Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния конструирования и производ ства оптических кабелей 16
1.1. Особенности строения оптического волокна 16
1.2. Требования к оптическим кабелям 22
1.3. Оптический модуль - основной элемент конструкции оптического кабеля 26
1.4. Конструкции оптических кабелей 33
1.5. Концепция "избыточной длины" как обобщённого параметра эксплуатационного ресурса оптических кабелей 41
1.6. Методики измерения "избыточной длины" 43
Глава 2. Теоретические исследования и расчёт значения "избыточной длины" оптического волокна в оптическом модуле 46
2.1. Исследования зависимости "избыточной длины" оптических волокон от геометрических параметров оптического модуля, числа оптических волокон и их укладки 46
2.2. Исследование распределения значения "избыточной длины" в пучке оптических волокон 58
2.3. О вариации "избыточной длины" по длине оптического модуля 62
Глава 3. Экспериментальные исследования зависимости характеристик оптических модулей от технологических параметров его изго товления 65
3.1. Параметры экструзионного процесса 65
3.2. Формообразующий инструмент 70
3.3. Исследования влияния растягивающей нагрузки на деформационные кривые оптического волокна и оптического модуля 74
3.4. Проблема корректного определения избыточной длины 80
3.5. Процесс формирования "избыточной длины" 83
3.6. Зависимость "избыточной длины" от технологических параметров изготовления оптического модуля 97
Глава 4. Исследование зависимости значения "избыточной длины" оптического волокна в оптическом кабеле от параметров дальнейших технологических операций производства оптического кабеля ПО
4.1. Изменение "избыточной длины" в процессе производства оптического кабеля ПО
4.2. Изменение "избыточной длины" оптического волокна в оптическом модуле в процессе перемотки оптических модулей 112
4.3. Анализ напряжений, возникающих в оптических модулях при скручивании их в сердечник оптического кабеля 124
4.4. Расчёт допустимого изменения длины сердечника оптического кабеля модульной конструкции 127
4.5. Зависимость остаточных напряжений в оболочке оптического модуля от параметров процесса скрутки оптических модулей 132
Глава 5. Исследование зависимости эксплуатационных характеристик оптического кабеля от параметров завершающих технологи ческих операций его изготовления 139
5.1. Влияние параметров изготовления защитных оболочек оптического кабеля на его характеристики 139
5.2. О влиянии параметров армирования на характеристики оптического кабеля 141
5.3. Зависимость эксплуатационных характеристик оптического кабеля от его конструкционных параметров и технологических параметров его изготовления 143
Глава 6 . Информационное обеспечение производства оптических кабелей .' 160
6.1. Информационное сопровождение производства оптических кабелей 160
6.2. Технологический маршрут изготовления оптического кабеля 164
6.3. Система идентификации, структура, атрибуты базы данных по изготовлению оптических кабелей 167
6.3.1. Общие требования 167
6.3.2. Объекты, идентификация объектов 168
6.3.3. Данные, регистрируемые при выполнении операций 172
6.3.4. Выборки данных 178
Заключение 183
Список литературы
- Оптический модуль - основной элемент конструкции оптического кабеля
- Исследование распределения значения "избыточной длины" в пучке оптических волокон
- Исследования влияния растягивающей нагрузки на деформационные кривые оптического волокна и оптического модуля
- Изменение "избыточной длины" оптического волокна в оптическом модуле в процессе перемотки оптических модулей
Введение к работе
Во всём мире наблюдается стремительный рост протяжённости волоконно-оптических кабелей, и Россия - не исключение. Однако развитие производства волоконно-оптических кабелей в России имеет ряд особенностей.
Наблюдающееся в последнее время значительное улучшение качества отечественного волоконно-оптического кабеля связано не только с накоплением опыта. Несколько лет назад полностью прекратился выпуск отечественного оптического волокна, качество которого оставляло желать лучшего. Отечественные фирмы-производители оптического кабеля стали потреблять импортное оптическое волокно таких признанных лидеров в этой области, как "Corning", "OFS" (бывший "Lusent"), "Fujikura", "Plasma Optic" и т.д.
