книги / Методы испытаний и диагностики кабелей и проводов

и специализированные приборы могут быть использованы как легко передвижные приборы. Универсальные частотомеры 4338, 43-39 входят в единый агрегатный комплекс автомати­ зированных систем измерительной техники (ЕАКАСИТ, см. гл. 12). При использовании блоков преобразования частоты ЯЗЧ можно измерять частоты до 70 ГГц. Применение усили­ телей типа ЯЗЧ позволяет измерять сигналы 0,1—500 мВ.

В качестве индикаторов равновесия и измерителей напряжения используют: усилитель с телефоном (низкие частоты), элект­ ронный вольтметр, измерительный приемник [29], указатель уровня. Избирательные указатели уровня целесообразно приме­ нять при наличии помех при измерении переходных затуханий и в качестве индикаторов равновесия в мостовых схемах.

Некоторые измерения характеристик кабелей связи можно производить с применением измерителей разности фаз колеба­ ний (фазометров).

7.7. ИЗМЕРЕНИЕ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЯХ. ИМПУЛЬСНЫЕ ИСПЫТАНИЯ

Если кабель имеет неоднородные параметры по длине (отклонения геометрических размеров, эффективной диэлект­ рической проницаемости комбинированной изоляции), то в ме­ стах появления неоднородностей изменяется волновое сопротив­ ление. Значение отраженного сигнала вычисляется по (7.7)

и равно С/ОХр=С/пА гДе Un напряжение основной (падающей) волны, распространяющейся по кабелю. Отраженная волна движется в обратном направлении и достигает входа в кабель­ ную линию с соответствующим затуханием. Кроме того, при вторичных отражениях от многих неоднородностей искажающее напряжение (шумы) появляется и на дальнем конце линии.

Отражения от многих неоднородностей суммируются на входе линии. Отношение этой суммы к входному сигналу называется входным коэффициентом отражения (ВКО), кото­ рый характеризует степень неоднородности кабельной линии. Значение ВКО является функцией частоты.

Измерение ВКО производится во всем диапазоне передавае­ мых частот, оговариваемых в нормативно-технической докумен­ тации. При этих измерениях в основном выявляются периодичес­ кие неоднородности ВКО, их максимальное значение и частоты.

На рис. 7.24 приведена схема измерения ВКО мостовым методом с применением способа сравнения. Высокочастотный сигнал с генератора качающейся частоты 1 через разветвитель

91

Рис. 7.24. Схема измерений входного коэффициента отражения

моста и выхода 2 поступают на переключающее устройство 5, которое попеременно подключает их к усилителю и ос­ циллографу 6 (экран с послесвечением), где производится

качания 3— 5 с. Волновое сопротивление R должно быть равно волновому сопротивлению кабеля. При отсутствии отраженных сигналов сопротивление на входе кабеля равно сопротивлению R и на выходе моста 3 сигнал отсутствует.

Переключателем измерителя уровня устанавливается размах рефлектограмм на экране осциллографа. Регулированием мага­ зина затухания измерительная линия на экране совмещается с максимальными отклонениями на рефлектограмме на соответ­ ствующих частотах (частота отмечается на горизонтальной развертке на экране). Показание магазина затухания для каждого максимума будет соответствовать значению ВКО в децибелах.

Измерение ВКО мостовым методом (рис. 7.25) может производиться с преобразованием частоты с помощью изме­ рительного комплекта Р4-11. Высокочастотный сигнал от генератора качающейся частоты 1 поступает на измерительный блок 2, где он преобразуется в два сигнала, сдвинутых по

R

Рис. 7.25. Измерение входного коэффициента отражения с преобразованием частоты

92

В рефлектометре выделяются сигналы, пропорциональные напряжениям падающей (опорной) и отраженной (измеритель­ ной) волн. Эти сигналы поступают в измерительный блок на смесители опорного и измерительного каналов, куда от гетеродина блока 2 подается сигнал, сдвинутый по частоте на 100 кГц. После смесителей сигналы с частотой 100 кГц поступа­ ют в делительную схему, где производится измерение соотноше­ ния амплитуд опорного и измерительного сигналов. В остальном порядок измерений остается таким же, как и для схемы рис. 7.24.

