B-OTDR在光缆试验中的应用2(插入版)

03 09 15 股票代码 600522 1 B OTDR在光缆试验中的应用 撰搞人 缪国兵 吴功建江苏中天科技股份有限公司JiangsuZhongtianTechnologiesCo Ltd 03 09 15 股票代码 600522 2 主要内容 引言BOTDR测试光纤应变的原理几种光纤应变测试方法的比较BOTDR在光缆试验中的应用BOTDR的优势结束语 03 09 15 股票代码 600522 3 0 引言 在光缆试验中 我们通常用机械性能试验方法来监测光缆中光纤的应力应变情况 这一试验是在光纤成缆后进行的 能否在每一工艺环节中监测光纤的应变分布状况 将影响光纤应变的不利因素消灭在初始光缆生产工序中 实践证明 BOTDR可以监测光缆生产过程中每一工序光纤的应变情况 从而直观地反应出光纤在各生产工序中的受力状况 这对我们改进光缆的生产工艺有着十分重要的意义 通过对光缆所做的各项试验 我们认为BOTDR测试应变与过去的机械性能试验测试应变各有特点 而运用BOTDR更能敏感地反应出光缆中光纤受力所产生的应变 特别适用于特种光缆的生产 研制及运行维护中 在此我们着重介绍BOTDR在光缆生产和试验过程中的测试应用 通过BOTDR与其它仪器设备测试应变的比较 提出了一些有利于光缆质量提高的建议 03 09 15 股票代码 600522 4 1BOTDR测试光纤应变的原理 1 1布里渊散射与频率漂移光波在光纤中沿直线传播 由于光纤的非结晶材料在微观空间存在不均匀结构 有一小部分光会发生散射 光纤的散射主要有三种 瑞利散射 拉曼散射 布里渊散射 根据经典理论 任何介质在常温状态下 均存在着由其组成粒子 原子 分子或离子 自发热运动所形成的连续性力学振动 这种弹性振动引起介质密度随时间和空间周期性起伏 相应地介质内部产生一个自发的声波场 当光定向地射入介质时 它将受到介质内自发声波场的散射作用 这就是布里渊散射 如图1所示 图1光纤中各种散射光示意图 03 09 15 股票代码 600522 5 光纤中布里渊散射通过相对于入射泵浦波频率下移的斯托克斯波的产生来表现 可看作泵浦波 斯托克斯波 声波之间的相互作用 这种频移称为布里渊频移 B 它与光纤中的声速成正比 而声速主要依赖于光纤所受的应力VA B 2n 式中 n为折射率 VA为声波速度 为入射光波长 当光纤受力产生应变或其环境温度发生变化时 布里渊频移 B将发生变化 其中 因光纤应变对布里渊频移变化的影响远大于温度变化的影响 布里渊频移变化量同应变的线性关系如下式及图2 d B B B o d 式中 B o 为零应变时的布里渊频移 B 为应变 时的布里渊频移 图2布里渊频率漂移与应力的关系 03 09 15 股票代码 600522 6 1 2BOTDR的测试过程采用BOTDR进行应变测试是为了获得光纤任意长度上的应变分布情况和光纤在各种试验条件下的应力分布状况 BOTDR利用如图3所示的工作原理检测沿着光纤长度上每一点的背向布里渊散射光谱 某一频率的入射光被光耦合器分成探测脉冲光和参考光两路光 从光纤一端注入探测脉冲光 BOTDR在光纤的同一端接收返回的布里渊散射光 对入射光按一定的频率进行改变 不断重复前面的测试过程 就能得到大量的不同频率处的背向布里渊散射光的功率分布 从而获得图4所示的布里渊散射光频 位置 光功率三维图 光谱图的功率峰值处的频率与入射光频率之差为该位置上的布里渊频移 B 利用布里渊频移与应力的关系可得到沿着光纤长度上的应变分布曲线 图3BOTDR测试原理图 03 09 15 股票代码 600522 7 图4BOTDR测试中的三维图 03 09 15 股票代码 600522 8 2几种光纤应变测试方法的比较 目前光缆厂家测试光纤应变的主要方法有 脉冲法 相移法 脉冲法是在光纤群折射率已知的情况下 通过测量光脉冲或脉冲串的传输时间进行光纤长度测定 测量程序如下 时间延迟发生器触发激光器 由激光器发出光脉冲入射进光纤 出射光由光检测器接收 并将光信号转为电信号 再由取样示波器显示脉冲到达时间 通过计算机算出时延 相移法是根据光纤传输的正弦波调制光信号的相位变化来测定光纤应变的 计算公式如下 c f 2 fNAL式中 f为光纤的应变 f为正弦波调制频率 N为光纤群指数 A为光纤光弹性效应修正系数 为相位变化 03 09 