С применением импортного оптического волокна связано отчасти и некоторое ослабление интереса к собственным исследованиям в этой области, хотя следует отметить возрождение отечественного производства оптического волокна фирмой «Лисма». Российские потребители приняли как должное такие достижения как рекордно низкий уровень оптических потерь и малую дисперсию сигнала. Сегодня исследования перешли на качественно более высокий уровень. В центре внимания разработчиков волоконно-оптических линий связи проблемы, связанные с дальнейшим увеличением скорости передачи, оптическое усиление, спектральное уплотнение. Безусловно, многообещающими являются и разработки новых типов оптических волокон. Другая проблема - понимание тонкостей изготовления сердечника оптического кабеля, и в частности оптического модуля, - стала основной для производителей оптического кабеля [1 - 2]. До настоящего времени, хотя и фрагментарно, но многие стороны этой проблемы достаточно хорошо изучены [3-5]. Однако, целостные работы, которые бы отслеживали процесс изготовления оптического кабеля от оптического волокна до готового кабеля, не известны.
Общеизвестно, во всяком случае, среди производителей волоконно-оптического кабеля, что возможность применения последнего в диапазоне температур или силовых воздействий обеспечивается "избыточной длиной" оптического волокна в оптическом кабеле [6-8]. Часто по значению "избыточной длины" предпринимаются попытки оценки эксплуатационных характеристик изделий или сравнения параметров технологических процессов их изготовления. Подобный подход не всегда корректен, а иногда просто недопустим [9 -12].
Можно утверждать, что понятие "избыточной длины" является хорошей иллюстрацией для объяснения механизма функционирования элементов конструкции кабеля, обеспечивающего неизменность параметров каналообразующего элемента — оптического волокна при переменных силовых и температурных воздействиях. Однако, значение "избыточной длины" в качестве параметра для сравнения технологических процессов или оценки диапазона допустимых воздействий, за редким исключением, необходимо применять с осторожностью. Связать напрямую характеристики всех используемых в конструкции кабеля материалов, технологические параметры всех операций изготовления кабеля с его эксплуатационными характеристиками возможно лишь при условии использования мощной, предельно автоматизированной базы данных и экспертных систем [13-14].
Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов для управления технологическим процессом изготовления оптических модулей, реализующих возможности оптимизации эксплуатационных параметров оптических кабелей с помощью регулирования технологических параметров изготовления оптических модулей и дальнейших технологических операций изготовления оптического кабеля, а также для автоматизации этого процесса на базе специализированного программного обеспечения.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
- анализ функционирования оптического модуля в составе конструкции оптического кабеля;
- определение, расчёт и исследование значения "избыточной длины" как обобщённого параметра технологической предыстории оптического модуля с целью оценки эксплуатационных характеристик оптического кабеля;
- разработка корректной методики измерения "избыточной длины" оптического волокна в оптическом модуле в условиях производства оптического кабеля;
- исследование зависимости значения "избыточной длины" от характеристик материала оболочки оптического модуля, условий его переработки, от технологических параметров изготовления оптического модуля; - исследование изменения значения "избыточной длины" по стадиям технологического процесса изготовления оптического кабеля;
- разработка развёрнутой базы данных, накапливающей информацию по всем стадиям технологического процесса изготовления оптического кабеля;
- разработка и создание интерфейса пользователя для ввода информации в базу данных и выборки из базы данных информации о технологическом процессе производства оптического кабеля, состоянии, параметрах изделий и движении материалов по этапам технологического процесса;
Научная новизна и значимость результатов работы состоят в следующем:
1. Предложен новый подход к оценке эффективности технологического процесса изготовления оптических модулей и эксплуатационных характеристик волоконно-оптического кабеля. В качестве такого параметра выступает значение "избыточной длины" оптического волокна в оптическом модуле.
2. Разработана оригинальная методика измерения "избыточной длины" оптического волокна в оптическом модуле и оптическом кабеле в производственных условиях. Отличие методики состоит в том, что измерение длины оптического волокна и оптического модуля происходит при приложении нагрузки, значение которой определяется технологическим процессом изготовления оптического кабеля.
