Главы из книги
Листвин A.B. Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон (скачать PDF)


Оглавление
и
предисловие
книги


Разрывная прочность
Статическая усталость
→ Долговечность волокон
Метод бриллюэновской рефлектометрии
Бриллюэновский анализатор (BOTDA)

Часть 4. Измерение механических характеристик волокон
§ 3. Долговечность волокон

Долговечность волокон

Полиакрилатное покрытие защищает кварцевую оболочку волокна от соприкосновения с твердыми телами, но не защищает ее от воздействия воды. Любые известные полимерные покрытия волокна только задерживает на некоторое время проникновение влаги к поверхности кварцевой оболочки. Например, при изменении влажности прочность волокна в полиакрилатном покрытии выходит на новый уровень через десятки минут. Вода практически всегда присутствует в линии передачи, поэтому для деградации такой линии достаточно только натяжения волокна. От величины натяжения зависит разрушиться волокно почти мгновенно или через многие десятки лет. Качественный характер изменения прочности волокна в процессе перемотки и эксплуатации изображен на рис. 4.9.

Схема изменения прочности оптоволокна
Рис. 4.9. Схема изменения прочности волокна в процессе перемотки и эксплуатации

Как видно из рис. 4.9, до перемотки инертная прочность so на некоторых участках волокна была меньше напряжения, создаваемого при перемотке волокна σп. При перемотке слабые участки волокна (где so < σп) разрушились, и остались целыми только те участки волокон, инертная прочность которых больше σп. В процессе эксплуатации при напряжении σэ < σп инертная прочность волокна s постепенно уменьшается. Когда она сравнивается с σэ, волокно разрушается. Таким образом, срок службы волокна tэ зависит не только от напряжения, создаваемого в процессе эксплуатации волокна, но и от напряжения, с которым оно перематывается.

Муцинаге и др. (Electron Lett., 1981) удалось учесть изменение прочности волокна в обоих этих процессах и получить выражение для долговечности волокна. В настоящее время оно широко используется при оценке долговечности линий передачи и датчиков физических величин. Подробный анализ этой проблемы можно найти в более поздней работе Komachiya M., et all, Appl. Optic. 1999). Мы приведем его без вывода:

выражение для долговечности оптоволокна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4.8)

формула долговечности оптоволокна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4.9)

где F – вероятность разрушения волокна в процессе эксплуатации, L – длина волокна, Nп – среднее число обрывов волокна на единицу длины при его перемотке, σп – относительное удлинение волокна в процессе перемотки, σ – относительное удлинение волокна в процессе эксплуатации, m – параметр Вейбулла, n – параметр статической усталости, tп – время действия нагрузки при перемотке.

При σ = σп, как видно из (4.8), срок службы волокна равен to. Выражение для to можно упростить, так как для практически интересных случаев выполняются условия: F << 1 и F/L Nп << 1. В этих приближениях выражение (4.9) приводится к виду:

формула срок службы оптоволокна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4.10)

Для оценки величины to положим F = 0.001, что соответствует, принятому для военной аппаратуры критерию надежности: 0.999. Для стандартных одномодовых волокон: Nп = 0.01 км-1, n = 22, m = 3. Для типичной длины регенерационного участка линии L = 100 км и tп = 1 с находим: to ≈ 0.01 сек, что несравнимо меньше требуемой величины срока службы ~ 25 лет (1 год ≈ 3·107 сек).

Срок службы волокна увеличивается при уменьшении ε и стремится к бесконечности при ε → 0. Поэтому вопрос заключается только в том, не будет ли значение ε, необходимое для достижения срока службы в 25 лет, нереально малым. Это зависит, в основном, от значений двух величин: εп и n. При этом существенно, что параметр динамической прочности n входит в выражение (4.8) как показатель степени в отношении εп/ε, поэтому значение n = 22, по существу, является очень большой величиной.

Так, например, при ε/εп = 0.1 значение (εп/ε)n достигает астрономически большой величины ~1022 и срок службы волокна, несмотря на малую величину коэффициента to формально будет равен огромной величине ~1020 сек, т.е. почти 1013 лет. А для того, чтобы достичь срока службы равного 25 годам, необходимо, чтобы отношение εп/ε было меньше 0.3 (рис. 4.10). Т.е. достаточно того, чтобы относительное удлинение волокна в процессе эксплуатации было примерно 3 раза меньше относительного удлинения волокна в процессе его перемотки.

