CC BY
63
20 декабря 2011 г. 12:08
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Метод локализации дефектов оболочки оптического волокна
Представлен метод локализации дефекта оболочки оптического волокна. Описывается физическая модель дефекта оболочки оптического волокна и экспериментальные исследования локализации дефекта предложенным методом, основанным на сравнение поляризационных характеристик обратного рассеяния короткого участка оптического волокна, измеренных до и после появления дефекта.
Дмитриев Е.В.
Для ряда практических приложений представляет интерес локализация дефектов оптического волокна (ОВ) на коротких длинах, в чостиости, на строительных длинах оптического кабеля. Проблемам усталостного разрушения ОВ посвящено достаточно много работ (1-3]. Как известно, прочность и долговечность кварцевых ОВ в основном определяется наличием микротрещин, а также поверхностных и объемных дефектов в структуре ОВ, возникающих вследствие дефектов заготовок или абразивного воздействия контактирующих с поверхностью кварцевого стекла твердых частиц, В процессе старения ОВ и непосредственно при внешних механических и температурных воздействиях, а также под действием паров влаги, микротреши ны развиваются от начальных размеров зародыша на поверхности оболочки до момента, когда скорость их роста достигает некоторого критического значения и ОВ разрушается. Эффект разрушения ОВ за счет роста дефектов в процессе его старения и называется усталостным разрушением. Время до момента полного разрушения зависит от его исходной прочности, окружающей среды и приложенной нагрузки. Как следствие, срок службы ОВ во многом определяется наиболее крупньм дефектом на поверхности оболочки световода.
Применяемые в настоящее время традиционные средства измерений, в частности оптические рефлектометры обратного релеев-ского россеяния во временной области (ОТСЖ), позволяют оценивать только состояние сердцевины ОВ и не могут выявлять дефекты оболочки волоконного световода. Поэтому локализация дефекта ОВ с помощью типового ОТОР может бьль реализована только на стадам увеличения размеров микротрещины от поверхности оболочки до границы сердцевина/оболочка, при которых разрушение ОВ может принять катастрофический характер из-за, например, повышенного механического напряжения.
На сегодняшний день коммерческим средством измерений, позволяющим выявлять в оптическом кабеле участки ОВ с дефектами в оболочке, являются оптические рефлектометры обратного бриллю-эновского рассеяния — ВОТС)!?. Принцип работы ВОЮЙ базируется на технологии детектирования и последующего анализа вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна с применением средств рефлектометрии во временной области [4]. Однако высокая стоимость ВОЮ к существенно ограничивает его широкое применение в штатных комплектах измерительного оборудования бригад предприятий, занимающихся технической эксплуатацией ВОЛП.
В данной работе предложено решение задачи локализации дефектов оболочки ОВ, базирующееся на применении поляризационного оптического рефлектометра — ЮТОІ? (РоЬгігаїіоп ОрІісаІ Тіте Оогггаіп РеАесіотеїг), с помощью которого измеряется временная зависимость мощности оптического излучения обратного реле-евского рассеяния одной поляризации — поляризационная характеристика обратного рассеяния ОВ [6,7]. Традиционные методы обработки поляризационных характеристик обратного россеяния, базирующиеся на определении скользящего среднего значения длины биений оптического волокна, неприменимы для выявления локальных дефектов — одиночных микротрещин. Известен способ локализации дефектов в сердцевине ОВ, основанный на сравнении характеристик обратного россеяния ОВ, измеренных до и после появления дефекта и вычислении коэффициента корреляции между ними [8]. Было пред положено, что анализируя изменения вдоль тестируемого ОВ значений скользящего коэффициента корреляции между указанными поляризационными характеристиками позволит локализовать местоположение микротрещины уже на ранней стси^и ближе к поверхности оболочки Для проверки указанного предположения были выполнены экспериментальные исследования на физической мсдели.
Для реализации физической мсдели ОВ поверхностным дефектом оболочки и экспериментальных исследований возможностей предложенного метсда локализации дефектов необходимо было решить следующие задачи:
— формирование дефекта на поверхности оболочки ОВ;
— определение действительного значения расстояние до местоположения дефекта на поверхности оболочки ОВ;
— контроль наличия дефекта на поверхности оболочки;
— отбор образцов ОВ, дефект оболочки которого можно считать поверхностным
— измерение поляризационных характеристик обратного рассеяния образца ОВдо и после формирования дефекта;
— обработка полученных поляризационных характеристик.
Поверхностным дефектом оболочки будем считать дефект, глубина которого настолько мала, что он не влияет на потери распространяющегося в сердцевине ОВ оптического излучения и, соответственно, не может быть выявлен по результатам измерений обычным импульсным оптическим рефлектометром
Использовался стандартный набор инструментов для подготовки ОВ к соединению: стриппер Оаи$5 СР5-2, скалывагель Ри'рсига СТ-30, ручка-скалыватель Оаи» СЭ-ЗОЛУ аппарат для сварки ОВ Епсббоп Р511-975 с опцией контроля качества сварки по 'Чепловым" изображениям, оптический рефлектометр Аппйи МУ/9076, оптический поляризатор.
