光缆中光纤余长的控制.docx

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光缆中光纤余长的控制

光缆中光纤余长的控制

光纤余长是影响光缆性能的重要因素之一，如何在成品光缆中实现希望的光纤余长是光缆生产者十分关心的问题。

1光缆中光纤的余长

光缆中光纤余长有两种含义

．是光纤相对松套管的长度差与松套管长度的百分比率，这是一般习惯所说的余长。

其计算公式为：

ε=（Lf－Lt）/Lt×100%

式中，ε—光纤余长；

Lf—光纤长度；

Lt—松套管长度。

．在松套层绞式光缆中，光纤占松套管中心位置时的长度与占松套管最内侧位置时的长度之差与占松套管中心位置时长度的百分比率，这常称为无应力窗口余长。

其计算公式为：

ε=2π2DR0（1－R0/D）/（π2D2＋P2）

式中，ε—光纤余长；

D—光缆缆芯直径；

R0—松套管等效内半径，其值为：

R0=R－1.16n1/2d/2

其中，R—松套管内半径；

n—松套管内光纤数目；

d—光纤直径。

P—成缆节距。

通常说的光纤余长是指第一种余长含义。

本文所述余长也是指第一种余长含义。

1.1松套层绞式光缆的光纤余长

当光缆受到拉力或环境温度变化时，光缆长度会产生伸长或压缩的形变。

当光缆伸长时，光缆中各元件均会拉伸变长。

由于光纤是按螺旋状绞合在光

缆加强芯外面，当光缆伸长时光纤的绞合节距会变大，绞合半径会变小，光纤向光缆加强芯靠近，从而提供适应光缆伸长的长度，使光纤不遭受拉力。

当光缆伸长过大时，光纤紧贴在松套管内壁上，这时光纤受到拉力，同时受到松套管内壁对其产生的侧压力而产生微弯曲。

当温度变化光缆收缩时，光纤绞合节距会变小，绞合半径会变大，光纤离开光缆加强芯，不会受力。

当光缆收缩过大时，光纤也会紧贴松套管内壁，受到松套管内壁侧压力而产生微弯曲。

众所周知，光纤长期遭受拉力或弯曲应力会使光纤的使用寿命缩短，微弯曲会使光纤的衰减增大。

一般情况下，光缆设计者将20℃定为标准温度，并将此温度下的光纤设定在绞合式光缆松套管中心，即光纤与松套管等长。

光纤余长计算方法举例：

设光缆中心加强元件为不锈钢丝，其外径为D中=2.5mm；松套管为PBT管，其外径为D管外=1.5mm，内径为D管内=1.0mm；光纤的外径为D纤=0.25mm；20℃时松套管的绞合节距设为L节=0.25mm。