Зависимость срока службы оптоволокна от удлинения
Рис. 4.10. Зависимость срока службы волокна от величины его относительного удлинения

Из рис. 4.10 видно, что при достижении критического отношения ε/εп кривая идет вниз очень круто. Поэтому нет смысла говорить о конкретной величине срока службы волокна, а можно лишь определить величину удлинения волокна, при котором (в рамках рассматриваемой модели) волокно ещё не разрушается. Из-за большой величины параметра n значения параметров, входящих в выражение для to, слабо влияют на требуемое значение отношения (ε/εп). Поэтому механическую прочность волокон можно характеризовать только двумя параметрами (n и εп). В стандарте G 652. рекомендуется значение параметра динамической прочности n ≈ 20 и εп = 1% (σп = 0.7 ГПа). Этим требованиям удовлетворяют практически все типы волокон.

Если в линиях передачи натяжение в волокне возникает при действии внешних факторов, которые не всегда можно учесть, то в датчиках физических величин, например, в волоконных гироскопах натяжение волокна создается уже в процессе изготовления датчиков. В них напряжение возникает из-за того, что при намотке на катушку волокно изгибается так, что внешний край оказывается длиннее оси волокна на π·dкв, где dкв – диаметр кварцевой оболочки волокна. Учитывая, что длина одного витка волокна (с диаметром покрытия dкв) намотанного на катушку диаметром D равна π·(D + dкв) находим величину относительного удлинения внешнего края волокна:

формула удлинения внешнего края волокна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4.11)

Для волокна перемотанного с εп = 1% допустимая величина εд = 0.3%. Отсюда получаем, что минимальный диаметр катушки на котором срок службы волокна будет порядка 25 лет равен Dmin = 3·10²·dкв. Для dкв = 125 мкм получаем, что Dmin = 4 см.

Следует отметить, что оценка долговечности волокна с помощью выражений (4.8) и (4.9) является приближенной. Во-первых, сама модель является приближенной и, во-вторых, не все предположения сделанные при выводе этих выражений выполняются на практике. Например, предполагается, что параметры, характеризующие скорость роста трещин одинаковы при переметке волокон и при их эксплуатации. Однако эксплуатация волокон происходит обычно в значительно менее благоприятных условиях (например, при повышенной влажности), чем перемотка. На величину параметра статической усталости n может повлиять температура и некоторые химические вещества в полимерном покрытии волокна (например, аммиак), которые, как и вода, увеличивают скорость роста трещин. Кроме того, любые методы ускоренного старения не могут с достаточно полной достоверностью воспроизвести условия долговременной эксплуатации волокон.

Чтобы получить более достоверную информацию о прочности оптических волокон, подвергшихся старению при их долговременной эксплуатации, сотрудники компании Corning провели исследование волокон, извлеченных из оптического кабеля. Кабель был изготовлен за девять лет до этих испытаний и находился в эксплуатации на протяжении 5 лет. Подвергнутый испытаниям отрезок кабеля представлял собой излишек, образовавшийся вследствие реконфигурации сети. Подземный кабельный канал находился в 150 м от реки и кабель нередко затапливался водой.

Параллельно с волокнами, подвергшимися старению внутри кабеля ("волокна из кабеля"), исследовались и образцы других волокон. Три образца волокна, были изготовлены примерно тогда же, когда волокна в исследуемом кабеле ("волокна из архива"). Эти волокна были намотаны на транспортировочные катушки и хранились на складе где температура и влажность не регулировались. Результаты испытаний обоих типов волокон сравнивались с результатами испытаний вновь изготовленного волокна с таким же типом покрытия ("новые волокна").

Исследования старения волокон можно разделить на два типа: измерение прочности, собственно, стекловолокна и проверка наличия изменений в его покрытии. Первый тип измерений позволяет не только получить результаты прямых измерений прочности волокон, подвергшихся старению в реальных условиях, но проверить также положение о том, что в отсутствие натяжений прочность волокна не уменьшается. Второй тип измерений важен потому, что деградация покрытия может привести к тому, что оно будет отслаиваться от оболочки волокна.

Основные результаты:
• Средняя шероховатость поверхности кварцевой оболочки волокон (измерения с помощью атомного силового микроскопа): у "волокон из кабеля" – 0.26 нм, у "волокон из архива" – 0.29 нм, у "новых волокон" – 0.1…0.2 нм.
• Прочность на разрыв у всех типов волокон около 5.5 кгс
• Среднее значение силы снятия покрытия у всех типов волокон удовлетворяет требованиям Bellcore (0.5…3 кгс/м)
• Температура стеклования покрытия (~ 5°С) после старения не изменилась.

Основные выводы:
• Долговременная эксплуатация волокон в реальных условиях не привела к ухудшению их прочностных характеристик
• Старение волокон при отсутствии натяжения не уменьшает их прочности.

Оглавление
и
предисловие
книги

Главы из книги
Листвин A.B. Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон (скачать PDF)

Далее из этой книги → Раздел II Измерение натяжения волокон. § 4 → Метод бриллюэновской рефлектометрии

Общая тема → Cтарение оптоволокна