Исследование параметров оптоволоконного тракта

> -6.0

Относительная нестабильность за 15 мин, дБ

± 0.07

Относительная нестабильность за 8 часов, дБ

0.25

Режимы работы

CW, 270 Гц, 2кГц, CW*

Измеритель мощности

Диапазон, дБм

-85 … +6

Погрешность измерения, дБ

0.3

Разрешение, дБ

0.01

Длины волн калибровки, нм

850, 1310, 1490, 1550, 1625

Единицы измерения

дБм, мВт, мкВт, нВт, дБ

Общие характеристики

Размер (Ш x В x Г), мм

80 x 50 x 140

Вес, кг

0.4

Рабочая температура, ^оC (влажность, %)

-10 … +40, (95)

Питание

NiMH-аккумулятор

Время работы, ч

20

- одномодовый волоконно-оптический кабель ОКЛ-01-8-8-10/125-0,36/0,22-3,5/18-2,7



Рис. 31 Кабель оптический типа ОКЛ

1 - Оптические волокна свободно уложены в полимерных трубках, заполненных тиксотропным гелем по всей длине;

2 - Центральный силовой элемент (ЦСЭ), диэлектрический стеклопластиковый пруток (стальной трос в ПЭ оболочке), вокруг которого скручены оптические модули;

3 - Кордели (при необходимости) - сплошные ПЭ стержни для устойчивости конструкции;

4 - Поясная изоляция - в виде лавсановой ленты, наложенной поверх скрутки;

5 - Гидрофобный гель - заполняющий пустоты скрутки по всей длине;

6 - Повив силовых элементов (при необходимости) в виде арамидных нитей;

7 - Наружная оболочка выполнена из композиции ПЭ высокой плотности, светостабилизированного, стойкого к УФ-излучению.

Назначение и техническое описание

Кабель связи оптический типа ОКЛ (далее - кабель), ТУ 35S7-001-43925010-98 предназначен для прокладки в специальных трубах, внутри зданий и сооружений.

Кабель имеет оптический сердечник модульной конструкции, состоящий из центрального силового элемента в виде стеклопластикового прутка или стального троса в полиэтиленовой оболочке, вокруг которого расположены модульные трубки (модули могут заменяться корделями) с оптическими волокнами (рис. 31).

Тип волокна SMF-28e (Corning), Рек. ITU-T G.652.C/D (полная функциональная замена стандартному волокну G.652A|B + окно прозрачности 1400 нм).

Внутримодульное пространство заполнено гидрофобным компаундом. Межмодульное пространство заполнено гидрофобным компаундом или сухими водоблокирующими элементами по всей длине.

Для дополнительной защиты от влаги поверх оптического сердечника накладывается

вдоль оси кабеля с перекрытием лавсановая лента или алюминиевая лента с полимерным покрытием.

Для увеличения стойкости к растаивающим усилиям поверх оптического сердечника

накладывается слой нитей с высоким модулем упругости.

Наружная оболочка кабеля выполнена из светостабилизированного полиэтилена высокой плотности.

2.1.1 Выбор структуры лабораторной установки

Согласно перечню видов измерений, производимых при проектировании, приемке, вводе в эксплуатацию, техническом обслуживании в процессе эксплуатации и восстановлении работоспособности волоконно-оптических линий передачи, указанных в РД 45.047-99, РД 45.190-2001 и имеющихся в наличии измерительных приборов и волоконно-оптического кабеля, определена структура и разработана принципиальная схема лабораторного стенда (рис. 32).



Рис. 32. Схема оптическая принципиальная лабораторного стенда.

Разработанная принципиальная схема предполагает использование двух оптических кроссов и позволяет проводить измерения:

- длины ОВ;

- километрического затухания ОВ на разных длинах волн (1310 нм, 1550 нм);

- оптических потерь на сварных соединениях;

- оптических потерь на разъемных соединениях (FC, SC, LC);

- общее оптическое затухание (включающее в себя нормальное затухание в волокне, затухание на соединительных разъемах, затухание на сварных соединях). Сделав оптическими шнурами (патчкордами) несколько соединений на оптических кроссах, так чтобы соединить оптические волокна кабеля последовательно, можно имитировать ВОЛС с различными неоднородностями;

- расстояния до неоднородностей (или между ними), их характер (сварные или разъемные соединения);

- коэффициентов отражения разъемных и сварных соединений.