Для более детального изучения структуры неоднородностей по длине кабелей применяются импульсные измерения. Рас­ смотрим распространение одиночного импульса напряжения по линии. Импульс распространяется вдоль линии в прямом направлении со скоростью v. Затухание импульса на расстоянии х составляет ал*. При наличии неоднородности коэффициент отражения вычисляется по (7.7). Отраженный импульс рас­ пространяется в обратном направлении ко входу кабельной линии, при этом его затухание также будет равно ах. Если учесть, что коэффициенты затухания а и фазы р зависят от частоты, то форма импульса будет искажаться.

Время прохождения импульса до неоднородности и от­ раженного импульса обратно составляет t=2x/v. Если на экране осциллографа применить развертку напряжением, про­ порциональным времени, то горизонтальную шкалу осцилло­ граммы можно проградуировать в единицах длины, соответ­ ствующих длине по линии х.

Начало отсчета по осциллограмме совпадает с появлением импульса в начале линии от генератора импульсов (л=0). Сигнал от отраженного импульса после усиления также подается на отклоняющие пластины осциллографа. Расстояние от началь­ ного импульса до отраженного импульса на экране пропорцио­ нально расстоянию до места отражения на кабельной линии.

Если на конце кабельной линии имеется несогласованная нагрузка, то появляется заметный отраженный импульс от конца линии. Расстояние до этого импульса будет соответ­

его затухания на кабельной линии. Поэтому импульсная характеристика на осциллограмме только приближенно коли­ чественно соответствует значениям коэффициента отражения (а следовательно, и значениям неоднородностей волнового сопротивления). Она должна быть скорректирована с учетом затухания, которое зависит от расстояния до отражения импульса.

93

Прибор типа УИП-КС имеет измерительные импульсы

значений и ±20 (УИП-КС) и ±10% (Р5-14) от измеряемой величины при измерении внутренних и стыковых неоднород­ ностей волнового сопротивления [25].

Разрешающая способность импульса характеризует мини­ мальную длину на коаксиальной паре, на которой импульс данной длительности может зафиксировать неоднородность.

ных длинах на кабельных заводах, так и на каждом смон­ тированном усилительном участке с обоих концов каждой коаксиальной пары. Во избежание больших погрешностей следует рассматривать только характеристики ближней поло­ вины каждого измеряемого участка линии.

При измерении на усилительном участке на конце линии подключается нагрузочное сопротивление 75 Ом (коаксиальные пары 2,6/9,4 и 1,2/4,6 мм). При измерении на строительной длине на конце линии подключается измерительный контур из резистора и емкости, который настраивается по минималь­ ному отражению от конца строительной длины.

Амплитуда выброса на импульсной характеристике зависит от амплитуды зондирующего импульса, неоднородности, значе­ ния усиления приемного усилителя, расстояния до места повреждения и затухания линии. Количественная оценка неод­ нородности производится с помощью прилагаемых к импульс­ ным приборам графиков, которые учитывают эти факторы.

Импульсные приборы могут быть использованы для опре­ деления места повреждения также в силовых кабелях. Харак­ теристики приборов Р5-5, Р5-8, Р5-8/1, Р5-9 приведены в [29].

ГЛАВА В О С Ь М А Я

ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН И ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ

8.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

Применение оптических волокон (ОВ) и волоконно-оптичес­ ких кабелей (ВОК) привело к необходимости разработки ме­ тодов измерений их характеристик, отличающихся большой спе­ цифичностью. Подробное описание методов измерений и тен-

94

наносится полимерное защитное покрытие с радиусом Ьп. Показатель преломления (ПП) nt в центре сердечника больше, чем в оболочке л2Разность tii—п2 обычно составляет

и градиентные (СВГ)— с плавным изменением ПП сердечника

+«г)/2.