3. Разработана оригинальная методика оценки изменения значения "избыточной длины" оптического волокна в оптическом модуле через оценку остаточных напряжений в оболочках оптических модулей, скрученных в сердечник оптического кабеля. 4. Определён набор технологических параметров изготовления оптических модулей и оптических кабелей, позволяющий обеспечить прослеживаем ость по этапам производственного процесса параметров, свойств и характеристик оптического модуля и оптического кабеля, а также накопление информации о предыстории изготовления оптического кабеля для последующей статистической обработки. Разработана структура базы данных производственного процесса изготовления оптического кабеля, в качестве основы для построения автоматизированных систем управления. Разработан графический интерфейс пользователя и создано уникальное программное обеспечение ввода, вывода и обработки информации в процессе изготовления кабеля. Все исследования, разработки и методики выполнены и внедрены на конкретном действующем кабельном предприятии ЗАО "НФ "Электропровод" в процессе работы над диссертацией в период с 1998 года по настоящее время, а именно:
- методика измерения "избыточной длины" оптического волокна в оптическом модуле в условиях производства оптического кабеля;
- параметры технологических режимов изготовления оптического кабеля, оформленные в виде карт эскизов и технологических указаний;
- база данных, накапливающая информацию по всем стадиям технологического процесса изготовления оптического кабеля;
- уникальное программное обеспечение, используемое для мониторинга технологического процесса изготовления оптического кабеля.
Материалы, включенные в диссертацию, по мере их разработки докладывались и и обсуждались на 5-й научно-технической конференции студентов и аспирантов, 1999 г., МЭИ, III международной конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», 1999 г., Россия, Клязьма, 6-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 2000 г., МЭИ, IV международной конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», 2000 г., Россия, Клязьма, 7-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов, 2001 г., МЭИ, IV международной конференции по физико-техническим проблемам электротехнических материалов и компонентов, 2001 г., Россия, Клязьма, 8-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов 2002 г. МЭИ.
Основные положения диссертации опубликованы в 15 печатных работах, указанных в списке литературы. Разработанная база данных и программное обеспечение зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ Российским Агентством по патентам и товарным знакам (Роспатент).
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Работа изложена на 221 странице, содержит 56 рисунков, 35 таблиц, 4 приложения и список цитируемой литературы из 112 наименований.
В первой главе проведен анализ воздействий на оптическое волокно и процесса развития микротрещин. Перечислены и проанализированы требования к оптическим кабелям. На основе этих требований проанализированы различные конструкции волоконно-оптических кабелей с точки зрения воздействия на оптическое волокно. Показано, что наиболее распространённой конструкцией оптического кабеля в настоящее время является модульная конструкция. Приведено описание всех наиболее распространённых конструкций оптических модулей. Изложена концепция "избыточной длины" для оценки эксплуатационных характеристик оптического кабеля.
Во второй главе подчеркивается, что понятие "избыточной длины" довольно широко применяется не только для описания работы оптического кабеля или оптического модуля при приложении к нему внешних температурных и механических воздействий, но и для определения эксплуатационных характеристик оптического кабеля, а также для сравнения технологического процесса изготовления оптического кабеля разных производителей, что может быть корректно только в ограниченном объёме ситуаций. Описаны существующие методики измерения "избыточной длины" оптического волокна, как на уже готовом оптического кабеля или оптическом модуле, так в процессе изготовления оптического модуля (так называемые автоматические системы). И те, и другие методы имеют как преимущества, так и недостатки. Проводится расчёт и исследование влияния способов и параметров укладки оптических волокон внутри оптического модуля, а также распределения "избыточной длины" в пучке оптических волокон. Приведены основные виды пучка оптических волокон в оптическом модуле с числом оптических волокон от одного до шести. Для пучка, содержащего более 2 оптических волокон, из-за различных вариаций укладки возможно наличие разницы в значениях "избыточной длины" среди оптических волокон, составляющих пучок, указанная разница может привести к разбросу в эксплуатационных параметрах данного оптического кабеля.