光缆极限伸长率和极限压缩率的计算

光纤位于松套管中心位置（R1处）时，一个绞合节距的光纤长度L1为：

L1=〔（2πR1）2＋L节12〕1/2

式中，R1—光纤位于松套管中心位置时，光纤距光缆中心轴的距离。

R1=R中＋R管外

其中，R中—光缆中心加强件半径；

R管外—松套管外半径。

当光纤刚好接触松套管内壁位于距光缆中心加强件最远的位置（R2处）时，设绞合节距为L节2，此时一个绞合节距的光纤长度L2为：

L2=〔（2πR2）2＋L节22〕1/2

式中，R2—光纤刚好接触松套管内壁，光纤距光缆中心轴最远的距离。

R2=R中＋R管外＋R管内

其中，R管内—松套管内半径。

因为，

L1=L2

所以，

L节22=4π2（R12＋R22）＋L节12

此时，光缆的收视率ε缆－为：

ε缆－=（L节1－L节2）/L节1=1－〔4π2（R12－R22）/L节12＋1〕1/2

=1－{1＋2π2（R12－R22）/L节12－〔4π2（R12－R22）/L节12〕2/8……}

由于〔4π2（R12－R22）/L节12〕2/8……数值很小，可忽略不计，因此得光缆的极限收视率为：

ε缆－=2π2（R12－R22）/L节12…………………

（1）

同理，当光纤刚好接触松套管内壁位于距光缆中心加强件最近的位置（R3处）时，光缆的伸长率ε缆＋为：

ε缆＋=2π2（R12－R32）/L节12…………………

（2）

式中，R3—光纤刚好接触松套管内壁，光纤距光缆中心轴最近的距离。

R3=R中＋Δ管

其中，Δ管—松套管壁厚。

将例中设定数值代入式

（1）和式

（2），即可计算出该光缆的极限收缩率和极限伸长率：

ε缆－=2π2（22－2.3752）/802=－0.506%

ε缆＋=2π2（22－1.6252）/802=0.419%

光缆使用温度范围（设－40℃～＋60℃）内的伸长率和收缩率计算

光缆中主要材料的线膨胀系数和杨氏模量如下表示：

材料名称

线胀系数1/℃

杨氏模量GPa

二氧化硅

铝

钢

聚乙烯

PBT3001

FRTB

芳纶

0.6×10-6

25.5×10-6

11.7×10-6

≈200×10-6

70×10-6

20×10-6

-2×10-6

70

70

190～200

≈1～2

2.6

6

115

光缆的线胀系数：

α=∑αiAiEi/∑AiEi

式中，αi—光缆中各元件的线胀系数；

Ai—光缆中各元件的杨氏模量；

Ai—光缆中各元件相应的截面积。

在60℃时，光缆的伸长率为：

ε60=α（60－20）

在－40℃时，光缆的收缩率为：

ε-40=α〔（－40）－20〕

前例中，为了简化问题，设光缆的线膨胀系数为钢丝线胀系数的2倍，即：

α缆=2×11.7×10-6/℃=23.4×10-6/℃

则：

ε60=23.4×10-6（60－20）=0.094%

ε-40=23.4×10-6〔（－40）－20〕=-0.140%

由此可见，ε60＜ε缆＋，ε-40＞ε缆－，所以，在使用温度范围内，光缆中的光纤性能不会变劣。

光缆能承受最大拉力计算

光缆能承受的最大拉力为光缆达到极限伸长率时，钢丝所承受的拉力。

即：

f=E钢×S钢×ε缆＋

=200×109×1.252×10-6×π×0.419×10-2

=4113.5N

式中，E钢—钢丝的杨氏模量；

S钢—钢丝的截面积；

ε缆＋—光缆允许的极限伸长率。

在实际应用中，光缆的拉力远小于4113.5N。

光缆中光纤余长的控制（见第2章）

1.2松套中心管式光缆的余长

和松套层绞式光缆不一样，由于松套中心管式光缆的光纤位于光缆的中心轴

线附近，且平行于光缆的轴线，因此，光纤不能依靠改变缠绕半径来适应光缆的伸长和压缩。

所以，在光缆制造过程中，要使光纤相对松套管有足够的余长。

在中心管式光缆中，光纤余长以螺旋状或波浪状（正弦波）分布存在。

当光缆受到拉伸变形时，松套管变长，管中光纤的节距随光缆的伸长变大。

当光缆产生收缩形变时，其节距随之变小。

光纤在松套管中有较大的活动范围，所以中心管式光缆的松套管内径比层绞式光缆松套管大。

光纤余长的计算：

光纤为螺旋状分布情况

设螺旋节距为h，螺旋直径为松套管的内径a，则光纤在一个节距内的长度Lf为：

Lf=（π2a2＋h2）1/2

而光纤在松套管中的余长εf为：

εf=（Lf－h）/h={〔1＋（2a/h）2〕1/2－1}×100%……（3）

光纤为正弦波状态分布

设正弦节距为h，松套管内径为a，则在一个正弦节距内光纤的长度Lf为：

Lf=h（1＋k2）1/2{1－〔k/（1＋k2）1/2〕2/4}

式中，k=aπ/h。

而光纤在松套管中的余长εf为：

εf=（Lf－h）/h×100%

={〔4＋3（aπ/h）2〕/〔4＋4（aπ/h）2〕1/2－1}×100%……（4）

由式（3）和式（4）可知，中心管式光缆的松套管内径越大，光纤的余长就可以越大；光纤分布的节距越小，光纤的余长越大。

所以，为了满足中心管式光缆光纤余长的要求，往往将松套管的内径做得较大。

2光缆中光纤余长的控制方法

2.1二次套塑生产线光纤余长的控制方法

二次套塑是控制光纤余长的关键工序。

在二次套塑工艺中，影响光纤余长的因素较多，其中，有的因素可以用作调节余长的工艺手段，有的因素能影响余长值，但不能作为余长的调节手段。

影响光纤余长的主要因素有：

．光纤放线张力对余长的影响

在二次套塑生产过程中，光纤在一定的张力下放出，由于有一定张力，因此在余长牵引轮上松套管中的光纤会靠向轮的内缘，从而使光纤的缠绕直径Φf必然小于松套管缠绕直径ΦT。