15 股票代码 600522 9 相移法 脉冲法与BOTDR测试应变的区别如下表 03 09 15 股票代码 600522 10 3BOTDR在光缆试验中的应用3 1BOTDR在光缆生产过程中的测试我们选一盘生产过程中的二次被覆光纤进行试验 用BOTDR分别测试每一根光纤的应力分布情况 设置BOTDR初始频率为10 8GHz 每10MHz为一个扫描频率间隔 扫描频率间隔数为40次 在正常试验条件下进行扫描 得到光纤的应力分布曲线 现用BOTDR对同一套塑管中的两根光纤测试图形进行叠加分析 得出图5 图5BOTDR在光缆生产过程中的测试 03 09 15 股票代码 600522 11 图5 从图5中可以看出 1 因二次被覆光纤余长主要是放线张力起作用 在油膏填充度均匀的情况下 处于同一套管中的不同光纤 其应力分布基本上是一致的 2 从Maker1 Maker2之间的长度约为163m 从Maker5 Maker6之间的长度约为102m 而且是逐渐减小的 经分析这是松套管在盘上每层换向的地方受挤压 光纤在该点的应力较集中 曲线在这些位置上有较明显的尖峰 这在普通OTDR上是无法反映出来的 而用BOTDR就能明显表现 3 光纤全长度上应力分布也有不同 有的段落明显有的不明显 这是因光纤二次被覆生产过程中光纤局部受力不均匀造成的 即使是0 001 微小的受力应变亦能明显表现 从试验中 我们可以看出利用BOTDR能敏感的发现光纤在盘上的应力分布情况 尽管这种应力很小 但我们都能一目了然地看到光纤在不同长度上的应力分布 这对我们在改善光缆制造工艺及完善光缆运输包装等方面非常有意义 03 09 15 股票代码 600522 12 3 2BOTDR在光缆拉伸试验中的测试上文中提到 用BOTDR测试光纤应变与拉伸试验测试光纤的应变情况各有特点 我们在光缆拉伸试验的过程中 采用BOTDR对光纤的受力状况进行监测 以便能从实例中分析两者的区别 图6CD400监测光缆拉伸试验图7BOTDR在光缆拉伸试验中的测试从图6和图7中可以看出 1 在一定的拉力条件下 采用BOTDR和CD400测出的光纤应变值是一致的 两者都能判断光纤受拉力后的应变情况 03 09 15 股票代码 600522 13 图7BOTDR在光缆拉伸试验中的测试 2 使用BOTDR测量的曲线上明显地看出光纤在拉伸过程中的不同受力状况 靠近滑轮的地方和滑轮上的光纤受力较大 而在平行部分受力则较小 试验中能较直观地反映光纤在拉伸过程中的局部受力状况 3 从Maker1至Maker2之间约为25m 从Maker3至Maker4之间也约为25m 这从图7中可以看出 用BOTDR能准确地进行光缆受试长度分析 通过CD400和BOTDR监测的图形可以发现 传统的拉伸试验只能获得光纤受试长度上的平均应变情况 而BOTDR不仅能反映光纤受试长度内的平均应变 还能详细地反映各受试部位的应变情况 虽然CD400在局部应力测试方面不及BOTDR 但它可以对多根光纤同时进行监测 这是BOTDR做不到的 03 09 15 股票代码 600522 14 3 3BOTDR在光缆高低温试验中的测试光缆因温度上升 或下降 都会导致光缆的伸长 或收缩 由于光纤线膨胀系数与光缆的加强件和护套 层 材料线膨胀系数的差别 引起缆中光纤状态的变化 导致微弯损耗 传统的高低温测试方法是在试验过程中用OTDR测量1310nm和1550nm两个波长光纤的衰减变化量 该方法只能从衰减上看出变化值 不能具体的反映光纤应变量 我们把BOTDR运用到光缆的高低温性能试验中 从而很直观地看出光缆中光纤受力应变情况 低温试验前后图形叠加如下 由光缆外端测试 图 BOTDR在光缆低温试验中的测试 03 09 15 股票代码 600522 15 图 BOTDR在光缆低温低温试验中的测试 从图8中可以看出光纤在进行低温试验中的受力状况 1 由于光缆中光纤余长分布的不一致 光纤的受力状况也不一样 余长长的地方光纤受力较大 余长短的地方光纤受力较小 如 Maker3 Maker4之间 2 由于光缆的外面几层结冰 降温速度比内层要快 在光缆盘外边几层光缆中的光纤受力是由外而内逐步减小的 如 Maker1 Maker4之间 3 除外边几层光缆是由外向内因速冻降温产生应变外 由于缆盘径是越来越小的 所以光纤受力应变也是呈上升趋势 如 Maker4 