В третьей главе кратко описывается процесс изготовления оптического модуля типа "loose tube", приведено описание оборудование и параметры технологического процесса. Кратко описаны свойства материалов, применяемых в данном технологическом процессе. Анализируются причины формирования "избыточной длины" оптического волокна в оптическом модуле и факторы, влияющие на её значение. Приводятся зависимости "избыточной длины" от ряда технологических параметров изготовления оптического модуля.
Четвёртая глава посвящена следующей технологической операции изготовления оптического кабеля модульной конструкции, а именно скрутке оптических модулей типа "loose tube" вокруг центрального силового элемента. При скрутке оптических модулей в сердечник оптического кабеля на отдатчике крутильной машины к оптическому модулю прикладывается определённая растягивающая нагрузка. Однако нельзя считать, что натяжение оптических модулей в скрутке точно известно. В данном случае изгибными напряжениями пренебрегать уже нельзя, поскольку диаметр центрального силового элемента соизмерим с наружным диаметром оптического модуля. В данной главе приводится анализ напряжений возникающих в оболочках оптических модулей при их скручивании в сердечник оптического кабеля. Разработана методика определения остаточных напряжений в оболочках оптических модулей и их зависимости от параметров технологического процесса и от времени. Неконтролируемое изменение длины оптического модуля приводит к неконтролируемому изменению величины избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле и, следовательно, в оптическом кабеле. После этой технологической операции можно считать, что сердечник оптического кабеля окончательно сформирован и величина избыточной длины далее не меняется.
Пятая глава посвящена анализу технологических операций изготовления оболочек и армирования оптического кабеля. Объясняется зависимость эксплуатационных параметров оптического кабеля от технологических параметров этих операций. Зачастую эксплуатационные параметры оптического кабеля можно напрямую связать с технологическими параметрами его изготовления. Представлены конкретные примеры подобных зависимостей, когда необходимые эксплуатационные характеристики оптического кабеля достигались изменением технологических параметров его изготовления: изменение шага скрутки оптических модулей вокруг центрального силового элемента, изменение плотности наложения оболочки оптического кабеля и т. д. Поэтому поставленная задача оценки эксплуатационных характеристик оптического кабеля приобретает множество влияющих факторов.
Задачу регулирования эксплуатационных параметров оптического кабеля в полном объёме, с учётом постоянно расширяющейся номенклатуры и вариантов конструкций оптических кабелей, под силу решить только при условии использования современных методов, получивших в отечественной литературе название интеллектуального анализа данных. Одной из разновидностью таких систем являются экспертные системы. Задачу оценки или обеспечения эксплуатационных характеристик оптического кабеля, как и любой другой задачи информационного характера, целесообразно разбить на две самостоятельные подзадачи: сбор информации и её последующий анализ. В шестой главе подробно описаны существующие системы управления производством оптического кабеля, разработанные фирмами-производителями оборудования для изготовления оптического кабеля. Однако прямое применение данных систем в условиях российского производства связано с рядом проблем. Основная из них - отличия в организации производственного процесса. Поставлены задачи построения экспертных систем. Приведено описание базы данных и системы её управления, разработанных в рамках данной диссертационной работы. Реализация подобной системы позволит не только обеспечить прослеживаем ость элементов оптического кабеля по этапам технологического процесса и накопление информации о технологических параметрах их изготовления, но и построение на её основе автоматизированной экспертной системы, позволяющей изготавливать оптический кабель с заданными эксплуатационными характеристиками при оптимальном технологическом процессе. В заключении обобщены результаты настоящей работы.