2.1.2 Измерения длины, расстояний в ВОЛС

Наиболее универсальным и информативным методом измерений параметров ОВ, ОК и ВОЛС является метод обратного рассеяния (МОР), с помощью оптического рефлектометра.

Метод обратного рассеяния обладает весьма ценными для практики возможностями:

- определение по одной рефлектограмме одновременно целого ряда основных параметров ВОЛС;

- проведение измерений при одностороннем доступе к ВОЛС;

- измерение не только общего затухания, но и распределения потерь вдоль ВОЛС.

Расстояние от прибора до локальной неоднородности (сварное или механическое соединение, конец трассы) можно измерить, подведя курсор в нужное место на рефлектограмме.

Расстояние L определяется по рефлектограмме (рис. 33), на которой с помощью одного или чаще двух курсоров отмечаются характерные точки, между которыми необходимо найти расстояние по выражению

(62)

где t - интервал времени между точками на рефлектограмме; c - скорость света в вакууме;

n₁ - эквивалентный показатель преломления оптического кабеля.



Рис. 33 Вид рефлектограммы и результатов измерения на экране рефлектометра.

Таким образом, для определения расстояния L необходимо точно измерить интервал времени t и задать эквивалентный показатель преломления n₁ оптического кабеля. Современная электроника позволяет достаточно точно измерять временные интервалы.

На практике при определении расстояния до места повреждения (обрыва) оптовлоконного кабеля, возникают трудности при задании эквивалентного показателя преломления n₁, поскольку этот показатель зависит не только от параметров ОВ, но и от скрутки ОВ в оптическом кабеле. При определении расстояния по реальной трассе ОК возникают дополнительные трудности из-за горизонтальных и вертикальных изгибов подземного кабеля в траншее, провисании подвесного ОК и т. п. Усложняет точное определение расстояния также наличие технологического запаса ОК в каждой муфте. 3.1.3 Измерения километрического затухания ОК, суммарных потерь, анализ неоднородностей (разъемных и неразъемных соединений).

Измерения параметров линии с помощью OTDR обычно выполняются в автоматическом режиме, что позволяет выполнить измерения наиболее быстрым и удобным способом, и обеспечивает получение всех необходимых данных. Однако для интерпретации событий, наблюдаемых на рефлектограмме, и многочисленных данных, выводимых на дисплей, необходимо иметь представление об основных методиках измерений и алгоритмах обработки рефлектограмм.

Так, например, потери в волокнах находятся не прямым методом (по изменению прошедшей мощности), а косвенным способом по изменению рассеянной в волокне мощности света. Из-за нерегулярности коэффициента релеевского рассеяния света в волокне такой косвенный способ измерения потерь приводит к появлению систематической погрешности. Для того, чтобы устранить эту погрешность, приходится измерять рефлектограммы с обеих сторон волокна.

Контроль величины потерь в строительных длинах оптических кабелей и в сварных соединениях волокон важен не только для минимизации полных потерь в линии, но ещё и потому, что он позволяет, хотя и косвенно, судить о надежности линии. Потери могут превысить заданное значение на каком-нибудь участке линии, чаще всего, из-за избыточного натяжения волокон в кабеле, наличия дефекта в сварном соединении волокон или сильного изгиба волокон в муфте. Все такие участки должны быть выявлены и исправлены ещё на стадии монтажа линии.

Рис. 34 Анализ участка ОТ

Выбор точек, между которыми определяется затухание (рис. 34), осуществляется с помощью двух курсоров, перемещаемых оператором по экрану дисплея. В современных ОР расстояние между курсорами, разность уровней и средний коэффициент затухания между этими точками СОР (сигнала обратного рассеяния) постоянно отображается на дисплее. Если точки 1 и 2 лежат на однородном участке ОВ, то средний коэффициент затухания соответствует коэффициенту затухания ОВ на этом участке.

Рис. 34 Анализ участка ОТ

При измерении параметров неоднородностей на лабораторном стенде может быть несколько вариантов схем, один из которых показан на рис. 35. Таким образом, на рефлектограмме будет виден участок ВОЛС с двумя сварными соединениями и четырьмя разъемным соединением. При этом разъемные соединения будут выполнены на трех типах коннекторов (FC, SC, LC), параметры которых можно будет сравнить.

