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GB／T 15972.31-2021 光纤试验方法规范 第31部分：机械性能的测量方法和试验程序 抗张强度.pdf

断裂应力分布可用于预测不同条件下的光纤可靠性。IECTR62048：2014解释了这种方法的数学 原理。测试受以下几个条件的限制： 1）光纤样品的差异，例如：涂覆层，制造时间，直径； 2） 标距长度，即测试部分的长度； 3） 应力或应变速率； 4） 测试环境； 5） 预处理或老化处理； 6）样本量。 该试验方法是以指定的恒定应变速率测量光纤的强度。这是一种破坏性测试，不能代替光纤筛选 测试。 本部分方法用于，标距长度0.5m，在规定的最大恒定应变速率25%/min的试验条件下，威布尔概 率水平为50%时的抗张强度大于3.1GPa（450kpsi)的光纤。对于威布尔概率水平为50%时的抗张强 度较低的光纤，本部分方法还不够准确。 注：kpsi=千磅每平方英寸。 试验用的典型长度有两种，一种是“短样品”，长度约为1m；另一种是“长样品”，长度为10m 20m，样本量为15根30根。 测试环境、任何预处理或老化都会影响测试结果。现在还没有普遍认可的模型可以将一个环境的 结果外推到另一个环境。然而，对于给定应力或应变速率下的断裂应力，随着相对湿度增加，断裂应力 降低。在一定的温度和湿度条件下进行一天或两天的预处理时，可以观察到被测强度分布的参数可能 增加也可能降低。 该测试基于脆性材料的断裂力学理论和缺陷生长的幂定律（参见IECTR62048：2014）。尽管也有 其他理论，但基于幂定律理论的断裂力学是最普遍认可的。 典型的样本包括未经故意损坏或环境老化的光纤。典型的光纤具有125um的标称直径，250um 或更小直径的丙烯酸酯涂覆层。本部分给出了这种典型样本的默认条件，可包括可选涂覆层、环境老化 光纤、故意损坏或磨损的光纤。同时还提供了对典型样本要求的相关导则

光纤试验方法规范第31部分： 机械性能的测量方法和 试验程序抗张强度

GB/T15972的本部分规定了确定光纤样品抗张强度值的试验方法，该方法可测试不同长度的成 缆前光纤。本部分的目的是要对光纤的机械特性一一抗张强度的测量建立一个统一的技术要求。 本部分适用于A1、A2、A3类多模光纤和B类、C类、D类单模光纤的测量。

本部分的试验方法用来确定光纤样品的动态抗张强度值。在整个光纤长度和横截面上以标称恒定 速率施加均匀可控的应力或应变，直到发生光纤断裂。一根给定光纤的抗张强度值的分布与样品的长 度、加载速率和环境条件密切相关。需要光纤的强度统计数据时可使用本试验进行检验。用统计质量 控制分布的方式报告结果。正常情况下，是在样品作温度和湿度处理后进行试验。在某些情况下，也可 不作预处理，直接在环境温度和湿度条件下测量抗张强度值。 计算方法的详细资料参见IECTR62048：2014。 如果在处理完成之后进行试验北京市某银行网点装修改造工程施工组织设计方案【精品施组】.doc，那么其结果应采用相同的样品数目和相同的试验条件（也就是速率 和标距长度)与未处理的结果进行比较。测试结果的分布曲线与待测光纤的样本量以及试验样品的标 距长度有关。 注：在夹具区域或支撑轮附近断裂的情况下，测试值不包括在统计分布中，而需要分别报告。 试验的标准大气环境条件符合GB/T15972.10一2021的规定

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部分示例。特殊配置的选择取决于下列因素： 样本标距长度； b) 应力或应变速率范围； c） 环境条件； d）样本强度。

