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光纤的机械特性与温度特性

时间:2022-10-18 百科知识 版权反馈
【摘要】:光纤的抗拉强度很大程度上反映了光纤的制造水平。实用化的光纤抗拉强度,要求大于240g的拉力。目前商品化光纤的抗拉强度已达到432g拉力,国内用于工程的光纤,一般都大于400g拉力,国外较好的光纤在700g以上,用于海底光缆的光纤强度还要高。影响光纤抗拉强度的主要因素是光纤的制造材料和制造工艺;当然光纤在生产使用过程中存在过大的残余应力,也会影响光纤的抗拉强度。

任务五 光纤的机械特性与温度特性

◆知识点

¤ 光纤的机械特性

¤ 光纤的温度特性

◆任务目标

¤ 掌握决定光纤机械特性的因素

¤ 掌握光纤温度特性对传输性能的影响

任务导入:

光纤(光缆)在实际的工程应用中,不仅要经受较强的机械拉力、压力,还需要适应各种不同的环境变化,如温度、湿度等,这些因素都有可能影响到光纤的传输特性。为了保证光纤传输的稳定性能,我们还需要分析光纤的机械特性、温度特性。图2.15为光纤在工程上的几种应用形式。

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图2.15 光纤工程应用

相关知识:

1.机械特性

当光纤在成缆过程中和用于实际环境中时,必须经受住一定的机械应力和化学环境的侵蚀;在光缆施工过程中,光纤需要量熔融连接,光纤涂敷层的可剥离后裸纤的翘曲度都会影响光纤的熔接难易和损耗大小,这些都属于光纤机械性能和操作性能的范畴。在通常的使用条件下,光纤都会受到张力(如在光缆中)、均匀弯曲(如在圆筒上)或平行表面的两点弯曲(如在熔接情况中)。在所有这些机械环境中,光纤经受了环境构成所特有的应力。

光纤的机械特性非常重要,主要包括耐侧压力、抗拉强度、弯曲及扭绞性能。

(1)光纤的抗拉强度

光纤的抗拉强度很大程度上反映了光纤的制造水平。实用化的光纤抗拉强度,要求大于240g的拉力。目前商品化光纤的抗拉强度已达到432g拉力,国内用于工程的光纤,一般都大于400g拉力,国外较好的光纤在700g以上,用于海底光缆的光纤强度还要高。影响光纤抗拉强度的主要因素是光纤的制造材料和制造工艺;当然光纤在生产使用过程中存在过大的残余应力,也会影响光纤的抗拉强度。

对光纤抗拉强度的要求,是在光纤生产过程中用筛选法达到的。

(2)光纤的断裂分析

存在气泡、杂物的光纤,容易在一定的张力下断裂,但多数是由于光纤表面有一定程度的损伤。当光纤受到一定的张力时,应力首先集中于有微裂纹的地方(最薄弱点);如果超过该部位容许应力时,则立即断裂。如图2.16所示。

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图2.16 光纤机械特性曲线

光纤在制造过程中可用0.5倍的应力进行筛选,合格的成品标称抗拉强度大于432g。

(3)光纤的使用寿命

当光纤损耗增大导致系统开通困难时,称其已达到使用寿命。从机械性能讲,使用寿命指断裂寿命。光纤、光缆制造以及工程建设中,一般是按照20年使用寿命设计的。但是光纤使用寿命受到使用环境的影响而不完全确定,据分析推测,用20年设计寿命的光纤,实际可能使用30—40年。

(4)光纤的机械可靠性

信用石英光纤是外径为125μm左右的细玻璃丝。从理论上推算,外径为125μm的光纤所能承受的抗张力将达到30kg。然而,我们进行多次研究已经验证了影响光纤强度的因素。正是由于强度下降和表面粗糙不平导致在恶劣环境中运行使光纤老化。一旦水分子渗透了聚合物涂层,就很容易到达玻璃表面,光纤强度将会加速下降。

光纤的抗弯性能也是衡量光线机械特性的一项重要指标。只经过涂覆和套塑的光纤,机械强度还不能满足工程上的要求,为了能应用于各种复杂的工程环境,通常要将光纤组合制备成光缆。

2.温度特性

光纤是由多种原料加工复合而成的均匀线性体。在这些材料中,它们的线性膨胀系数、截面积、抗张模量各不相同。在某一温度下,还要将它们集合以一定的工艺加工方式组合起来变成一条光缆。如果光纤的使用温度假定永远都处在加工时的温度,那么它们之间基本不存在热胀冷缩的问题,也不存在各种材料间的相互作用力。但事实上,这样恒温的环境是不可能存在的。例如石英层、光纤涂覆层、塑套层和外层护套由于膨胀系数不同,气温下降时,由于护层的膨胀系数大,导致了各层单元间相互作用,使光纤受到轴向压缩力而产生微弯,这样就增大了光纤损耗。图2.17为表示温度的变化引起光纤传输损耗的曲线。

光纤的低温性能十分重要,对于架空光缆及低温地区光纤线路,如果低温特性不良,将会严重影响通信质量。因此,光纤制造过程中,必须选择良好的涂覆层、塑套层材料。在工程设计时,务必选择良好特性的光纤;施工中遇到不同温度指标的光缆,应按照铺设方式、使用地段进行合理的选择。

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图2.17 光纤温度特性曲线

简单归纳光纤的机械与温度特性如下:

①光纤的抗拉强度很高,接近金属的抗拉强度。

②光纤的延展性(1%)比金属差(20%)。

③光纤内存在裂纹、气泡或杂物,在一定张力下容易断裂。

④光纤遇到水容易断裂且损耗增大。

⑤在低温下损耗随温度的降低而增加。

相关参数的测量:

典型光纤机械特性与温度特性描述对照表如表2.1所示。

表2.1

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知识应用:光纤产品的选择

光纤的机械性能和温度性能决定着光纤系统的传输特性,对光纤通信的质量有很大的影响。在工程上一定要选择性能稳定的光纤。下面我们介绍几种简单识别光纤质量的方法。

①看外表,外径的粗细,粗的当然好。

②摸外表,如手摸后有黑印留在手上,用的显然是次品或再生回料做的光缆;反之如外皮光滑、坚固则用的是合格的外套PE料。

③看光缆的截面,看钢丝大小、钢性、中心束管粗细、颜色、钢带的宽度。

④看光纤颜色,颜色应鲜艳,并拿下一段试试光纤的抗拉强度。

⑤请生产厂家提供光纤的测试报告。

⑥用千兆光纤交换机或光纤收发器检验光缆是否能上千兆。

思考题与习题

1.简述决定光纤机械性能与温度性能的因素。

2.分析在光纤工程应用中,应该注意哪些问题。

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