Maker6之间 4 在常温下由于光缆是松绕的 光纤在光缆盘换向处的应力不明显 当光缆经过低温试验后 光缆收缩 光纤在光缆盘换向处受力增加 光纤的应变加大 如 图中能明显看出光缆每层排列之间的换向应力变化 5 成熟稳定的生产工艺下光缆高温受力应变不太明显 03 09 15 股票代码 600522 16 用OTDR测量的结果是 常温下光纤损耗在1310nm窗口为0 321dB km 在1550nm窗口为0 182dB km 低温下光纤损耗1310nm窗口为0 321dB km 在1550nm窗口为0 189dB km 损耗变化不大 而从BOTDR测得的图上可以看出在光缆不同的长度区域上应力变化还是比较大的 虽然应变只有0 02 但用BOTDR测试表现很明显 可见 传统的高低温试验方法只局限于用光纤衰减的变化量来表示环境温度对光纤的影响 不能反映光纤具体受力状况 而采用BOTDR进行测试就能很直观地反映环境温度的变化对光纤应变的影响及光纤衰减发生变化的具体原因 3 4BOTDR在光缆过滑轮试验中的测试ADSS光缆作为电力通信用的特殊光缆 其在施工过程中是靠滑轮装置导行的 过滑轮试验的目的就是检验用建议的滑轮尺寸和程序架设ADSS光缆会不会使光纤的性能受到损坏 我们用一根长70m的8芯ADSS光缆作试验 用光纤熔接机将8根光纤彼此串接起来 给光缆施加25 RTS的恒定拉力 拉力角为70 在传统的过滑轮试验的基础上 我们用BOTDR对光纤在过滑轮时的应变进行监测 03 09 15 股票代码 600522 17 图9BOTDR在光缆过滑轮试验中的测试 从图9中可以看出 1 由于测试时我们是将8根光纤进行串接的 在BOTDR的图形上能清楚地看出来 Maker1 Maker2之间的距离是70m 为单根光纤的长度 光缆的受试长度也能一目了然 Maker3 Maker4的长度是光缆受试长度 为24m 2 在用CD400进行监测时 光纤的光功率基本没有变化 但从理论上来说光缆在过滑轮时光缆中的光纤存在运动 光纤受力就会产生应变 虽然光纤的应变很小 但用BOTDR可以监测出来 3 通过8根光纤同时做试验可以发现 同一光缆中的不同光纤在过滑轮时的应变基本是一致的 在传统的过滑轮试验中用BOTDR进行测试 能清楚地反映ADSS光缆在经过滑轮时光纤的应力情况 由此我们可以在光缆的施工过程中用BOTDR对光缆的施工情况进行监测 从而提高光缆的施工质量 03 09 15 股票代码 600522 18 3 5BOTDR在特种光缆生产过程中的测试海缆被称为 光缆之王 其生产成本较高 而且施工和维护费用都比较昂贵 所以在海缆的生产过程中对光纤受力状态的监测是十分必要的 我们用BOTDR对在生产过程中的海缆进行监测后得到下面的图形 图10BOTDR在海缆生产过程中的测试 对图10中的测试结果分析如下 1 Maker1 Maker2是海缆生产过程中的一段 由于光缆在生产过程中进行绞合 光缆中的光纤受到的应力较大 其变化幅度达到0 25 可见光缆的绞合过程对光纤产生的应变还是比较明显的 2 Maker1之前的光纤为已绞合成缆的光纤 光纤的应变不大 其变化幅度小于0 005 说明光缆绞合过程中对光纤产生的应力经收线后能基本消除 3 Maker2之后的光纤为没有绞合的缆芯中的光纤 其应变呈下降的趋势 这是由于光缆放线时有一定的放线张力 03 09 15 股票代码 600522 19 除绞合点外的每一段光纤的应变都小于0 01 表明海缆的生产工艺是成熟的 生产中的每一工序均能控制得很好 光纤在海缆中处于理想状态 同样我们运用BOTDR对OPGW光缆进行生产在线监测亦取得了极好的效果 为OPGW的良好运行提供了可靠保障 深得电力系统用户的好评 可见 BOTDR在特种光缆的生产研制中更能发挥重大作用 图10BOTDR在海缆生产过程中的测试 03 09 15 股票代码 600522 20 4BOTDR的优势1 OTDR的测试只是从一个侧面反映衰减变化情况 而BOTDR能直观地反映光缆工艺结构是否合理等状况 能为光缆生产提供科学 准确的指导数据 2 传统的拉伸试验方法是在光缆的局部进行的 而光缆全长度上的应力分布不一定是一致的 当整盘光缆上的光纤应力分布不一致时 拉伸试验就无法准确地进行测量 而BOTDR能测试光纤全长度上的应力分布 弥补了拉伸试验测量光缆应变的不足 3 传统