Если неравенство (8.3) не удовлетворяется, то по оптическо­ му волноводу могут распространяться волны высших поряд­ ков, называемых «модами». Чем сильнее неравенство

(а/\)п1У/ А > 0,3, тем большее количество мод может распрост­ раняться по ОВ. При диаметре сердечника 50— 125 мкм и длине волны излучения 0,8— 1,3 мкм осуществляется многомодовый режим передачи по ОВ. Диаметр по сердцевине одномодовых световодов составляет примерно 5—7 мкм. В настоящее время наибольшее применение находят многомодовые системы пере­ дачи, одномодовые же системы перспективны для дальней связи.

Для наглядности распространение мод по световодам иллюстрируют методами геометрической оптики. На рис. 8.2, а

95

Л l /72

П1

Рис. 8.2. Пути световых лучей в оптических волокнах

и б показано распространение мод в ступенчатом и градиент­ ном световодах. По ОВ распространяются лучи, претерпева­ ющие полное внутреннее отражение на границе между сердечни­ ком и оболочкой. Если угол и между осью световода и направлением луча будет больше предельного угла опр полного внутреннего отражения, то такие лучи покидают световод через оболочку. Параметр, определяемый телесным углом, в котором лучи могут проникать в световод через его торец, называют локальной числовой апертурой:

Вградиентном световоде NA(r) является функцией радиуса

всердечнике. Максимальное значение NA(r) в центре сердеч­ ника называется числовой апертурой ОВ:

При полном внутреннем отражении лучи проникают на небольшую глубину и в оболочку.

Передача информации модулированным сигналом определя­ ется групповой скоростью электромагнитных волн. Фазовая и групповая скорость распространения электромагнитных волн

96

в волноводах зависит от типа распространяющейся волны. Поэтому различные моды передаваемого излучения распрост­ раняются по ОВ с различной скоростью. В представлениях геометрической оптики длина луча, имеющего больший угол и, будет больше и модулированный сигнал, передаваемый с помощью этого луча, будет иметь большее время задержки на дальнем конце световода. При смешивании всех мод в приемном устройстве форма передаваемого сигнала во времени претерпит изменение (сигнал будет искажаться). На­ пример, если передается короткий импульс излучения, то на дальнем конце световода ширина импульса увеличится. Эти искажения пропорциональны длине световода.

Модуляция информирующими сигналами обусловливает определенную ширину спектра передаваемого излучения. Раз­ личная групповая скорость при разных частотах приводит к искажению сигналов. Поэтому для ОВ важна ширина полосы пропускания многомодовых сигналов.

Групповая скорость волн различается также вследствие зависимости показателя преломления самого материала сер­ дечника от длины волны излучения (хроматическая дисперсия). Кроме того, при использовании некогерентных источников излучения последние имеют собственную ширину частот излуче­ ния, что также приводит к общему снижению широкополюсности световода.

Скорость распространения лучей уменьшается с увеличением показателя преломления. В световоде с градиентным ПП лучи распространяются по спиральным траекториям. При удалении от оси сердечника показатель преломления уменьшается. При этом лучи, проходящие вдали от оси, проигрывают в расстоянии, но выигрывают в скорости по сравнению с лучами, проходящи­ ми вблизи оси световода. Это уменьшает модовую дисперсию и увеличивает ширину пропускания частот по сравнению с СВС. Наибольшей широкополосностью обладают одномодовые ОВ.