Оптический модуль - основной элемент конструкции оптического кабеля
Оптическим модулем принято называть оптическое волокно в дополнительном (вторичном) защитном покрытии. Наиболее оптимальным решением при конструировании оптического модуля было бы использование дополнительного покрытия оптического волокна из материала, обладающего высокой механической прочностью и ТКЛР приближающимся к ТКЛР кварца, например из кристаллических материалов (типичным примером которых являются металлы). Существуют оптические волокна с дополнительным слоем олова, алюминия, титана и даже углерода [40, 41]. Полученные оптические волокна обладают повышенной механической прочностью, так как нанесённый металлический слой препятствует развитию микротрещин в волоконном световоде. Кроме того, в ряде случаев (подвесные или подводные оптические кабели) оптические волокна помещаются внутрь металлической (медной или алюминиевой) трубки, что гарантирует защиту сразу нескольких оптических волокон. Внутрь трубки вводится гидрофобный заполнитель для защиты оптического волокна от проникновения влаги. Подобная конструкция гарантирует работу оптических волокон в широком интервале температурных воздействий. Для обеспечения требуемого диапазона механических воздействий на металлическую трубку наносятся дополнительные защитные слои из круглых стальных проволок. Технология наложения металлического слоя на оптическое волокно или формование металлической трубки достаточно сложна в отличие от технологии переработки полимерных материалов, в том числе и пластических масс. Однако полимерные материалы обладают рядом специфических свойств отличающих их от кристаллических металлов и кварца [42, 43].
Одним из этих свойств является большое значение ТКЛР. Разница между ТКЛР полимера и ТКЛР кварца составляет около двух порядков. Именно поэтому использование полимеров с учётом особенностей их свойств требует усложнения конструкции кабеля, связанного с уменьшением влияния высоких значений ТКЛР полимерной трубки и недостаточного значения модуля его упругости. Указанное усложнение конструкции в основном сводится к фиксированию полимерного покрытия относительно оптического волокна, т. е. к установлению прочной связи между полимером и некоторым силовым элементом, который в ряде случаев вводится в оптический кабель. Представим эту связь в виде модели, изображённой на рис. 6а. Здесь пунктирные линии иллюстрируют механическую связь (трение) между полимерным покрытием и силовым элементом [2, 8].
В ряде конструкций оптических кабелей для ограниченного применения роль силового элемента может выполнять само оптическое волокно [2, 8, 34]. В этом случае оптическое волокно обжимают полимерной трубкой, и если связь между оболочкой и оптическим волокном достаточно сильна, значительного изменения геометрических размеров оболочки происходить не будет за счёт появления в полимере и кварце механических напряжений (+—, —») (см. рис. 66). Пример использования в кабелях см. рис. 5 ж, з.
Такой вариант оптического модуля получил название "tigth buffer" (в русской терминологии "плотное защитное покрытие") [2, 3, 8]. В результате мы получаем приемлемый для ряда применений диапазон допустимых внешних механических воздействий, но механические напряжения в оптическом волокне в итоге значительно уменьшают температурный диапазон его работы до минус 10 С в лучшем случае при очень строгой осевой симметрии покрытия.
В другом варианте полимерная оболочка и оптическое волокно почти полностью механически развязаны [2, 3, 8]. В этом случае, оболочка почти беспрепятственно меняет свою длину (см. рис. 6в). Подобный принцип реализован в конструкции оптического модуля типа "loose tube" или, по другому, — оптический модуль со свободной укладкой оптического волокна [3, 4]. И так как полностью освободиться от связи оптиче ского волокна с полимерной трубкой не удаётся, полимерную трубку "фиксируют" путём установления связей с дополнительными силовыми элементами (стальной трос, стальная проволока или стеклопластиковый пруток). Здесь существует довольно много различных вариантов. Последовательно рассмотрим основные возможные варианты обеспечения "работы" такого оптического модуля.
Оптические модули типа "loose tube" или в русской терминологии "трубчатое защитное покрытие" чаще имеют небольшие размеры, наружный диаметр составляет 2 -т- 3 мм (внутренний диаметр 1 -г- 2 мм) и, следовательно, небольшое число оптических волокон (до 12). Для увеличения числа волокон в оптическом модуле часто идут по пути увеличения размеров оптического модуля до 4 -г 6 мм (внутренний диаметр 2 -ь 4 мм) [44 - 45]. В этом случае оптический модуль располагается по оси кабеля, и на него наносят дополнительные защитные покровы. Такая конструкция оптического кабеля получила название оптического кабеля на основе центральной трубки. Наиболее распространены и наиболее просты конструкции кабелей, в которых на центральную трубку плотно накладывается какой-либо броневой покров. Это с одной стороны обеспечивает её механическую защиту, а с другой стороны расширяет диапазон допустимых температурных воздействий.
