Листвин А.В., Листвин В.Н. Оптические волокна для линии связи - файл n6.doc

приобрести
Листвин А.В., Листвин В.Н. Оптические волокна для линии связи
скачать (502.4 kb.)
Доступные файлы (5):
n1.doc1364kb.03.09.2002 11:11скачать
n2.doc1132kb.03.09.2002 18:30скачать
n3.doc152kb.29.08.2002 12:14скачать
n5.doc124kb.11.08.2002 20:07скачать
n6.doc131kb.01.09.2002 14:29скачать

n6.doc

Механическая прочность оптических волокон.
Теоретическая прочность волокна. Кварцевое стекло подчиняется закону Гука в широком интервале напряжений (почти до разрушения)
 = Е  (1)
где  - напряжение вызывающее относительное удлинение образца , а Е - модуль Юнга (для кварцевого стекла Е = 72 000 Н/мм2).

Модуль Юнга определяет также и величину теоретической прочности кварцевого стекла т полученной на основании расчетов прочности разрыва атомных связей (Si – O)
т  18 000 Н/мм2  (1/4) Е (2)
При  = т = (1/4) Е как видно из (1) относительное удлинение образца т = 25 %. Сила, которая вызывает 25 % удлинение волокна диаметром D = 125 мкм равна
Pт = (/4) D2т = (0.012 мм2) т  200 Н  20 кгс (3)
Прочность коротких волокон. На практике короткие отрезки волокон (~ 1 м) разрушаются при величине растягивающего усилия примерно в 5...6 кгс ( ~ 7 %). Такое заметное уменьшение прочности волокна объясняется наличием различных поверхностных и объемных дефектов (например, микротрещин, пузырей, свилей, посторонних включений и т.д.).

Дефекты на поверхности волокна могут возникнуть уже в процессе его вытяжки при соприкосновении волокна с роликами или катушкой или частицами пыли в воздухе. Их появления удается в значительной степени избежать, нанося на волокно защитные полимерные покрытия и производя работы в обеспыленном помещении. Другой причиной появления дефектов являются инородные частицы и микротрещины в опорных трубках используемых для изготовления заготовок.

Сильное уменьшение прочности волокна из-за дефектов обусловлено низкой текучестью кварцевого стекла. В хрупком, не проявляющем пластичности при деформации материале воздействие растягивающей нагрузки приводит к возникновению локальных напряжений в области дефекта, которые не могут релаксировать за счет пластической деформации. При чем эти напряжения могут оказаться в десятки или даже сотни раз выше, чем средние по объему.

Само по себе снижение прочности в коротких кусках волокон ещё не является проблемой. Как уже говорилось короткие куски волокон (~ 1 м) могут удлиняться, не разрушаясь на значительную величину порядка 7 % и обладают прочностью около 5000 Н/мм2. По прочности волокно превосходит стальную нить такого же диаметра.

Прочность длинных волокон. На многокилометровых длинах волокон возможно появление отдельных дефектов, снижающих прочность до 500 Н/мм2 и ниже. Для их обнаружения осуществляется перемотка волокна под нагрузкой. При этом волокно проходит через специальное приспособление (рис. 1), где в течение примерно 1 сек. создается требуемая нагрузка (~ 1000 Н/мм2). Перемотка под нагрузкой позволяет получать волокна длиной несколько десятков километров, с прочностью порядка 1000 Н/мм2 ( = 1.4 %) , что вполне достаточно для практических применений.




Рис. 1. Схема установки для контроля прочности (proof-test) волокна.
Статическая усталость. Согласно теории Гриффита образец стекла может находиться под нагрузкой бесконечно долго, если он не разрушился в момент нагружения. Однако многочисленные экспериментальные данные показывают, что при приложении к образцу нагрузки меньше критической, он через некоторое время разрушится. Время до разрушения зависит от величины приложенной нагрузки, размера дефектов и окружающих условий.

