浅析轴向张力法和两点弯曲法测试光纤动态疲劳参数Nd

一、引言
      在一定的应力条件下，光纤表面微裂纹生长扩大至光纤断裂的过程称为光纤的疲劳。按施加应力的模式光纤疲劳可分为：静态疲劳和动态疲劳，它们是两个用于实际衡量应力腐蚀敏感性的参数^[1]。光纤表面微裂纹增长越慢，光纤寿命时间也越长，Nd值是判断光纤寿命的重要参数。目前测试光纤动态疲劳Nd值比较常用的方法是轴向张力拉伸法和两点弯曲法。
 
二、轴向张力拉伸法和两点弯曲法的原理和试验装置
      根据IEC标准，轴向张力拉伸法是将若干光纤分别以一定的速率轴向拉断，测试光纤断裂瞬间的断裂应力，然后进行统计计算出Nd值；两点弯曲法是将光纤加载在两个平板之间，两个平板以一定的速率进行相向运动，运行到光纤受到弯曲应力断裂后记录断裂时平板间距来计算光纤断裂时所受的应力值，然后统计计算出Nd值。对于使用中光纤的应力起因于弯曲的情况，应优先使用两点弯曲法^[2]。
      1、轴向张力法测试装置：
      （1）光纤夹持装置：轮子的表面应选择一种与光纤接触产生较大的表面摩擦力，使被测光纤与轮子的接触面不产生相对滑动又不会对光纤涂层造成损伤的材料，同时轮子的表面应用足够的硬度，以保证光纤在受到拉伸时，光纤不会切割轮子表面^[3]。
      （2）力值传感器：主要用来测定每根试验光纤在轴向张力拉伸过程中直至断裂时的断裂应力，力值传感器应与光纤受到负载时的同样方式进行定标和定向。
     （3）可变速度驱动装置：该控制单元的设定可以满足多种速率要求，在恒定的速率下移动一个或两个轮子来增加夹持轮子之间的间距，其初始间距等于光纤的标距长度。
      （4）注意事项：采用轴向张力法，以下因素将影响动态疲劳参数的测试：
      ---测试环境的温湿度条件
      ---光纤样品的预处理时间
      ---光纤绕在轮子上有交叉
      ---光纤在拉伸的过程中始终存在打滑现象

 图1  轴向张力法测试装置图示

      2、两点弯曲法测试装置：
      （1）步进电机的控制：步进电机为平板直线运动提供准确、可靠、可重复性的电机化控制。
      （2）步进电机驱动移动压板：通过一根丝杆将步进电机的旋转运动转换成移动压板的直线平移。如果压板的槽为U形或V形，在计算断裂应力的压板间距时应考虑减去沟槽的深度。
      （3）光纤断裂监测系统：采用一种声发射探测器来探测光纤的断裂，断裂信号反馈给计算机后软件根据压板间距自动计算出光纤的断裂应力。
      （4）注意事项：采用两点弯曲法，以下因素将影响动态疲劳参数的测试：
      ---测试环境的温湿度条件
      ---光纤样品的预处理时间
      ---归零校准时平板V形槽和表面的清洁
      ---平板的平行度

图2  两点弯曲法测试装置图示

 
三、两种动态疲劳Nd测试方法的取样和计算方法
      由于疲劳参数是统计计算的结果，要准确获得样品光纤的疲劳参数Nd，必须选取足够数量的样本进行测试，一般试验情况下，用4组样本集（每组样本集由30段光纤样品组成）分别在4种速率下进行试验，每组样本集采用一种速率。轴向张力拉伸法测试光纤的取样长度为1000mm，两点弯曲法测试光纤的取样长度为30mm。按照IEC-1-33的要求进行统计计算动态疲劳参数Nd。试验的环境条件应满足：温度（20～23）±2℃；相对湿度（40%～60%）±5%。并且光纤样品在测试前应放置在测试环境下预处理至少12小时。
      1、轴向拉伸张力法计算方法：
      当忽略涂层效应（小于5%）时，对包层直径为125μm、涂层直径为245μm的石英光纤，计算断裂应力σ_f 、应力速率σ_α、中值断裂应力σ_f（0.5）：
      σ_f =T/A_g
     
     
 
      T—涂覆层光纤试样的断裂张力；
      A_g—石英光纤的标称横截面积；
      σ_α—应力速率；
      σ_f(0.5)—中值断裂应力；
      t(σ_f)—断裂时间；
      t(0.8σ_f)—至断裂应力80%时所用时间。
      2、两点弯曲法计算方法：
      每根光纤的断裂应力由下式计算：
     
     
     
      σ_f—断裂应力，单位为Gpa；
      E₀—杨氏模量，单位为Gpa；
      —光纤弯曲顶点的断裂应变；
      a—非线性应力-应变特性的修正系数（典型值为6）；
      d_f—石英光纤的包层直径，单位为μm；
      d—光纤断裂时压板间的距离，单位为μm；
      d_c—光纤的涂层直径，单位为μm；
      d_g—压板U/V形槽的深度，单位为μm。
      两种测试方法的试验完成后，取每种速率下的中值断裂应力，轴向张力拉伸法绘制断裂应力对应的动态疲劳曲线，然后计算出Nd；两点弯曲法绘制断裂应力对应移动速度比石英光纤半径的动态疲劳曲线，然后计算出Nd。

四、两种测试方法的数据处理
      两种测试方法的试验完成后，取每种速率下的中值断裂应力，轴向张力拉伸法绘制断裂应力对应的动态疲劳曲线，然后计算出Nd；两点弯曲法绘制断裂应力对应移动速度比石英光纤半径的动态疲劳曲线，然后计算出Nd。