Page 33 - 网络电信2016第13期

温差对带骨架光纤环损耗的影响及解决方案

车浩召 丁亚茜 王小音 柳吉铭 宋承盈 郭葆玲 王锐
中国电子科技集团公司第二十三研究所

研究了环境温度变化（温差）对带
骨架（绕纤盘）光纤环损耗的影响。
通过建立绕纤盘和光纤环的三维模型
和有限元模型，仿真计算了温差对带
骨架光纤环应变的影响，得到了环境
温差越大，绕纤盘形变越大，光纤环
损耗也越大的结论。

引言 触的流体之间，因温差的存在引起的热量交换。热对流可以分
为自然对流和强制对流两类。热辐射是指物体具有温度而发射
光纤环在光传输、光纤陀螺、光延时、光传感、非线性效 电磁能，并被其它物体吸收转变为热量进行交换，通常物体温
应积累等方面有着广泛的应用，但光纤环损耗的存在限制了其 度越高，单位时间辐射的热量越多。由于光纤环在工作时温度
在各种场合下的应用性。光纤环损耗主要由固有损耗和附加损 已稳定，此时绕纤盘和光纤环之间没有温度梯度，两者之间不
耗两部分组成，其中固有损耗部分很难将其消除，而对那些因 存在热传导，而热辐射在光纤环传热过程中所占比例较小，可
设计、制作、使用过程中存在的某些不合理因素引起的附加损 忽略不计，故实际仿真时主要考虑光纤环在环境中的热对流换
耗部分，则可通过合理的设计、精心的制作、规范的使用加以 热。带骨架光纤环简化后的物理模型如图１所示。
控制。本文针对环境温度变化（温差）造成带骨架（绕纤盘）
光纤环中绕纤盘和光纤相互挤压，增大光纤环的应力应变，致 图1 带骨架光纤环简化后的物理模型
使光纤环损耗增加，影响光纤环的使用性能的问题展开了深入
的讨论，以期提供有效的解决方案。

仿真分析 利用有限元法仿真软件自带的网格划分功能，以带曲率
的网格划分方式对带骨架光纤环简化后的物理模型进行网格划
由于绕纤盘和光纤本身材质的线膨胀系数存在差异，因此 分。网格划分时严格控制每个单元网格的大小，设定网格最大
带骨架光纤环的使用环境温度和制作环境温度不同时，绕纤盘 边界为３mm ，最小边界为0.5mm，单元大小增长比率设为1.5，
和光纤会产生不同的形变，从而导致两者之间相互挤压，增加 最后共计划分为6777个单元，共含17988个自由度，最终带骨架
光纤环的形变，致使光纤环损耗增加。为了能给光纤环实际使 光纤环的有限元模型如图2所示。
用时提供一定的参考，通过有限元法仿真软件对不同温差作用
下带骨架光纤环的形变进行了仿真分析和比较。 2.仿真结果分析
基于以上带骨架光纤环的有限元模型，仿真时定义模型和
1.建模 环境的初始温度为２０℃，并假设环境温度为２０℃时绕纤盘
为了简化计算过程，缩短计算时间，在带骨架光纤环物
理模型仿真建模时对其实际复杂的物理场景进行了如下简化处
理：
ａ.忽略绕纤盘中各类细小复杂的结构，包括倒圆、倒
角、螺钉连接处。ｂ．假设绕纤盘和光纤材料为单一均匀理想
材料，绕纤盘为理想6063铝合金，光纤为均匀二氧化硅。ｃ．
假设光纤单层单圈缠绕。ｄ．忽略热辐射的影响。在自然环境
中的热传导方式主要有热传导、热对流、热辐射三种。热传导
是指完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间因温
度梯度而引起的内能交换。热对流是指固体的表面与它周围接

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