При передаче электромагнитных волн по световодам проис­ ходит снижение мощности сигнала, которое характеризуется

в материале световода и рассеянием на неоднородностях. Вследствие ряда причин в материале световода наблюдаются флюктуации оптической плотности с небольшими размерами, по сравнению с длиной волны. Это вызывает рассеяние света

и появление обратных рассеянных волн в световоде, что

В реальных световодах по длине световодов имеются неоднородности. К ним относятся колебания диаметра серд­ цевины, механические воздействия на световод на отдельных участках, микроизгибы и изгибы световода в оптических кабелях, стыки строительных длин. Наличие неоднородностей приводит к перераспределению энергии между модами, появ­ лению таких мод, которые рассеиваются через оболочку ОВ и увеличению затухания, а также дополнительному искажению сигналов. Эти проявления тесно связаны между собой.

По мере обмена энергией между модами вдоль световода наступает равновесный модовый режим (РММ), для которого

Если источник света не соответствует РММ, то на началь­ ном участке световода коэффициент затухания изменяется. В наиболее регулярных световодах длина начального участка до установления РММ достигает 1— 10км. При наличии изгибов ОВ РММ наступает раньше. На этом основана конструкция смесителя мод. Он представляет собой отрезок

При больших радиусах изгиба R затухание, определяемое изгибами, уменьшается пропорционально exp (—R /R min). При измерениях затухания следует располагать ОВ так, чтобы радиус его изгиба был много больше Rmin. Обычно достаточно, чтобы 7?>10см.

В системе передачи по ВОК дополнительное затухание возникает также на стыках между строительными длинами ОВ при вводе энергии в световод. Для передачи энергии на стыках ОВ большое значение имеет качество их выполнения, особенно перпендикулярность плоскости торца оси световода, параллельность плоскостей торцов, соосность стыка сердеч­ ников. При этом существенное влияние оказывает также отклонение сечения сердечника от идеального круга (некруглость) и несовпадение осей сердечника и оболочки (несоосность). Некруглость и несоосность приводят к потерям энергии даже при идеальной стыковке по внешним диаметрам оболочек.

98

8.2.КЛАССИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ.

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Термины и определения для компонентов волоконно-оп­ тических систем рекомендованы в ГОСТ 26599-85. Некоторые определения, необходимые для понимания методов измерений, приведены ниже:

Сердцевина— центральная поверхность ОВ, имеющая боль­ ший ПП, чем окружающая оболочка ОВ, и определяющая совместно с нею структуру распространяющегося оптического излучения.

Примечание— область сердцевины, определяется заданной частью разности между максимальным значением ПП и значе­ нием ПП оболочки ОВ.

Оболочка ОВ — внешняя поверхность ОВ, имеющая посто­ янное значение ПП по поперечному сечению и определяющая совместно с сердцевиной структуру поля распространяющегося оптического излучения.

Опорная поверхность ОВ — внешняя поверхность оболочки ОВ или защитного покрытия ОВ, служащая для юстировки при операциях оптического соединения.

Защитное покрытие ОВ — покрытие, наносимое на оболочку ОВ с целью его защиты от внешних воздействий.

Центр сердцевины (оболочки, защитного покрытия) ОВ —

центр окружности наименьшего диаметра на поперечном сечении ОВ, внутри которой может быть полностью заключено поперечное сечение сердцевины (оболочки, защитного по­ крытия).

Диаметр сердцевины Dc (оболочки, защитного покрытия) ОВ — диаметр окружности, определяющий центр сердцевины (оболочки, защитного покрытия) на поперечном сечении ОВ.

Кроме того, по рекомендациям других документов вводятся понятия:

Максимальный Dmax и минимальный Dmin диаметры оболоч­ ки— длины двух хорд, проходящих через центр оболочки и соединяющих максимально удаленные и максимально при­

Cc o6=X/D c, причем X — расстояние между центром сердцевины и центром оболочки.

Опорная поверхность (оболочки) — почти цилиндрическая внешняя поверхность ОВ, служащая опорой для сращивания волокна.

Определение центра, диаметра и других показателей опор­ ной поверхности— аналогичны определениям для оболочки.

99