部分示例。特殊配置的选择取决于下列因素： a) 样本标距长度； 应力或应变速率范围； c） 环境条件； d）样本强度。

测试光纤应两端夹紧，拉伸至断裂，断裂应发生在标距范围内。夹紧处需保证光纤不会在断裂前滑 出，同时尽量减少光纤在夹紧处断裂。 光纤在夹紧处的断裂应被记录下来，但不用于后期计算。光纤应变贯穿整个测试过程，部分滑动发 生在夹紧处。在较高的应力水平下（与较短的标距长度有关），滑动会导致光纤损伤及难以确定的夹紧 失效。这种情况发生的频率常随应力或应变速率而变化。在分析过程中，可通过观察残留的光纤或其 他手段来避免包含夹紧处失效的可能性。 通常使用覆盖有弹性护套的缠绕式夹具来夹持光纤（参见附录A的图A.1）。将非受试段光纤缠绕 几圈在缠绕式夹具上，并用如胶带一样的配件将光纤固定在末端保护光纤。光纤缠绕不能交叉。缠绕 式夹具表面应足够硬，避免满负载时光纤勒入。滑移次数和缠绕式夹具处失效的次数取决于光纤涂覆 层与缠绕式夹具表面材料、厚度和缠绕圈数的相互作用。需要仔细的初步测试以确定缠绕式夹具表面 的选择。 设计缠绕式夹具和滑轮的直径，使得光纤不会因弯曲应力而在缠绕式夹具上断裂。对于典型的二 氧化硅包层光纤，弯曲应力应不超过0.175GPa。对于典型的125um包层/250μm涂覆层石英光纤， 最小缠绕式夹具直径为50mm。特殊的夹持实施方案参见附录B

将样品夹持到两端夹具上。标距长度是拉伸之前夹紧的缠绕式夹具轴线之间的光纤长度。 设计的滑轮应表面光滑，不会损伤光纤。试验过程中应避免剩余的光纤碰触到滑轮和缠绕式夹具。 当同时测试多根光纤时，如图A.5所示，需要一种挡板装置，以防止断裂的光纤卡人或以其他方式 扰乱被测试的其他光纤

以固定的标称应变速率拉伸光纤直至断裂。标称应变速率表示为相对于标距长度的每分钟长度增 加的百分比。光纤拉伸有两种基本的替代方法： 方法A：通过以固定的速度增加夹紧的缠绕式夹具之间的间距，起始间距等于标距长度（图A.2）。 方法B：以固定速率旋转缠绕式夹具收紧光纤并拉伸缠绕式夹具之间的光纤部分（图A.3～ 图A.5）。旋转时不应出现光纤在缠绕式夹具上交叉。 在校准应变速率时，误差应控制在标称应变速率的土10%以内。有些设备配置是计算机控制的，允 许动态控制缠绕式夹具运动以产生恒定的应力速率。具体实施方法参见附录C。 应变速率应由客户和供应商协商确定。通常使用2.5%/min~5%/min或15%/min~25%/min 的应变速率范围

4.5拉断力的测量与校准

通过校准的力值传感器测量每个试样在失效时的拉伸载荷（张力），在实际载荷的士1%范 以通过如下的多种方法完成： 条形图记录仪：

峰值和保持仪表； 计算机采样。 下面提供一种测量拉力的方法来确定应力变化速率，拉力为时间的函数。该方法不需要每次测试 时进行，但应不定期进行。 在校准力值传感器时，校准误差应控制在断裂力值或最大负载的0.5%内，同时其测量方向与测试 光纤时的方向相同。通过用附加已知重量的线代替测试样本来做到这一点。对于方法B，可以使用轻 型低摩擦轮代替未连接到力值传感器的缠绕式夹具。线的一端连接到力值传感器缠绕式夹具，另一端 连接到已知重量，应与试样的方向一致，其直径应与试样的直径相当。三个校准础码对应的力值中最小 的一个宜包含典型断裂力值

测量的断裂应力和疲劳特性随光纤的温度和湿度而变化，因此温度和湿度在预处理和测试过程中 应进行控制。典型的控制要求是： 温度：23℃±2℃； 相对湿度：50%±5%。 通过将测试试样密封起来并通入水蒸气，形成不结露的高湿环境，可以获得替代的测试环境。图 A.5显示了一个联动测试仪，它包括一个循环水浴罩

样品是来自总体的一个或多个光纤。将每个样品切成较短长度的试样进行测试。将这些试样的测 试结果组合得到样品的总体结果。术语“样本量”用于表示在文中其余部分中提到的测试试样数。 对于带状光纤，在带状结构上选择均匀的试样。从光纤带上取下光纤时要小心，以免损伤影响 强度

通常使用0.5m的标距长度。测量抗张强度时，通常使用30的样本数量。对于“长样品”的测试方 法参见附录D

断裂应力计算需要将拉力转换为光纤玻璃部分的横截面上的应力。在该计算中使用由 GB/T15972.20一2021测量的包层直径来计算横截面积。光纤涂覆层也承受部分拉力，从而降低玻璃 横截面上的应力。7.1中描述了应力计算的公式。 涂覆层修正系数是涂覆层厚度、每个涂覆层的杨氏模量和玻璃模量的函数，涂覆层厚度可以通过 GB/T15972.21一2008测量。固化涂覆层的模量通常由制造商提供。对于典型的光纤，涂覆层的力值 贡献小于总力值的5%，并不需要涂覆层的补偿（见7.1）。因此，按固定百分比计算的断裂应力比实际 值大。当涂覆层力值得到补偿时，平均值或标称值可用于所有样品。涂覆层模量对断裂应力的贡献可 随应力或应变速率而变化。如果在任何应力或应变速率下的贡献大于总载荷的5%，那么涂覆层力值 应包括在计算中