Рис. 35 Схема измерения параметров неоднородностей на лабораторном стенде

Типичная рефлектограмма СОР для ВТ приведена на рис. 36. На ней можно выделить однородные участки 2 ВТ (без неоднородностей) с постоянным коэффициентом затухания, a на которых СОР после логарифмирования выглядит, как прямая линия, наклон которой определяет коэффициент затухания. Наряду с линейным изменением уровня СОР на рефлектограмме имеются особенности, обусловленные различными неоднородностями. Начальный выброс сигнала 1 вызван френелевским отражением от входного торца исследуемого ВС. Как правило, он вводит ФПУ в насыщение, а время выхода из него определяет важный параметр ОР - мертвую зону, т.е. расстояние D lм, на котором невозможно обнаружить неоднородности и измерить коэффициент затухания. Выброс сигнала с перепадом затухания 4 возникает при наличии в тракте разъемного соединителя, а также при наличии в волокне маленьких включений инородных примесей или пузырьков воздуха. Такие отражения характеризуются возвратными потерями, которые могут быть рассчитаны по выражению

а_в = -10 . lgR (63)

где R - коэффициент отражения.

Рис. 36 Сигнал обратного рассеяния

Неразъемные соединения (сварные, клеевые и механические сростки волокон), в которых обычно отсутствуют отражения, отображаются на рефлектограмме ступенькой 3. Конец ВТ или его обрыв определяется по отраженному от заднего торца импульсу 5 и следующему за ним участку 6 с резкими случайными перепадами уровня регистрируемого сигнала, обусловленных шумами ФПУ.

При измерениях неоднородного участка ВОЛС возникает методическая погрешность, которая обусловлена тем, что абсолютный уровень СОР зависит от таких параметров ВС, как коэффициент рассеяния, числовая апертура, диаметр модового поля и т.п. Например, если точки, между которыми измеряется затухание, принадлежат разным ВС с отличающимися параметрами, то при измерении затухания возникает методическая погрешность, которую можно исключить, проведя измерения с двух концов ВТ и усреднив результат измерения.

(64)

где ?₁₂ и ?₂₁ - значения потерь, рассчитанные по рефлектограммам, измеренным во встречных направлениях.

После измерения трассы рефлектометр AQ7270 выполняет поиск локальных неоднородностей (по команде пользователя или автоматически), измеряет вносимые потери, обратное отражение. Результаты измерения выводятся в таблице (рис. 37). Пользователь может редактировать таблицу неоднородностей - добавить или удалить событие (неоднородность) в список, перемещать метку неоднородности, фиксировать событие, подстраивать некоторые значения.



Таблица событий (неоднородностей)

Начало участка поиска неоднородностей (S)

Неоднородность № 1

Неоднородность № 2 Конец трассы (Е)

Рис. 37 Поиск неоднородностей (таблица неоднородностей и рефлектограмма)

В таблице событий представлена информация:

- Номер неоднородности

Номер неоднородности выводится на рефлектограмме рядом с локальной неоднородностью. Неоднородности нумеруются слева на право, начиная с первой неоднородности после начала трассы (точки S). Повреждения (неоднородности выходящие за установленные пользователем пороговые значения) в таблице неоднородностей будут обозначены звездочкой и выделены цветом.

- Расстояние (км)

Расстояние от начала трассы (точка S) до неоднородности выводятся во вторую колонку таблицы неоднородностей. При изменении положения начала отсчета по расстоянию, будет отображаться расстояние от новой точки начала отсчета до неоднородности. Более подробная информация приведена в разделе

- Потери (dB)

Выводятся вносимые потери на этой неоднородности. Если включен режим предупреждения о повреждениях и величина вносимых потерь на этой локальной неоднородности превышает порог, то величина вносимых потерь будет выделена красным цветом в таблице неоднородностей.

- Отражение (dB)

Выводятся величина обратного отражения на этой неоднородности. Если включен режим предупреждения о повреждениях и величина обратного отражения на этой локальной неоднородности меньше порога, то величина обратного отражения будет выделена красным цветом в таблице неоднородностей.

- Суммарные потери (Потери сумм)

Отображаются общие потери от точки S до данной неоднородности.

- Километрическое затухание (dB/km)

Отображается километрическое затухание между неоднородностями.

- Тип неоднородности

Рефлектометр различает три типа неоднородностей:

- сварное соединение (ступенька вниз)

- сварное соединение (ступенька вверх)

- отражение от неоднородности (разъемное соединение)

- Показатель преломления участка трассы (IOR)

Групповой показатель преломления на участке рефлектограммы между неоднородностями.