Исследование распределения значения "избыточной длины" в пучке оптических волокон
Такое разнообразие вариаций компоновки пучка оптических волокон внутри оптического модуля неизбежно приводит к значительному разбросу значения "избыточной длины" оптических волокон внутри одного пучка. Во-первых, это связано с тем, что "избыточная длина" оптического волокна в оптическом модуле определяется шагом и радиусом винтовой линии, по которой расположено оптическое волокно внутри оптического модуля (см. табл. 1). Однако для разных оптических волокон в пучке радиус винтовой линии различен (см. табл. 4), поэтому неизбежна разница в "избыточной длине", которая может быть оценена по табл. 1. В табл. 4 приведено максимальное значение разброса "избыточной длины" в пучке оптических волокон в оптическом модуле, который в общем случае зависит от параметров винтовой линии. Например, для случая с двумя оптическими волокнами при формировании винтовой линии возможна смена расположения оптического волокна в пространстве (см. рис. 13).
Тогда разница радиусов винтовой линии, по которой расположены оптические волокна, составляет 0,25 мм. По табл. 1, зная изменение радиуса винтовой линии, можно оценить изменение значения "избыточной длины". Возьмём крайний случай, который может возникнуть в оптическом модуле с внутренним диаметром 1,3 мм. Радиус винтовой линии расположения одного оптического волокна будет равен приблизительно 0,6 мм, а второго - на 0,25 мм меньше, т.е. 0,35 мм. При шаге 70 см изменение радиуса винтовой линии от 0,6 до 0,35 мм приводит к изменению значения "избыточной длины" от 0,145 до 0,05 %, т. е. почти в 3 раза.
Во-вторых, как уже отмечалось выше, на протяжении оптического модуля возможно смена компоновок пучка оптических волокон (возможно вследствие описанной выше причины).
Радиус и шаг винтовой линии, описываемой оптическим волокном, определяются конструкционными параметрами и технологическим процессом изготовления оптического модуля.
В ряде случаев возможно нарушение стройности (правильности) пучка оптических волокон, т. е. оптические волокна с большей "избыточной длиной" располагается по некоторой кривой вокруг пучка.
Табл. 4 содержит предельные значения по разбросу значения "избыточной длины". На практике реальные значения разброса гораздо меньше. Например, для рассматриваемого выше случая винтовой линии с шагом 70 мм и радиусом 1,3 мм изменение "избыточной длины" в пучке с тремя оптическими волокнами составляет всего 0,07 % (от 0,064 до 0,145 %). Однако у одного из оптических волокон значение "избыточной длины" вышло из интервала от 0,1 до 0,2 %, к чему это может привести при приложении температурных и механических воздействий, описано в следующем параграфе.
Вследствие указанного выше разброса "избыточной длины" оптических волокон в пучке наблюдается изменение "избыточной длины" оптических волокон внутри пучка по длине оптического модуля. Возможно, это явление компенсирует разность "избыточной длины" по длине оптического модуля просто сменой местоположения оптических волокон в пучке. Кроме того, изменение "избыточной длины" по длине оптического модуля существует и в оптическом модуле с одним оптическим волокном [65]. Как уже говорилось выше, траектория расположения оптического волокна напоминает винтовую линию не по всей длине оптического модуля. Существуют участки, где оптическое волокно расположено по синусоиде и даже по прямой линии. Также следует отметить, что параметры синусоиды (амплитуда и период) и винтовой линии (радиус и шаг) не постоянны по длине оптического модуля. Поэтому необходимо, чтобы "избыточная длина", пусть и изменяясь по длине оптического модуля, но не выходила на определённые допуска, соответствующие данной конструкции оптического модуля и будущей конструкции оптического кабеля. Выход "избыточной длины" за установленные допуска приведёт при определённых внешних воздействиях либо к локальному увеличению затухания оптического волокна (если их несколько в оптическом модуле) либо к повышенному напряжению, прикладываемому к оптическому волокну на участке, где значение "избыточной длины" не соответствует допустимому. Это может сделать недопустимой эксплуатацию этого оптического кабеля в дальнейшем [3, 68].