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准备阶段可能包括下面儿步： a）老化试样（需要时）； b）预处理试样

6.2单根试样的测试程序

单根试样的测试程序如下： a 将缠绕式夹具安装到拉力设备上； b）将光纤松绕到缠绕式夹具上，并将传感器力值清零（光纤夹紧后不应再将力值清零，否则会使 测试结果偏小）； ） 将样品光纤夹紧在缠绕式夹具中，光纤不能交叉或受到损伤； d） 设置应变速率； ） 开始移动缠绕式夹具。对于0.03%/min或更低的标称应变速率，试样可以在0.3%/min速率 下预加载到在较低速率下预期断裂应力的约一半位置。可以从较高应变速率的结果预测出预 期的断裂应力。在测试损伤的光纤时，除非预期的断裂时间超过4h，否则不宜预加载； f) 发生断裂时，停止缠绕式夹具移动并记录断裂力值，并在必要时记录应力速率； 确认断裂没有发生在缠绕式夹具上。如果是，请标记测量值，不能用于计算： h） 从缠绕式夹具上取下残余光纤，并在必要时完成任何辅助测量，见5.3，

记录标称应变速率和总体信息。 确定涂覆层力值是否得到补偿。如果是，记录适当的涂覆层参数（见7.1）。如果标称值用于计 算应力，则记录标称包层直径。 C 每个试样完成6.2的操作。 d 根据7.1计算每个试样的断裂应力，并按递增顺序排序。 如果需要，根据7.2完成威布尔分布图（参见图D.1）。如果需要，根据7.3计算威布尔参数，m。 和S。 如果可操作性要求需要，根据7.2计算威布尔概率水平为50%时的抗张强度5和威布尔概率 水平为15%时的抗张强度15。 注：光纤断裂时，碎片分布在测试区域中，宜使用防护屏，同时，测试人员在测试区域内需要始终佩戴安全眼镜

7.1拉力与断裂应力的转换

当载荷与拉力T基本成一直线时，没有涂覆层补偿的应力α[单位为吉帕（GPa)计算见公式（1)：

式中： T——拉力，单位为牛顿(N); D。——光纤包层直径，单位为微米（μm）。 方法2： 涂覆层修正系数R计算见公式（2）：

式中： E。———玻璃部分的杨氏模量，二氧化硅玻璃的典型值为70.3GPa； A。一玻璃部分的横截面积； N一涂覆层层数； E，一一第i层涂覆层的杨氏模量； A，一第层涂覆层的横截面积。 需要涂覆层补偿的应力α。［单位为吉帕（GPa)计算见公式（3）： 6.=oR

—一没有涂覆层补偿的应力； R涂覆层修正系数。

7.2威布尔分布图绘制

0.15N十0.5是整数，015=00.15N+0.5。否则，015由0[0.15.N+0.5]和[0.15N+0.5]+1之间的适当的插值确定，其中方括号代 表最大的整数函数。

7.3威布尔参数的计算

威布尔分布的累积频率函数如公式（6)所示

F 威布尔分布的累积频率函数； S。威布尔强度参数； md——动态疲劳下的m值。 因此，V也可由公式（7)表示：

对于通常使用的样本量（见5.1)，使用以下方法。k1，k，.k，由公式（8）、公式（9)和公式（10)所示

则ma和S。由公式（11）和公式（12）表示：

方法2——最大似然估计法（MLE 似然函数的对数如公式（13)所示：

,=0.15N+0.5 2=0.85N+0.5 k,=0.5N±0.5

Y±2 Y1 md: r2k 0.366512 + x±s md

m。和S。使公式(13)最大化。对于给定的ma值，S。的最优值由公式(14)给出

m。的最优值由送代法确定

8.1试验结果报告应包括的内容

相对湿度和环境温度； 试验日期和操作人员。

8.2试验结果报告可包括的内容

根据要求报告中也可包括下列内容： 样品长度；拉伸速度（应变速率）； 样品尺寸参数； 涂覆层补偿（当需要时）； 夹具固定类型； 应用程序中出现的任何偏差； 失效或可接受的判据； 要报告的其他资料。

