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一.引言 室外光缆的生产制造与应用中，光缆会承受生产、施工和使用中的拉力，同时还会受环境温度的四季变化影响。为保证光缆在使用过程中的传输稳定，通常情况下设计光纤在松套管内部空间处于自由松弛状态，来防止松套管在拉伸或收缩时光纤受力产生应变导致传输性能下降。设计合理的松套管光纤余长值，并对生产中的松套、绞合和护套工序进行松套管光纤余长控制十分必要。松套管的工艺控制是光缆制造过程中最关键的工艺控制之一，光纤在松套管中的状态是我们必须严格监控的重要指标，不同的评估方法会带来不一样的评估结果。行业中对松套管光纤余长的评估方法有多种，我们就目前比较流行的两种评估方案做一些比较。 二.余长的作用 通常情况下松套管是由PBT、光纤、纤膏所组成，PBT是高分子塑料材料，其杨氏模量2.5GPa，线膨胀系数为：1.3*10^-4 /℃，光纤是由二氧化硅材料生产，其杨氏模量为73GPa，线膨胀系数为：3.4*10^-7 /℃ ，纤膏则是一种触变型的流体材料。在松套管的加工过程中，光纤恒张力放出时被拉伸，而熔融的PBT冷却定型过程中会发生收缩，这二者必然会产生不同的长度，这样我们需要设计一种工艺控制手段来控制松套管与光纤之间的差值，因此引入了松套管光纤余长概念。 光缆在低温条件下，由于松套管线膨胀系数比光纤大，因此松套管在低温收缩的情况下光纤长度会逐步大于松套管长度，也就是所谓的余长增加，这样会导致光纤在松套管内弯曲受压产生衰减，最终低温性能不合格。反之光缆在高温下环境时，随着松套管的热膨胀后松套管内的光纤会逐步小于松套管长度，导致光纤受拉力影响发生传输衰减增加。 光缆在受到外部拉力的过程中，松套管内的光纤必然会随着缆应变的增加而逐步受力，同样会出现衰减的增加，甚至断裂。为保证光缆受外力作用和不同使用环境温度下均保持良好传输性能，需要设计合理的松套管光纤余长。 如何使松套管光纤余长与设计保持一致呢？生产过程工艺控制与设计合理的松套管光纤余长是唯一的解决方案。 三.余长形成的机理 在松套工序，在多根光纤外层挤出一束管状PBT塑料，同时在管内充填触变型的防水纤膏，用于保护光纤、提升松套管的抗拉和抗侧压能力。 下图1为热松弛法松套生产线的标准示意图，其原理是采用温差来控制PBT松套管的余长。光纤从放线架上以恒定张力放出，注入一定量的纤膏后通过挤出机机头，在外部挤出一层松套管。松套管在热水槽中结晶冷却，此时松套管内部的光纤小于套管长度。初步冷却成型的松套管在温水槽进入盘牵引轮并缠绕多圈，光纤受放线张力的影响始终贴近牵引轮侧套管内壁，此时光纤长度为小于套管长度的负余长。松套管出牵引轮进入冷水槽后，由于冷水槽和温水槽之间存在温差，松套管收缩后而光纤收缩量忽略不计因而产生正余长。此时通过调节主牵引张力，可以得到我们需要的余长。
四.余长测试常用的2种方式 1.松套管光纤余长的定义： 松套管中光纤余长ε计算公式如下：
根据以上公式，余长测量的基本原理是取一定长度的松套管，分别测量松套管和内部光纤的长度，然后计算出余长值。为了保证余长测量的准确性，需要精确测量松套管和光纤在不受任何外力下的长度。但是在实际应用中，取样和测量时我们必须施加一定的张力保证松套管和光纤拉直。 2.余长测试方法一：无张力取样测余长方式 如图4所示。无张力状态下尾端放出20~30米松套管后，在1#剪切点将松套管快速垂直的剪断，继续放出约10米样品后，在2#剪切点将松套管快速垂直的剪断。约10米的松套管较长，我们认为此段样品中光纤和松套管都相对静止，长度不会受到干扰。用3N的拉力将取下的松套管拉直并测量长度，然后将光纤抽出后测量光纤长度，将测试值带入公式一计算松套管的余长值。
3.余长测试方法二：余长测试台 如图3所示。将松套管从盘具上放出20~30米，一端夹具将松套管外壁夹紧，另一端用3N的砝码将松套管张紧，在中间用2组切刀同步快速的将松套管切断，取长度L松套管样品。然后将光纤从松套管中取出，测量光纤长度，很简单的就能松套管的余长值。
4.余长测试时松套管受力后的拉伸计算 在测试余长时，我们都需要用一个相同的拉力将松套管拉直后测量松套管长度，再将光纤从松套管内取出测量光纤长度从而通过长度差来计算松套管余长。 根据虎克定律，固定材料受拉力之后，在受力方向上会产生弹性拉伸。当外力卸去后，材料长度为恢复原始状态。应力与应变之间成线性关系，其计算公式如下：
从以上公式可以推导出在外力作用下，材料受力后的伸长率：
以测试直径1.8/1.1-6芯,长度为10米的PBT松套管为例，松套管各固体组成部分的尺寸和模量如下：
光纤芯数：n=6； 松套管拉直张力：F=3N； 松套管长度：L0； 松套管内光纤长度：Lf； 松套管受拉后长度：L； PBT弹性模量：E0=2.5Gpa； 松套管内径：d=1.1mm； 松套管外径：D=1.8mm； 张力F全部作用在松套管上，松套管受拉后延长，根据公式三计算松套管伸长率为：
5.方法一测试余长的计算和分析： 用方法一测量时，取样的松套管长度约10米，松套管和光纤之间的摩擦力很大，我们认为其状态和盘具上一致。用3N的张力测量松套管受拉的长度L，以及光纤抽出后的实际长度Lf，两者之间的长度差为ΔL。
6.方法二测试余长的计算和分析： 松套管在受拉时出现以下三种典型情况，下面对测试数据和实际结果进行分析： a)如松套管内光纤余长足够大，松套管受到3N的拉力延长，光纤仍处于弯曲状态（如图5），此时光纤不受套管轴向的拉力，不会延伸。
余长测试台测量的是松套管受拉后的长度L，以及光纤抽出后的实际长度Lf，两者之间的长度差为ΔL.
这种情况下，测试的余长与方法一测试的余长一致。 b)松套管长度略大于光纤长度，松套管在余长测试台上受拉后延长，光纤被拉直（如图6）。
因为余长测试台两端的夹具只夹住了松套管外壁，在油膏的作用下，光纤与松套管之间的摩擦系数μ≈0.01。此时夹具外端松弛状态的光纤会向样品段的管内发生相对移动，光纤几乎不发生延伸，测量的光纤长度约等于样品长度，ΔL≈0。
此时无法计算出理论余长，实际测量不能反映出松套管的余长。 c)松套管内光纤长度小于套管自然长度，松套管本身为负余长状态。受到拉力后，松套管被拉直，光纤同时也保持拉直的状态（如图7）。
在这种负余长的状态下，套管被拉直但基本不会发生延伸，松套管实际长度L1大于测量长度。两端夹具只夹住了松套管壁，光纤在套管内部几乎不受拉力，ΔL≈0。
在松套管余长较大，套管内部光纤已经被拉长的情况下，光纤抽出回弹后，才可能出现测试出负余长较大的情况。 五.2种余长测试方法实测数据分析 我们在生产中，通过调整收放线牵引张力，我们生产了3盘不同余长的松套管（φ1.85mm/1.15mm--6芯），每盘松套管取6段样品采用，分别采用2中测试方法来测量余长，其测试结果如下：
从以上图表我们发现，用方法一测试时，我们可以测得正余长和较大的负余长，而用方法二测试时，只能测试出正余长和接近于零的负余长。 六.结束语 在光缆设计过程中，我们需要根据光缆使用拉情况设计合理的松套管光纤余长。在绞合过程中，松套管放线张力和路径上所受的摩擦力会消耗掉部分松套管光纤的余长，在护套工序中PBT受热延伸也会消耗松套管光纤的余长，而PE材料的后收缩又会释放部分松套管光纤余长。为此我们需要在松套管工序生产中设计出合理的松套管光纤余长，为后续工序的生产提供依据铺平道路。 在选用和设计测试方法时，我们应该从自身实际情况出发，以便捷性，真实性，准确性来综合考虑找出更为合理的松套管光纤余长测试方法，为后工序的工艺设定提供有力的数据支撑。 |
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