44
Т-Сотт, #8-2011
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
- : —- -f- т
1 :
СТЯНАЯРТН ВОЛОКНО 01 выравнивание волокон 1ST irvtec ~ " OUIT НОТ 1ПЙ6Е: ESC .
Лс.1. Изображение оптического ^ 2. Тегтовое" изображение
волокна с Дефектом оболочки отического волокна с дефектом
в рассеянном свете
1-И ОБРЯЗ 1-й ОБРОЗ
ВЫХ ИЗ ГОР ОБР: ESC ВЫХ ИЗ ГОР ОБР: ESC
1-Й ОБ ВЫХ ИЗ ГОР ОБР: ESC
^«с. 3. Изображения отического 4. Изображения отического
волокна без дефекта оболочси волокна с дефектом:
a) в рассеянном свете, а) в рассеянном свете,
b) “теллоеое изображение, Ь) “тепловое изображение,
c) трехмерное тепловое изображен» с) ^эехмерное телпэеое изображеьие
OTDR/
POTDR
Optical liber
Optical liber
Ж
FW. 5. Схема иегьгтании
Физическая модель Об с дефектом на поверхности оболочки представляла собой две длины ОВ на катушках, соединенных между собой методом сварки. К свободным концам Об подваривались пигтейлы с разъемами типа ?С/РС для подключения к оптическому рефлектометру,
Дефект на поверхности оболочки формировался вблизи торцов свариваемых волокон, что позволяло достаточно точно измерить расстояние до местоположения дефекта и контролировать наличие дефекта как по изображениям в рассеянном сеете, так и по "тепловым" изображениям (рис. 1, 2).
Для формирования дефекта выполняли следующие операции. Предварительно по стандартной методике ОВ готовили к соединению методом сворки: на концах волокон стриппером снимали первичное защитно-упрочняющее покрытие (акрил), с помощью прецизионного скалывателя обрабатывали торцы. На одном из ОВ в непосредственно близости от границ*,! скола (200...300 мкм) на поверхность оболочки световода ручкой-с кал ывателем наносили царапину. Далее с помощью сварочного аппарата выполняли сварку ОВ. После чего по изображениям в россеянном свете и1‘тепловым" изображениям контролировали наличие дефекта на оболочке (рис. 3,4).
Оптическим рефлектометром в обычном режиме измеряли характеристику обратного рассеяния сваренных волокон. Если на ре-флектограмме можно было локализовать сварку, то полагали, что дефект нельзя считать поверхностным, и образец отбраковывался. Волокно в месте соединения обламывали, и операции формирования дефекта повторяли.
Схема испытаний представлена на рис. 5. Предварительно отбирали два образца ОВ на катушка, каждый длиной около 1 км, с близкими значениями коэффициента релеевского рассеяния таким образом, чтобы высота ступеньки на рефлектограмме, соответствю-щая их сварному соединению, не превышала 0.01 сВ по шкале оптического рефлектометра. Образцы ОВ сваривали. Измеряли поляризационную характеристику обратного рассеяния и его же характеристику обратного рассеяния в обычном режиме оптического рефлектометра. Затем в соответствии с описанной выше методикой формировали поверхностный дефект на оболочке световода и измеряли указанные выше характеристики обратного рассеяния ОВ с дефектом оболочки. Данные рефлектограмм записывали в формате А501 и обрабатывали в среде МсЛаЬ. Для каждой пары образцов ОВ испытания повторяли 35.. .40 раз. Всего испытания были выполнены для 38 пар образцов волокон.
В качестве примера на рисунках 6,7 приведены рефлектограм-мы для одной пары образцов стандартного ступенчатого одномодового ОВ типа БМР 28е™ длиной 763 м и 909 м соответственно.
На рисунке 8 приведен характерный пример грофика изменений вдоль волокна с дефектом оболочки скользящего коэффициента корреляции (СКК) поляризационных характеристик обратного рассеяния, измеренных до и после формирования дефекта, В данном примере длина окна при вычислении скользящего коэффициента корреляции была выбрана равной 100 м. Как видно из рис 8 характеристика имеет перегиб в области дефекта.
Начало перегиба соответствует отметке 0,702 ± 0,027 м, а конец — 0,794 ± 0,027 м. Таким образом, оценка погрешности локализации дефекта соизмерима с длиной окна.
В результате описанных в данной работе экспериментальных исследований на физических моделях ОВ с дефектом на поверхно-
T-Comm, #8-2011
45