Это явление называемое статической усталостью стекла или замедленным разрушением, объясняется совместным действием напряжения и молекул веществ, попадающих в трещину из окружающей среды (в первую очередь молекулами воды) и активирующий разрыв химических связей в вершине трещины.

Инертная прочность. Для описания изменения прочности волокна под действием статической нагрузки вводится понятие инертной прочности образца S. Т.е. прочности того же образца при условии отсутствия роста в нем трещин. Качественный характер изменения инертной прочности волокна в процессе перемотки волокна под нагрузкой и при его эксплуатации изображен на рис. 2.



Рис. 2. Схема изменения инертной прочности волокна S под действием напряжения п в процессе перемотки под нагрузкой и напряжения при эксплуатации волокна э.
Как видно из рис. 2. до перемотки инертная прочность S не зависит от времени. В процессе перемотки она снижается до Sп но остается выше напряжения р, при котором производится перемотка волокна. В процессе эксплуатации при статическом напряжении э (меньшем, чем значение инертной прочности Sп в начале эксплуатации) инертная прочность постепенно уменьшается. Когда она сравнивается с значение статической напряжения э волокно разрушается.

Долговечность волокон. Как уже говорилось напряженное волокно при наличии паров воды обязательно рано или поздно разрушится (не зависимо от величины приложенного напряжения). От величины натяжения в волокне и характера в нем дефектов зависит только, разрушится ли волокно почти мгновенно или через многие десятки лет. Номинальный срок службы волокон порядка 25 лет и дать достоверный прогноз на такой большой срок достаточно сложно.

Дефектов в волокне много и они изменяются вдоль волокна случайным образом. Поэтому их влияние может быть учтено только статистически, и о сроке службы волокна можно что-либо утверждать только с определенной долей вероятности. Для практических расчетов срока службы волокна обычно используется выражение (Муцинага и др)
T() = А (п/)n (4)
А = {[1 - (1/L Nп) ln(1 - F)](n + 1)/m} tп
где F – вероятность разрушения волокна в процессе эксплуатации, L – длина волокна, Nп – число обрывов волокна на единицу длины при его перемотке,  - относительное удлинение волокна в процессе эксплуатации, п – относительное удлинение волокна в процессе перемотки, m – статистический параметр Вейбулла, n – параметр характеризующий скорость роста трещины (физический смысл параметров m и n мы обсудим позже), tп – время действия нагрузки при перемотке.

Зависимость срока службы от его относительного удлинения волокна  или приведена на рис. 3. При расчете использовались значения: L = 100 км, Nп = 1/20 км-1, F = 0.001, m = 40, n = 20, tп = 1 сек, п = 1 %. Видно, что при уменьшении  кривая идет вверх 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.




Рис. 3. Зависимость срока службы волокна от величины его относительного удлинения
Сильная зависимость срока службы от  обусловлена большой величиной показателя степени n при  в выражении (4). В Rec. G 652. рекомендуется значение n  20 и при этом отмечается, что значения параметров m и n для каждой конкретной партии волокна должны определяться экспериментально. Схема экспериментальной установки для нахождения параметров m и n изображена на рис. 4.



Рис. 4. Схема установки для измерения прочности волокна.
Параметр Вейбулла m. Величина параметра Вейбулла m находится по зависимости вероятности разрушения коротких отрезков волокна от величины приложенной нагрузки (или удлинения волокна). Результаты измерений вероятности разрушения для образцов волокна (из спецификации на SM волокно компании Hitachi) приведены на рис. 6а. Длина образцов 0.5 м, количество образцов 20, скорость удлинения 20 мм/мин. Как видно из рис 5а волокно имеет прочность около 5.8 кгс с очень узким разбросом значений. Сила в 5.8 кгс, как следует из (3), приводит к удлинению порядка 7.5 %. При скорости 20 мм/мин образец волокна длиной 0.5 м удлинится на 7.5 % (37.5 мм) примерно за 2 мин.