所以，在余长牵引轮上，光纤的长度小于松套管长度，而得负余长。

即：

Δε=〔Φf（F）－ΦT〕/ΦT×100%

式中，Φf（F）—光纤缠绕余长牵引轮的直径是张力F的函数。

由上式可知，ΦT是常数，它由余长牵引轮直径松套管直径决定。

而不是常数，它的大小，亦光纤靠近松套管内壁的程度。

光纤张力愈大，光纤拉得愈紧，光纤愈靠近松套管内壁，负余长就愈大。

反之亦然。

因此，光纤放线张力愈大，余长愈小，张力愈小，余长愈大。

可见，光纤的放线张力是调节余长的有效工艺参数之一。

．两冷却水槽的水温差对余长的影响

光纤松套管从热水槽和余长牵引轮的高温区（45～75℃）进入到冷水槽低温区（20℃左右）后，松套管冷收缩而产生正余长。

冷收缩得到的正余长取决于冷热水温差和PBT塑料及光纤的热膨胀系数，其数学表达式为：

Δεf=（TW－TC）〔αT（T）－αf〕

式中，TW—热水槽水温；

TC—冷水槽水温；

αT—PBT塑料热膨胀系数；

αf—光纤热膨胀系数。

由于αT（T）是温度的函数，在n+℃的冷热水温差范围中，PBT塑料热膨胀系数有较大变化。

通常只能以一个平均的热膨胀系数来作定性的估算，作为冷热水温设定的依据。

从上式可见，冷热水温的调节是余长控制的最主要因素。

水温差愈大正余长愈大，反之亦然。

．主牵引张力对余长的影响

主牵引张力是施加在余长牵引到主牵引之间光纤松套管上，这一段正是松套管处于冷水槽经受冷收缩的期间。

因而，牵引张力对松套管的弹性拉伸是对松套管的冷收缩起牵掣作用。

在标准二次套塑生产线中，正余长主要由松套管冷收缩程度决定，而适当的主牵引张力对光纤余长起到局部调节作用。

主牵引张力愈大，对冷收缩的牵掣愈甚，正余长愈小；反之，主牵引张力愈小，冷收缩愈自由，正余长愈大。

．光纤油膏在二次套塑中的影响

光纤油膏在二次套塑工艺中的性状，以及成缆后对松套管中光纤或带纤的机械保护作用，在很大程度上与其触变性有关。

通常，在光纤油膏制作中，需加触变增原剂使油膏具有一定触变性。

加触变增原剂使油膏分子中的硅原子上的表面羟基（－OH）之间有弱氢键将邻近质点相互结合，使油膏形成具有固态的网状结构。

从而使油膏在静止状态下，呈现为一种稳定的、非流动的稠粘胶体。

当油膏受到扰动时，例如在二次套塑中，光纤油膏被泵入挤塑机机头注入光纤松套管过程中，在剪切力的作用下，弱氢键断裂，油膏分子由网状结构变成线状结构，油膏从稠粘胶体变成流体，因此油膏内均匀地充入松套管内。

当加在油膏上的扰动力消除后，弱氢键又将邻近质点相互结合起来，油膏又回复到稠粘胶态，从而防止松套管中油膏滴流。

必须指出，光纤油膏的扰动力消除后，油膏不可能完全回复到扰动前的分子结构，而且回复需要一定时间（这段时间称为“工艺窗口”），通过调节光纤油膏的配方和工艺，可以改变工艺窗口的时间长短。

在二次套塑松套管中光纤余长形成的过程中，不论什么方法形成余长，光纤或光纤带在松套管中必须产生相对滑动。

因此，在这过程中，光纤油膏必须有足够的流动性，亦具有较低的粘度，以保证光纤或光纤带的滑动。

就是说，光纤油膏的稠粘性回复时间（工艺窗口）应当大于二次套塑中余长最终形成时间。

光纤油膏的粘度还随温度的升高二降低，因而也可以在二次套塑工艺中对光线油膏加热，降低其粘度，更有利油膏填充。

挤塑机头中充油膏模具的设计和选用，必须保证油膏通路顺畅，充膏均匀平稳，压力不能太高。

如果充膏压力过高，加上采用的油膏粘度也较大时，在出模口，油膏会对进入松套管的光纤产生牵引作用，使余长不控制的增大，必须避免。

光纤余长控制方法：

温度控制法

温度控制是利用二次套塑生产线上两个冷却水槽内水的温差，来形成光纤相对松套管的余长控制。

．当光纤通过挤塑机后被包上一层塑料（松套管）。

挤出的松套管首先进入高温冷却水槽（水温为50℃左右），松套管在此温度下冷却。

．松套管离开高温冷却水槽后，缠绕在中间牵引轮上（该牵引轮起牵引作用，同时也是调节光纤余长的装置，又叫余长牵引轮），在此，光纤由于牵引力的作用，紧贴松套管内壁缠绕在中间牵引轮上，因为松套管的缠绕半径大于光纤的缠绕半径，所以，在牵引轮上光纤的长度小于松套管的长度，这种现象称负余长（或余短）。

