光纤带光缆套管的设计原理分析

电子设计 2018-11-07 09:00 次阅读

一、 概述

光纤通信技术(optical fiber communications)从光通信中脱颖而出,已成为现代通信的主要支柱之一,在现代电信网中起着举足轻重的作用。光纤通信作为一门新兴技术,其近年来发展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的,也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。

在我国,光纤通信从70年代末开始运用,到现在已有20年有余,尤其是近年来,光纤光缆的大规模采用,更为显着,一方面因为3G网络的覆盖建设、FTTX网络的规模推广以及IPTV网络在城市的试点开展,另一方面运营商业务容量的急速膨胀,以及不断开发出丰富且多样性的业务内容,同时,运营商随着城市化的发展而不断地建设并完善其基础物理光纤网络,既有其发展的必要性,又有其保持竞争地位的需要。因此,来自基础建设和业务发展这两方面的大量需求,直接导致了运营商对光纤光缆需求的快速增长。

由于用于敷设光缆的城市地下管网资源在相当长的一段时间内和一定空间范围内的增加又是有限的,并且具有独占性和稀缺的特点。而光纤带光纤光缆具有光纤密度大,光缆外径小,易于敷设等特点,较好地解决了运营商发展的需要与面临城市地下管网不足的矛盾。这些年来,运营商对光纤带光缆的运用也越来越普遍,运用的地域也越来越广泛,运营的网络层次也由核心层逐步向重点接入层扩散,而且芯数也在不断增加,已经运行的大芯数光纤带光缆已经达到了432芯。正是基于光纤带光纤光缆的发展,本文介绍了制造层绞式光纤带光缆的结构设计原理,通过对不同材质的光纤带套管的选择、不同套管尺寸的设计和性能比较,以及相关的试验,验证了采用不同材料的光纤带套管时,光纤带光缆的性能变化。

光纤通信的原理

光纤通信的原理是:在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号,然后调制到激光器发出的激光束上,使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化,并通过光纤发送出去;在接收端,检测器收到光信号后把它变换成电信号,经解调后恢复原信息。

光纤通信的发展

光纤通信是现代通信网的主要传输手段,它的发展历史只有一二十年,已经历三代:短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤。采用光纤通信是通信史上的重大变革,美、日、英、法等20多个国家已宣布不再建设电缆通信线路,而致力于发展光纤通信。中国光纤通信已进入实用阶段。

光纤通信的诞生和发展是电信史上的一次重要革命与卫星通信、移动通信并列为20世纪90年代的技术。进入21世纪后,由于因特网业务的迅速发展和音频、视频、数据、多媒体应用的增长,对大容量(超高速和超长距离)光波传输系统和网络有了更为迫切的需求。

光纤通信就是利用光波作为载波来传送信息,而以光纤作为传输介质实现信息传输,达到通信目的的一种最新通信技术。

通信的发展过程是以不断提高载波频率来扩大通信容量的过程,光频作为载频已达通信载波的上限,因为光是一种频率极高的电磁波 ,因此用光作为载波进行通信容量极大,是过去通信方式的千百倍,具有极大的吸引力,光通信是人们早就追求的目标,也是通信发展的必然方向。

光纤通信与以往的电气通信相比,主要区别在于有很多优点:它传输频带宽、通信容量大;传输损耗低、中继距离长;线径细、重量轻,原料为石英,节省金属材料,有利于资源合理使用;绝缘、抗电磁干扰性能强;还具有抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强等优点,可在特殊环境或军事上使用。

二、 光纤带光缆套管设计的理论分析

1.光纤带套管尺寸设计

光纤带可以分为两种结构,既边缘粘接型和整体包覆型,整体包覆型结构相对边缘粘接型结构来说,光纤带厚度和宽度相应较大。考虑到光纤带光缆在实际生产中和使用的情况,为了提高光纤带的抗侧压能力和抗扭转能力,国内光缆厂家目前选择以整体包覆型结构生产光纤带为主。

光纤带中光纤的标识,一般建议选择全色谱的方式识别,以便工程接续和将来光纤分配的现场管理。光纤带可以叠加,就组成了光纤带矩阵。矩阵的截面图如图1所示。

1.1套管内径通常采用以下近似公式

光纤带光缆套管的设计原理分析

光纤带矩阵的等效尺寸如图2所示,其中光纤带矩阵的宽度和高度决定了矩阵对角线的长度,它的长度是我们设计套管尺寸的依据。

套管内径的公式如下:

光纤带光缆套管的设计原理分析

其中K值的大小与生产工艺控制有关,K值考虑的大,那么光纤叠带在套管中可活动的空间就大,套管中的光纤叠带质量就更有保证,但是若套管外径设计的过大,那么光缆的成本就会大幅升高。

上述公式确定的套管内径是基于完全理想的矩形光纤叠带而设计的,但是从实际光纤带光缆的解剖结果看,光纤叠带在套管中为菱形,且各带之间有一定的间隙。因此,修正后的光纤叠带的模型应为形变时的叠带,如图3所示:

光纤带光缆套管的设计原理分析

叠带的等效内径公式修正如下:

光纤带光缆套管的设计原理分析


因此,实际套管的内径是以光纤叠带形变时的等效内径为最终依据设计的。

1.2套管壁厚的设计

套管壁厚的设计,需兼顾套管的耐压扁性能,耐扭转性能和曲折性能。这些性能的测试结果与在加工过程中套管过转轮、绞合头等处所需承受的侧压力、弯曲和扭转情况相关。行业标准已规定了相应的试验方法。

为了方便设计,套管的壁厚与侧压强度及弯曲强度的关系可以通过套管的结构强度因子和材料强度因子进行理论预估。其中套管的结构强度因子和套管的内空、壁厚相关,而不同材料有不同的材料强度因子,材料强度因子和材料的压缩模量、弯曲模量呈线性关系。套管的结构强度因子可以通过以下公式进行估算:

光纤带光缆套管的设计原理分析


依据经验,套管壁厚一般设计为套管直径的5%~10%,实际生产过程中套管壁厚一般控制在0.45~0.85mm。这样设计的套管只要能承受大于400N的压扁力,在实际生产过程中就比较安全。

因此,根据以上套管内径和壁厚的设计,就可以得到套管的外径。

2.光纤带套管材料的选择

光纤带套管中都需填充纤膏。纤膏的填充即可以保证套管内径圆整度的变化,同时还能满足套管的阻水要求。非极性填充纤膏用于极性聚合物套管材料,极性填充纤膏用于非极性聚合物套管材料,以保障套塑材料与填充纤膏之间良好的相容性。

目前,常用的光纤带套管材料为改型聚丙烯(PP)和聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)两种,国外欧美主要光缆制造厂商选用PP材料,国内光缆制造厂商多选用PBT材料。

PP光纤带套管材料一般是添加成核剂改型的高耐冲共聚非极性聚丙烯,在PP结晶成核过程中,高分子链段通过在成核剂表面吸附PP分子形成更多的、热力学上稳定的微型晶核;这种微晶结构使得PP材料的结晶度更大,从而造成制品具有较好的抗冲击特性。这类结晶好坏可以通过挤出后测定套管的后收缩现象进行评估,后收缩现象严重的材料,形成微晶的比例较小,对应套管的耐冲击性能、拉伸屈服强度和耐压性能较差。PBT是一种极性聚酯类高分子材料,由具有硬段结构的对苯二甲酸单体和具有软段结构的1,4-丁二醇单体缩聚而成。硬段结构提供材料足够的抗张强度和弯曲强度,软段结构提供一定的柔韧性。它的结晶过程非常快速,使得套管有更好的表面光泽和尺寸稳定性,但不同冷却速度下结晶将形成不同密度、结构的晶体,从而造成套管的力学性能和收缩特性有所变化。

两种不同材质的套管在诸多文献中已有大量的描述,其主要比较结果为:假设结构设计完全相同,PBT套管会具有更好的拉伸机械强度、耐冲击性能、抗弯曲强度和耐压扁强度,但对弯折半径比较敏感。非改性PP的耐热氧老化性能较差,PBT在高温湿热条件下,存在较严重的水解反应。

两种材料加工出来的套管实际上都处于未完全结晶状态,都会具有一定的结晶后回缩;但值得注意的是,生产过程中前段冷却水温度以及光纤带偶合点与牵引轮之间位置都将严重影响PBT套管在玻璃化温度下(60度左右)的后回缩指标。一般来说,套管入水冷却温度越高,套管回缩越大,而结晶后回缩越小;反之,冷却水温较低,套管回缩较小,但结晶后回缩会很大,甚至是套管回缩的1~2倍,从而给产品最终性能产生不良影响,因此在生产中应避免出现这种后回缩现象。相反PP的结晶后回缩程度受冷却水温的影响相对较小,更容易控制。

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