Необходимо обратить особое внимание на тот факт, что рассматриваемый разброс "избыточной длины" приведёт к разбросу эксплуатационных параметров оптического кабеля, которые разработчики и производители оптического кабеля пытаются спрогнозировать. Поэтому совершенно необходимо оценить к какому разбросу эксплуатационных параметров оптического кабеля приведёт этот естественный неизбежный разброс "избыточной длины".
На рис. 14 проиллюстрирован ожидаемый разброс прироста километри-ческого затухания пучка оптических волокон в одном оптическом модуле оптического кабеля в отрицательной области температур, связанный с разбросом "избыточной длины" оптического волокна в пучке внутри оптического модуля.
Исследования влияния растягивающей нагрузки на деформационные кривые оптического волокна и оптического модуля
Измерение избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле связано в общем случае с измерением двух длин: длины оболочки оптического модуля и длины оптического волокна, ни то ни другое не является объектом идеальной геометрической формы. При приложении к оптическому модулю растягивающей нагрузки сначала происходит его распрямление. В этом случае ш не все участки оптического модуля испытывают одинаковую растягивающую нагрузку, некоторые участки находятся в свободном, нерастянутом состоянии. Поэтому участок распрямления оптического модуля имеет достаточную протя жённость до момента перераспределения напряжённости по всей длине оптиче ского модуля. Далее следует участок линейного удлинения оболочки оптиче ского модуля (по закону Гука) до момента обнуления исходной избыточной длины оптического волокна. Конечно же, предполагается, что на этом участке материал оболочки оптического модуля находится в зоне упругих деформаций и поведение оболочки оптического модуля, при приложении к нему растяги вающей силы, удовлетворяет закону Гука. Участок распрямления оптического волокна внутри оптического модуля также может иметь достаточную протя жённость, поскольку могут существовать как ненапряженные, так и уже растя гивающиеся участки оптического волокна. При дальнейшем увеличении на грузки удлинению сопротивляется оболочка модуля вместе с оптическим во локном вплоть до обрыва последнего внутри модуля (см. рис. 21).
Для того чтобы перейти от иллюстрации к более точным количественным оценкам, рассмотрим конкретные значения параметров основных типов оптического волокна [25 - 28]: - Диаметр оптического волокна - 125 мкм;
Модуль Юнга кварца - 70 000 МПа; - Напряжение оптического волокна при разрыве - 38 ГПа; Отсюда получаем: - Площадь поперечного сечения волоконного световода - 0,012 мм2; - Усилие при разрыве - 105,41 Н. Для наиболее распространённых конструкций оптических модулей [3, 57, 62-64]: - Наружный диаметр оболочки оптического модуля - 2,0 мм; - Внутренний диаметр оболочки оптического модуля - 1,3 мм; - Модуль Юнга полибутилентерефталата (ПБТ) - 2 500 МПа; - Модуль Юнга полиэтилена (ПЭ) - 200 МПа. - Отсюда получаем: - Площадь поперечного сечения полимерной оболочки оптического модуля 1,81 мм2. Зависимость удлинения от растягивающей нагрузки
На рис. 22 представлены расчётные кривые растяжения оптического модуля, содержащего одно оптическое волокно. Обозначение кривой на диаграмме указывает материал оболочки оптического модуля и размер оболочки, где через дробь приведены внутренний и наружный диаметр, измеренные в миллиметрах. В данном случае не учитывалось распрямление оптического модуля и распрямление оптического волокна внутри оптического модуля, эти протяжённые участке на рис. 22 сведены к точкам в начале координат и на изломе кривой, когда растягивающая нагрузка прикладывается и к оптическому волокну тоже. Анализируя приведённые кривые, видно, что в случаях использования в качестве материала оболочки оптического модуля ПБТ и размерах оптического модуля 1,3/2,0 мм излома на кривой в точке приложения нагрузки к оптическому волокну обнаружить практически невозможно. А ведь именно эта конструкция фигурирует в данной работе в качестве объекта исследований. При уменьшении толщины оболочки излом кривой становится всё заметнее, однако при такой толщине оболочки говорить о механической защите оптического волокна внутри оптического модуля уже не приходится. Данные конструкции не используются в производстве оптического кабеля. Искомую точку можно наблюдать при использовании в качестве материла оболочки оптического модуля материалов с меньшим модулем Юнга (например, ПЭ).
Приведённый анализ показывает, что практически обнаружить излом на кривой растяжения и отметить момент распрямления оптического волокна удаётся лишь в очень ограниченном числе случаев для тонкостенных слабоупругих оболочек [1, 8, 12]. В данном конкретном случае (материал оболочки оптического модуля — ПБТ, внутренний диаметр оболочки — 1,3 мм, наружный диаметр оболочки - 2,0 мм) использовать кривую растяжения оптического модуля для отыскания значения избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле не представляется возможным. Однако для ряда других конструкций оптических модулей этот метод отыскания может оказаться полезным.
Изменение "избыточной длины" оптического волокна в оптическом модуле в процессе перемотки оптических модулей
В качестве примера зависимости величины избыточной длины от параметров перемотки оптического модуля рассмотрим оптический модуль из ПБТ марки "Ultradur В 6550" (гидрофобный заполнитель марки "Naptel OP 308") с четырьмя оптическими волокнами фирмы "Fujikura" типа 10/125, изготовленный в декабре 1999. Этот оптический модуль был перемерен 25.01.00 на реф 113 лектометре AQ 71 ЮС ("Ando"). Рефлектограммы на длине волны 1,55 мкм приведены на рис. 37. и синего (г) оптических волокон на длине волны 1,55 мкм.
Данный оптический модуль замечателен тем, что значительное различие в коэффициенте затухания (от 0,201 дБ/км до 0,337 дБ/км) указывает на то, что оптические волокна в пучке находятся в разных условиях. Это может быть вызвано отличием в значении избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле.
Из приведённых рефлектограмм видно, что имеет место прирост затуха ния на красном, жёлтом и зелёном оптическом волокне. Затем были проведены измерения на брюллиеновском рефлектометре AQ 8603 фирмы "ANDO", разработанным с целью обнаружения и анализа механических напряжений оптического волокна в оптическом кабеле, как в процессе его производства, так и в процессе его прокладки и эксплуатации. Благодаря высокой точности измерения напряжений в оптическом волокне (± 0,003 %) AQ 8603 позволяет с высокой достоверностью определить надёжность оптического кабеля и вовремя предотвратить разрыв волокна. Подобные измерения были проведены впервые в практике российского производства оптических кабелей, благодаря технической поддержке фирмы «ТКС». При измерениях использовалась нормализующая катушка. Рефлектограммы приведены на рис. 38.
Измерения показали, что синее оптическое волокно напряжено ( 0,27 %), а красное нет ( 0 %). На основании полученных результатов можно предположить, что превышение затухания в красном оптическом волокне связано с большим значением избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле (оптическое волокна на некоторых участках оптического модуля даже соприкасается с оболочкой). Зелёное оптическое волокно находится в более благоприятных условиях (значение избыточной длины лежит в необходимом диапазоне), при которых не происходит воздействия на оптическое волокно со стороны оболочки оптического модуля. Синее оптическое волокно, напротив, имеет слишком малое значение избыточной длины, в результате чего при намотке оптического модуля на барабан соприкасается с внутренней поверхностью оптического модуля, то же можно отнести и к жёлтому оптическому волокну.
Чтобы проверить это предположение и посмотреть, как может измениться избыточная длина оптического волокна в оптическом модуле после перемотки оптического модуля, этот оптический модуль был перемотан с натяжением порядка 15 Н. По окончании операции был также измерен коэффициент затухания всех оптических волокон на длине волны 1,55 мкм. Рефлектограммы представлены на рис. 39.
Из приведённых рефлектограмм видно, что имеет место прирост затухания по сравнению с предыдущим измерением у оптических волокон с малым значением избыточной длины оптического волокна в оптическом модуле (выше это только предполагалось, теперь это становится фактом). Коэффициент затухания на этих волокнах составляет 0,314 дБ/км (жёлтое оптическое волокно) и 0,343 дБ/км (синее оптическое волокно). Результаты измерений на брюллие-новском рефлектометре приведены на рис. 40.