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附录A （资料性附录） 典型的动态抗张强度测试装置

附录A （资料性附录） 典型的动态抗张强度测试装置

附录A （资料性附录） 典型的动态抗张强度测试装置

图A.1缠绕式夹具设计

图A.3缠绕式夹具装

图A.4长样品用缠绕式夹具装置

图A.5组合式旋转缠绕式夹具测试仪

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力从缠绕式具到光纤的均匀传递对于获得良好的断裂应力测量值是必不可少的。涂覆层和应力 速率都可以改变这种传递函数，取决于缠绕式夹具表面和机械特性。可以通过检查测量的力（应力）与 施加的应变（持续增加的力对应的时间)的关系图来评估传递函数的质量。图B.1、图B.2及图B.3显示 了不可接受的结果。图B.4显示了可接受的结果。 注：未显示时间和力（强度）刻度，因为这些数字仅为定性图示

图B.4可接受的传递函数

应力的结果受到缠绕式夹具 缠绕的圈数和夹紧装 对于某些涂覆层，图B.5中所示的 供可接受的结果。替代的缠绕式 如硅树脂)可以改善测试结果，但细微的批次 变化可能会导致如图B.1所示的结果

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图B.5典型的缠绕式夹具

已经尝试了其他的方法，发现图B.6和图B.7显示的两种方法可以产生更好的测试结果，但是没有 可接受的力速率图和低夹持失效率的数据

图 B.7蜗生式缠绕

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通过使用类似于图C.1所示的 可以补偿光纤滑动或加载系统的符合性。光纤的一 端连接到在平移台上安装好的缠绕式夹具上。通过计算机控制的步进电机移动平台。使用A/D数据 采集系统由计算机监控施加到光纤的负载。计算机软件可以连续地修改步进电机速度以保持规定的加 载速率。 宜使用双面泡沫胶带覆盖缠绕式夹具。由于粘合的粘性，光纤的任何滑动都趋于稳定。非粘性摩 擦带可创造粘滑条件，因此计算机软件难以补偿发生的负载突然变化。 图C.2显示了在2um/s的恒定速度和0.3MPa/s的恒定应力速率下进行的试验力值曲线和加载 速度曲线的比较。该速度对应于0.29MPa/s的标称应力速率，但测得的应力速率仅为0.18MPa/s。 相反，伺服控制的结果是非常接近规定值的加载应力速率。为实现这一点，加载速度连续变化，如图C.2 右图所示

开发大道园林绿化工程施工项目A标段施工组织设计.doc图C.1控制应力速率系统

图C.2负载和负载速度随时间的变化

附录D （资料性附录） “长样品”测量方法 测试结果是断裂应力值的统计分布。因此，所有报告的参数本质上是统计分布的，其固有的可变性 是样本量和试样内缺陷大小变化的函数。试样断裂的位置将会是试样内最薄弱的部位或最大的缺陷的 位置，典型的断裂应力会随着标距的增加而减小。 光纤中可能存在由多种原因产生的缺陷。以两种统计集合分布为例，如图D.1所示的威布尔分布 图（绘制方法见7.2)所示，标距为20m。右边的狭窄垂直分布区域（横坐标应力大约5GPa）称为本征 区域，应力小于5GPa的较宽的分布区域是非本征区域。 对标距长度为0.5m的测试通常不是来自非本征区域的缺陷。然而，有时会将非本征区域缺陷的 断裂应力视为“异常值”。如果异常值包含在数据分析中，则会出现结果错误。对于典型测试，宜去除统 的异常值。 对于测量非本征区域的特征值时，宜使用大样本量（数百个试样）和长标距（20m）。对于依据本部 分测量本征区域的特征值时，通常使用0.5m的标距长度。测量抗张强度时，通常使用30的样本量。 任何与这些值的偏差都应在详细规范中说明。 可以使用统计分析的方法确定是否已经达到给定的精度。 “长样品”的测量方法参照第4章、第5章、第6章及第7章。针对“长样品”的安装。为了节省在长 标距上进行测试所需的空间，可以使用一个或多个滑轮来安装样品（见附录A的图A.4）

某矿矿井水及处理工程项目施工组织设计.doc20m标距长度5%/min应变速率的典型拉伸强

［1」IECTR62048：2014光纤可靠性幂次律理论（Opticalfibres—Reliability—Powerlaw theory)

R62048：2014光纤可靠性幂次律理论（Opticalfibres一ReliabilityPowerlaw