Рис. 5. Зависимость вероятности разрушения SM волокна компании Hitachi. от величины приложенной нагрузки
При расчетах интегральной вероятности разрушения волокна под действием нагрузки обычно используется эмпирическая формула Вейбулла
F = 1 - exp[- (/o)m] = 1 - exp[- (P/Po)m] (5)
где Po и о – наиболее вероятные значения силы и величины относительного удлинения волокна при его разрушении.

Значения вероятности разрушения волокна рассчитанные с помощью формулы Вейбулла при m = 40 Ро = 5.8 кгс приведены на рис 6.




Рис. 6. Зависимость вероятности разрушения волокна. от величины приложенной нагрузки при m = 40 Ро = 5.8 кгс.
Параметр Вейбулла m характеризует величину разброс значений силы Р при которой происходит разрушение волокна относительно наиболее вероятного значения этой силы Ро. Это лучше видно по распределению плотности вероятности, т.е. производной от интегральной вероятности: f(/o) = dF/d(Р/Po)
f(Р/ Po) = m (Р/ Po)m - 1 exp[-(Р/ Po)m (6)
Графики плотность распределения вероятности Вейбулла для нескольких значений параметра m зависимости от величины приложенной силы приведены на рис. 7. Видно, что разброс значений разрывной прочности тем меньше чем больше величина параметра m.



Рис. 7. Плотность распределения вероятности Вейбулла при Po = 5.8 кгс и m = 40 и 20.

Для более точного определения величины параметра m напряжение разрыва (или удлинение волокна) откладывают в логарифмическом масштабе по оси абсцисс, а вероятность разрыва F по оси ординат в масштабе: Log ln[1/(1 – F)]. Однако основная погрешность в определении срока службы волокна обусловлена ошибкой в определении величины параметра n. Погрешность возникает как из-за того, что напряжение разрыва слабо зависит от времени, так и из-за большой величины этого параметра (~ 20) входящего в показатель степени при  в выражении (4).

Параметр n находится обычно по результатам динамических испытаний прочности волокна на растяжение с помощью промышленных установок для измерения прочности материалов на разрыв. Схема такой установки изображена на рис. 4 Экспериментальная зависимость напряжения разрыва волокна от скорости вытяжки (из спецификации на SM волокно компании Hitachi) приведена на рис. 8. Длина образцов 0.5 м, количество образцов 20, измеренное значение параметра n = 20.3.



Рис. 8. Результаты динамических испытаний прочности SM волокна компании Hitachi.
При расчете используется выражение, связывающее динамическую прочность волокна Рд со скоростью вытяжки v:
V/Vo = (Рд /Pд,о)n + 1 (7)
Как видно из (7) разрывная прочность Рд зависит от скорости нагружения образца. Это явление, называемое динамической усталостью (по аналогии со статической усталостью), имеет простое объяснение. При постепенном увеличении нагрузки начинается рост исходных дефектов в образце, активированный молекулами воды или других веществ из окружающей среды. Причем, чем медленнее скорость нагружения, тем до большей величины вырастут дефекты, и тем меньше будет величина разрывной прочности. Прологарифмировав (7) получаем
LnРд = [1/(n + 1)] lnv + const (8)
Таким образом, на графике LnРд от lnv результаты динамических испытаний прочности волокна должны лежать на прямой с наклоном 1/(n + 1).

Старение оптических волокон в реальных условиях. Оптические волокна разрабатываются и изготавливаются так, чтобы они могли прослужить срок порядка 40 лет –при условии, что прокладка и монтаж оптического кабеля произведена в строгом соответствии с рекомендуемыми процедурами. Однако для измерения долговечности волокон используются методы ускоренного старения, т.е. методы которые 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 две 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 и техникам придется зачищать участки большей длины на концах кабеля.

Основные результаты исследований:


Основные выводы:


Механическая прочность оптических волокон
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации