常葆榮，封 洋，任 亮

（1.大連理工大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024）

本實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谑箤W(xué)生加深對光纖基礎(chǔ)知識、光纖連接及測試?yán)碚摰睦斫?，掌握光纖的熔接技術(shù)、光時(shí)域反射儀（optical time domain reflect meter，OTDR）的操作方法和使用要點(diǎn)，了解菲涅爾反射和瑞利散射的原因及特點(diǎn)，能夠根據(jù)OTDR測試曲線得出事件點(diǎn)位置及其產(chǎn)生原因，提高工程應(yīng)用能力。

1 實(shí)驗(yàn)原理

光波在光纖內(nèi)部傳輸?shù)倪^程中，吸收損耗和散射損耗是光波能量降低的主要原因［1］。吸收損耗主要由于光纖自身材料原因及制作缺陷所致，在探測光沿光纖傳輸時(shí)，存在瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射，探測光的能量也將不斷損耗，同時(shí)在光纖中存在一種背向瑞利散射光，這都是產(chǎn)生散射損耗的原因［2－4］。

OTDR是利用光線在光纖中傳輸時(shí)的瑞利散射和菲涅爾反射所產(chǎn)生的背向散射而制成的用于光纖測試的光電一體化儀表，這種背向瑞利散射技術(shù)主要是通過測定脈沖光波在光纖中傳輸所需要的時(shí)間來對發(fā)生散射損耗部位進(jìn)行定位［5－6］，它被廣泛應(yīng)用于光纜線路的維護(hù)、施工之中，還可進(jìn)行光纖長度、光纖的傳輸衰減、接頭衰減和故障定位等的測量。

OTDR的工作原理［7－8］類似于一個(gè)雷達(dá)。它先對光纖發(fā)出一個(gè)信號，然后觀察從某一點(diǎn)上返回來的信息。整個(gè)過程重復(fù)進(jìn)行，并將測試結(jié)果取平均值以軌跡的形式顯示，這個(gè)軌跡就描繪了在整段光纖內(nèi)信號的強(qiáng)弱［9］。因此，只要通過觀察示波器上的信號圖形，就能對光纖線路中的事件點(diǎn)進(jìn)行迅速定位。

在實(shí)際測量操作中，由于光纖纖芯部位的折射率與空氣間隙部位的折射率不同，會(huì)出現(xiàn)很強(qiáng)的菲涅爾反射，主要出現(xiàn)在被測光纖傳輸線路中相鄰兩端光纖的連接部位、光纖線路的初始部位以及末端部位［10］。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本實(shí)驗(yàn)通過熔接和法蘭連接的方式將不同長度的光纖連接起來，并根據(jù)OTDR來測試線路的事件點(diǎn)位置和損耗特征。主要器材包括光纖、尾纖、剝線鉗、光纖切割器、光纖熔接機(jī)、常規(guī)法蘭及固定衰減法蘭、自主設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)和具有0.1m測距分辨率的AE3 0 0 0型OTDR，如圖1所示。測量前對OTDR進(jìn)行測試設(shè)置及門限設(shè)置，設(shè)置參數(shù)見表1。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物

表1 OTDR測試設(shè)置及門限設(shè)置參數(shù)

2.1 熔接

在實(shí)際工程中，光纖線路往往是通過熔接將不同長度的光纖連接在一起，熔接質(zhì)量直接影響到整個(gè)線路的質(zhì)量。盡管實(shí)驗(yàn)中用到的熔接機(jī)具有全自動(dòng)操作功能，能夠自動(dòng)完成清潔、調(diào)整間隙、調(diào)芯和放電熔接等一系列操作，但為了對比熔接質(zhì)量對線路中光損耗的影響，在實(shí)驗(yàn)中采用手動(dòng)操作方式進(jìn)行熔接。

光纖端面在垂直于纖軸的情況下才能熔接，因此在熔接前需要對光纖端面進(jìn)行切割。光纖端面差、纖芯軸線錯(cuò)位、兩側(cè)光纖間隙大都將影響熔接效果，甚至導(dǎo)致熔接失敗，如圖2所示。使用剝纖鉗剝?nèi)ス饫w保護(hù)層后，光纖周圍殘留的涂覆材料和灰塵未能徹底清潔或切割不當(dāng)將導(dǎo)致光纖端面差；在調(diào)節(jié)左右光纖時(shí)，操作不當(dāng)會(huì)引起軸線錯(cuò)位、間隙大等情況。

圖2 熔接過程中影響熔接效果的情況圖示

將2盤長度分別約為2km和1km的光纖熔接在一起。切割并清潔后，將兩段光纖纖芯微小錯(cuò)位放入光纖熔接機(jī)，使得光纖熔接后產(chǎn)生微彎，如圖2（d）所示，經(jīng)過OTDR測試得到曲線如圖3所示，圖3中事件點(diǎn)①處出現(xiàn)明顯臺(tái)階，光損耗達(dá)到0.773dB，距離為2.083km，經(jīng)過判斷可知此處為光纖熔接點(diǎn)。測試曲線能夠直觀地觀察到熔接質(zhì)量對整個(gè)鏈路中光損耗的影響。為了避免由于熔接失誤而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差甚至實(shí)驗(yàn)失敗，在熔接過程中遇到熔接效果較差的情況時(shí)，應(yīng)當(dāng)重新熔接，直到熔接成功。

圖3 光纖熔接產(chǎn)生微彎后的OTDR測試曲線

2.2 法蘭連接

將2盤長度約為1km的光纖通過不同法蘭連接，經(jīng)過OTDR測試得到的測試曲線如圖4所示。圖中的藍(lán)色、紅色曲線分別為光纖通過常規(guī)法蘭和3dB衰減法蘭連接后的測試所得曲線，兩條曲線在連接處分別產(chǎn)生0.580dB、3.005dB光損耗，測試結(jié)果與實(shí)驗(yàn)預(yù)期相符。并且法蘭接頭處出現(xiàn)反射峰，這是由接頭處連接間隙發(fā)生菲尼爾反射而導(dǎo)致的。通過比較可知，使用衰減法蘭形成的曲線（紅色）在連接處的光損耗及反射峰均明顯大于使用常規(guī)法蘭形成的曲線（藍(lán)色）。

圖4 光纖通過法蘭連接時(shí)的OTDR測試曲線

2.3 彎折

為了控制光纖的彎折方向及彎折程度，實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖5所示。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的固定結(jié)構(gòu)可以確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，并為上部系統(tǒng)提供一個(gè)可以沿水平方向運(yùn)動(dòng)的軌道，當(dāng)系統(tǒng)左右兩部分滑動(dòng)到指定位置時(shí)，可以通過圖5中2號固定螺母進(jìn)行固定。兩塊鋼板通過圖5中7號夾持塊固定，調(diào)節(jié)圖5中3號水平調(diào)節(jié)螺母，在兩塊鋼板間留有一定距離，將2盤長約1km的光纖熔接，然后用膠帶將光纖粘接在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的鋼板上。

圖5 控制光纖彎折方向及彎折程度的實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

調(diào)節(jié)4號水平調(diào)節(jié)螺母，使兩塊鋼板在水平方向上產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，粘貼在鋼板上的光纖發(fā)生橫向彎折，如圖6（a）所示。圖7（a）為2塊鋼板縫隙為3mm、水平錯(cuò)動(dòng)為6mm時(shí)OTDR的測試曲線。調(diào)節(jié)圖5中5號垂直調(diào)節(jié)螺母，使2塊鋼板在豎直方向上產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，粘貼在鋼板上的光纖發(fā)生縱向彎折，如圖6（b）所示。圖7（b）為兩塊鋼板縫隙為3mm、垂直錯(cuò)動(dòng)為3mm時(shí)OTDR的測試曲線。

圖6 光纖彎折示意圖

圖7 光纖通過彎折時(shí)的OTDR測試曲線

傳感光纖發(fā)生彎折時(shí)，光纖核心處傳輸?shù)墓庑盘栂蛑車鷶U(kuò)散，引起背向瑞利散射導(dǎo)致光功率降低，從OTDR的測試曲線上可以看出，光信號在彎折點(diǎn)發(fā)生衰減，曲線出現(xiàn)明顯臺(tái)階，彎折點(diǎn)前后曲線斜率相同。

隨著兩塊鋼板錯(cuò)動(dòng)距離的不斷增大，光纖彎折程度變大，測得的光損耗也隨之增大。實(shí)驗(yàn)中，在鋼板縫隙為3mm、錯(cuò)動(dòng)距離不同的情況下進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn)，通過OTDR得到的數(shù)據(jù)能夠描繪出鋼板錯(cuò)動(dòng)距離與光信號衰減大小的關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 光纖彎折實(shí)驗(yàn)曲線

觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線可以發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)測得的光損耗量都隨著鋼板錯(cuò)動(dòng)距離的增加而增大；兩組實(shí)驗(yàn)中，縱向彎折首次測得光損耗所對應(yīng)的彎折程度較低；在錯(cuò)動(dòng)距離相同的情況下，橫向彎折引起的光損耗量比縱向彎折引起的光損耗量低，并且變化比較緩慢；兩個(gè)方向的錯(cuò)動(dòng)實(shí)驗(yàn)曲線在開始部分和終止部分的光損耗量變化比實(shí)驗(yàn)中間部分緩慢，并且在終止部分都表現(xiàn)出變化變緩的趨勢。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將一盤長度約為1km的光纖，一盤長度約為2 km的光纖熔接后，再通過2dB固定衰減法蘭連接一盤長度約為1km的光纖，將2km光纖中間約1km處粘貼在彎折實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，組成一個(gè)光纖線路，經(jīng)過OTDR測試得到測試曲線如圖9所示。

實(shí)驗(yàn)得到的測試曲線與經(jīng)典曲線［11］相同。圖9中1點(diǎn)位置為熔接節(jié)點(diǎn)，2點(diǎn)為彎折點(diǎn)，兩點(diǎn)均發(fā)生光信號衰減，曲線出現(xiàn)明顯臺(tái)階；3點(diǎn)為法蘭連接點(diǎn)，測試曲線中該點(diǎn)處出現(xiàn)明顯反射峰，并且光信號在峰后出現(xiàn)衰減；4點(diǎn)處為光纖末端。由于光信號通過法蘭連接處時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)烈的菲涅爾反射，并且后向散射衰減很大，但是在光纖末端并沒有出現(xiàn)明顯反射峰，而是直接降到噪聲電平，這是因?yàn)楣庑盘柾ㄟ^法蘭后衰減到較低水平，OTDR將3點(diǎn)處（3km）法蘭連接處誤認(rèn)為是光纖末端，而實(shí)際上4點(diǎn)處（4.5km）附近的小反射峰才是真正的末端反射峰。

圖9 兩盤1km光纖與一盤2km光纖通過熔接和2dB法蘭連接后的OTDR測試曲線

4 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論教學(xué)與具體實(shí)踐相結(jié)合，鞏固理論教學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識進(jìn)行實(shí)際操作能力的重要環(huán)節(jié)［12］。本實(shí)驗(yàn)基于工程實(shí)際中的常用器材，針對熔接、法蘭連接及彎折3種工程狀況通過OTDR進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得到OTDR測試曲線，總結(jié)出3種不同工況下測試曲線的反應(yīng)。通過實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生把理論和實(shí)踐聯(lián)系起來，使學(xué)生更好地理解傳感光纖在實(shí)際應(yīng)用中的工作原理。通過實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生對光纖傳感的興趣和積極性，幫助學(xué)生理解課堂所學(xué)理論知識的實(shí)際含義，提高工程應(yīng)用能力。

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