．松套管离开中间牵引轮进入低温冷却水槽（水温为20℃左右），在此，松套管开始收缩，由于光纤的线膨胀系数很小，在低温水槽中光纤收缩可视为0，因此，在低温水槽中，松套管和光纤的长度关系又进行一次调整。

可见，正确设定中间牵引轮的直接和两冷却水槽的水温差，是二次套塑控制光纤余长的关键。

牵引控制法

流程为：

接上

，经过冷却水槽进入履带牵引，再进入主牵引轮，收线。

牵引控制法对光纤余长的控制，是利用履带牵引和主牵引轮二者牵引线速度不同，造成松套管被拉伸来调节光纤的余长。

在整个生产过程中，

.松套管处在履带牵引和主牵引轮之间时，调节主牵引轮的线速度，使其大于履带牵引线速度，这样，在此段松套管被拉伸产生弹性伸长变形，而光纤处于松套管中心，不受履带牵引力作用，仅受主牵引轮牵引。

因此，光纤不受拉伸，即：

此段松套管和光纤长度相等。

.松套管处在主牵引轮上时，由于受牵引力的作用，光纤紧贴松套管内壁缠绕在主牵引轮上，如同“温度控制法”，光纤相对松套管是负余长。

.松套管离开主牵引轮，处在主牵引轮与收线之间，由于收线的张力很小，在弹性作用下，前面a段被拉伸的松套管又回缩，而光纤长度始终不变，从而产生光纤余长。

综上述，通过调节履带牵引和主牵引轮之间的速度差，就可以调节履带牵引和主牵引轮之间松套管被拉伸的程度，从而控制光纤余长。

2.2光纤余长控制工艺参数的计算方法

松套绞合式光缆在二次套塑工序后，光纤的余长应根据成品光缆的要求和成

缆工艺决定。

正确的光缆设计应使成品光缆在标准温度时，光纤相对松套管的余长为0，以保证此时光纤位于松套管中心。

松套管在成缆工序，受成缆引力的影响会伸长，设成缆工序松套管的伸长率为ε成，则应设定二次套塑后光纤的余长ε套=ε成，从而保证成缆后光纤相对松套管的余长为0。

二次套塑和成缆均应在标准温度条件下生产，如果两工序生产环境温度不同，则在设定ε套时应将两工序生产环境温度差考虑进去。

光纤余长控制工艺参数计算举例：

设定二次套塑和成缆的环境温度均为20℃；松套管的外径R管外=1.5mm；松套管的内径R管内=1.0mm；成缆时松套管受到的拉力F成=2N。

则，成缆工序中松套管的伸长率ε成为：

ε成=F成/SEPBT×100%=2/（0.982×2600）×100%=0.0783%

式中，S—松套管截面积；

EPBT—松套管材料杨氏模量。

为了保证成缆后，光纤相对松套管的余长为0，则，二次套塑后光纤的余长

ε套=ε成。

所以，

ε套=ε成=0.0783%

为了实现ε套，可按下述方法计算两冷却水槽水温：

设中间牵引轮直径R中=800mm；低温冷却水槽水温T低=20℃（与环境温度相同）；光纤直径R纤=0.25mm；松套管在中间牵引轮上缠绕3圈。

则，在中间牵引轮上松套管的长度L1和光纤的长度2为：

L1=3π（R中＋R管外）=7553.96mm

L2=3π（R中＋R管外－R管内＋R纤）=7546.89mm

在中间牵引轮上，光纤对松套管的余长为负值，即为：

ε短=（L2－L1）/L1×100%

=（7546.89－7553.96）/7553.96×100%=-0.0936%

因此得，借助高、低温冷却水槽的水温差使光纤产生余长ε为：

ε=ε短＋ε套=0.0936%＋0.0783%=0.1719%

因为，PBT的线膨胀系数αPBT=70×10-6/℃，所以，高、低温冷却水槽的水温差ΔT为：

ΔT=ε/αPBT=0.1719%/70×10-6=24.56℃≈25℃

从而可得，高、低温冷却水槽的水温为：

T高=T低＋ΔT=20℃（环节温度）＋25℃=45℃

应该指出，以上为理论计算，实际生产中由于影响因素很多，应在计算的基础上通过试验验证后，才能将正确的工艺参数确定下来。