Автоматический режим позволяет анализировать рефлектограммы наиболее быстрым и удобным способом, но в автоматическом режиме удается обнаружить не все сростки волокон, так как вызванное ими изменение сигнала может быть недостаточным для того, чтобы пересечь некий пороговый уровень. Выбор величины этого порогового уровня всегда является определенным компромиссом. Так, с одной стороны, для того, чтобы зарегистрировать сростки волокон с малыми потерями, пороговый уровень должен быть мал. А с другой стороны, этот пороговый уровень должен быть достаточно большим для того, чтобы шумовые всплески сигнала не были приняты за сростки волокон.

Поиск пропущенных сростков волокон и устранение ложных сигналов удобнее всего проводить полуавтоматическом режиме. В этом режиме можно просмотреть в увеличенном масштабе места соединений строительных длин оптических кабелей (где собственно и должны находится сростки волокон). При этом можно изменить величину порогового уровня и измерить потери тех сростках волокон, которые не были зарегистрированы в автоматическом режиме, и выставить на них маркеры.

Для правильного определения потерь в соединениях (вносимого стыками затухания) измерения также следует проводить с обоих концов ВОЛС. По рефлектограмме, зарегистрированной с одного конца ВОЛС, потери можно определить методом трех курсоров или методом наименьших квадратов. На рис. 38 показана типичная рефлектограмма для разъемного соединения ОВ.

Для курсоров 1, 2 и 3 фиксируют соответствующие уровни сигналов Y₁, Y₂, Y₃ и расстояния l₁, l₂, l₃. За потери в соединении принимается разность уровней Y_А = Y₁ и Y_В.

Рис. 38 Измерение вносимых потерь в соединении методом трех курсоров

Точка А находится в точке начала стыка на расстоянии l₁, а точка В находится на пересечении курсора 1 с прямой, аппроксимирующей сигнал обратного рассеяния на участке ВТ после соединения. Аппроксимация производится по двум точкам, определяемым курсорами 2 и 3. Курсор 2 следует располагать непосредственно после стыка, в точке, которая лежит на линейном участке сигнала обратного рассеяния. Курсор 3 должен лежать, как можно дальше от стыка, но на линейном участке сигнала обратного рассеяния. Тогда для вносимых потерь в разъемных и неразъемных соединениях будет справедливо:

(65)

Измерение потерь на двух длинах волн.

Потери линии передачи обычно измеряют на той длине волны, на которой осуществляется передача трафика (в магистральных линиях на ? = 1550 нм, а в городских линиях на ? = 1310 нм). Но если в линии обнаружены избыточные потери, то измерения проводят на обеих этих длинах волн. Измерения на двух длинах волн позволяют выявить наличие сильных изгибов волокон - одного из основных механизмов приводящих к появлению избыточных потерь.

В этом методе используется тот факт, что потери, вносимые при изгибе SM волокна, значительно сильнее зависят от длины волны (рис. 39, 40), чем потери вызванные другими механизмами, такими как релеевское рассеяние, смещение сердцевин волокон, флуктуации модового пятна и т.д. Так, например, если потери, вносимые при намотке волокна на оправку диаметром 30 мм на ? = 1310 нм составляют всего лишь 0.03 дБ, то на ? = 1550 нм они уже существенно больше (~0.6 дБ).



Рис. 39 Потери, вносимые при изгибе SM волокон

Рис. 40 Рефлектограммы, измеренные на длинах волн 1310 нм и 1550 нм

Чаще всего сильные изгибы волокон возникают при укладке сростков волокон в муфты и оптических шнуров в распределительные шкафы. При этом сильно изогнутый участок волокна находится обычно близко к месту соединения волокон. В этом случае пространственного разрешения рефлетометра обычно бывает недостаточно для того, чтобы определить, из-за чего возникли избыточные потери - из-за плохого соединения волокон или их сильных изгибов.

Наличие сильно изогнутого участка волокна можно выявить, проведя измерения на двух длинах волн. Сделать это важно из чисто практических соображений. Так, например, если будет выявлено, что избыточные потери возникли из-за изгиба волокон, то не надо будет переделывать места соединений волокон, что требует определенных временных и финансовых затрат. В этом случае достаточно более аккуратно уложить волокна в муфту.

2.1.4 Измерение потерь с помощью оптического тестера

Существуют два метода измерения потерь в оптических волокнах с помощью оптических тестеров которые, в соответствии с Рекомендацией ITU-T G. 651 и G. 652, принято считать эталонными - метод облома волокна и метод вносимых потерь.

