизить выход продукции или увеличить стоимость. На практике каждый производитель выбирает уровень контрольных-испытаний, который:
- Соответствует соответствующим стандартам и спецификациям клиентов.
- Соответствует возможностям оборудования для рисования и-проверочных испытаний.
- Обеспечивает достаточный запас для предполагаемого применения кабеля.
Таким образом, принцип «чем выше, тем лучше» справедлив только в рамках стабильного и экономичного производственного процесса.
Заменяет ли испытание оптоволокна испытания на растяжение готового оптоволоконного кабеля?
Нет. Контрольные испытания и испытания кабелей на растяжение служат разным целям:
- Контрольное испытание проверяет прочность голого волокна и отсеивает слабое стекло.
- Испытание кабеля на растяжение позволяет проверить, как готовый **волоконно-оптический кабель** ведет себя под напряжением, включая воздействие силовых элементов, буферных трубок, оболочек и концевых заделок.
Кабель может иметь надежные характеристики растяжения только в том случае, если обе части выполнены правильно: прочные,-проверенные волокна внутри хорошо-структуры кабеля.
Как прочность при контрольных-испытаниях влияет на максимальное натяжение оптоволоконного кабеля?**
Номинальное максимальное натяжение кабеля выбирается таким образом, чтобы нагрузка на внутренние волокна оставалась значительно ниже уровня, используемого при контрольных испытаниях. Если волокна имеют низкую или несоответствующую испытательную-испытательную прочность, они могут порваться, даже если внешнее натяжение находится в пределах опубликованных номинальных значений кабеля. Используя волокна,-проверенные надлежащим образом, разработчик кабеля может определить натяжение, безопасное для стекла и при этом практичное при установке.
Могу ли я увидеть проблемы, связанные с контрольными-тестами с помощью OTDR или других полевых испытаний?
Обычно вы не можете. На заводе случаются сбои контрольных-тестов: слабые волокна ломаются во время контрольных испытаний и выбрасываются. Готовые оптоволоконные кабели, доставленные на объект, должны содержать только волокна, уже прошедшие контрольные испытания. Измерения OTDR и вносимых потерь покажут места сращивания, разъемы, макро-изгибы и другие проблемы в полевых условиях, но они не покажут сам процесс контрольных-испытаний.
Как нагрузка и влага в среде кабеля влияют на прочность при контрольных-испытаниях?
Контрольное-испытание на прочность определяет исходное состояние волокна: размер оставшихся трещин и прочность стекла сразу после изготовления. После того как волокно окажется внутри кабеля и установлено, под воздействием длительного-напряжения и воздействия влаги эти трещины могут медленно расти (статическая усталость). Если прочность при первоначальном контрольном-испытании высока, а конструкция кабеля ограничивает деформацию волокна и проникновение воды, скорость роста трещин остается низкой, а срок службы волокон в кабеле значительно увеличивается.
Все ли волокна в многоволоконном кабеле-имеют одинаковую-испытательную прочность?
Они должны. В рамках контролируемого производственного процесса каждая катушка с оптоволоконным кабелем, используемая в кабелях, проходит одни и те же проверочные-тестовые испытания. Таким образом, все волокна в многоволоконном-кабеле имеют сопоставимую механическую прочность и одинаковую устойчивость к усталости. Большие различия в прочности при контрольных-испытаниях между волокнами могут привести к неравномерной надежности и непредсказуемому поведению кабеля в полевых условиях.
Почему информация о контрольных-испытаниях важна при выборе оптоволоконного кабеля?
Потому что это говорит вам кое-что о **скрытых механических свойствах** жилы кабеля. Два кабеля могут выглядеть одинаково снаружи, но если в одном из них используются волокна, -проверенные на более высоком и хорошо-контролируемом уровне, они обычно обеспечивают лучшую устойчивость к сильным натяжениям, сильным изгибам и длительным-напряжениям. Проверка технических характеристик-испытаний на прочность волокна — это простой способ сравнить внутреннюю надежность различных волоконно-оптических кабелей, а не только тип оболочки и количество волокон.