В методе облома волокна измеряется мощность Р1 (в дБм), прошедшая через все волокно. Затем волокно обламывается на расстоянии около двух метров от места ввода излучения (рис. 41) и измеряется мощность Р2 (в дБм), прошедшая через оставшийся короткий участок волокна. Величина потерь в волокне ? определяется как разность

?(дБ) = Р1(дБм) - Р2(дБм).

Рис. 41 Схема измерения потерь в волокне методом облома волокна.

Метод облома волокна обеспечивает наивысшую точность, так как в нем доля мощности, введенная в волокно, остается неизменной. Его недостаток в том, что нарушается целостность волокна и его нельзя использовать в процессе монтажа линии передачи.

Поэтому более распространенным является метод вносимых потерь (рис. 42). В этом методе вначале измеряется величина опорной мощности Р1 (в дБм). Затем между измерителем оптической мощности и источником оптического излучения вставляется тестируемое волокно или линия передачи и измеряется величина прошедшей мощности Р2 (в дБм). Величина потерь ? определяется как разность ? (дБ) = Р1(дБм) - Р2(дБм)

Рис. 42 Схема измерения потерь вносимых оптическим волокном

Схема измерения вносимых потерь на лабораторном стенде с помощью оптического тестера показана на рис. 43 и рис.44.

Рис. 43 Измерение опорного уровня источника оптического сигнала

Установка опорного значения используется при измерении затухания волоконно-оптических линий. Опорное значение устанавливается отдельно для каждой длины волны. Разъем Р.1 измерителя соединяется с разъемом Р.2 источника оптического сигнала, уровень которого в дальнейшем должен служить точкой отсчета, с помощью 2-х патчкордов и проходной розетки. Измеритель автоматически запоминает текущее показание оптического излучения и переходит в режим вывода значения в единицах относительной логарифмической шкалы («dB»), используя новое значение опорного уровня для преобразования результата измерения.

Рис. 44 Измерение затухания собранной схемы методом вносимых потерь

Метод вносимых потерь используется при измерении полных потерь в линии передачи. Из-за того, что концы линии разнесены обычно на большое расстояние, при таких измерениях надо проводить дополнительную калибровку лазерного и фотоприемного модуля (рис. 45).

Рис. 45 Калибровка оптических тестеров и измерение потерь в ВОЛС

Фотоприемный блок оптического тестера, в пункте А, используется для измерения опорного значения мощности излучения лазерного блока, а фотоприемный модуль оптического тестера, в пункте Б - для измерения мощности излучения, прошедшей через линию связи.

Вначале оператор, находящийся в пункте А, соединив вход и выход оптического тестера оптическим шнуром, измеряет величину опорного сигнала. Затем он отсоединяет разъём шнура от розетки фотоприемного блока и подсоединяет его к разъёму на входе в линию. Оператор, находящийся в пункте Б, подключает с помощью оптического шнура свой оптический тестер к выходу линии и измеряет величину сигнала. Затем с помощью оптического телефона (или каким-либо другим способом) он сообщает результат измерений оператору, находящемуся в пункте А. Величина потерь (с учетом разности показаний фотоприемных блоков полученных в процессе их сверки) рассчитывается по формуле:

? (дБ) = опорный сигнал в дБм - сигнал в дБм

При такой схеме измерений погрешность возникает по следующим причинам:

* нестабильность источника излучения

* нелинейность шкалы мультиметра

* разная чувствительность фотоприемных блоков на разных концах линии

* отклонения величины потерь в разъёмах от их номинального значения

Кратковременная нестабильность лазерного блока не превышает цену деления его шкалы (0.01 дБ). Стабильность светодиодного блока выше, чем у лазерного, однако при его использовании величина потерь в волокне оказывается завышенной примерно на 5 % из-за относительно широкой полосы излучения светодиода (50...100нм). Нелинейность оптического тестера в диапазоне от 0 до 30 дБ также не превышает его цены деления. Погрешность, возникающая из-за разной чувствительности фотоприемных блоков, устраняется путем сверки их показаний до начала измерений потерь в линии и после их окончания. Наибольшая же погрешность возникает из-за того, что не известна точно величина потерь в разъемах.

Как известно, при соединении разъёмов «любого с любым» величина потерь в месте соединения разъёмов может отличаться от их номинального значения на величину порядка среднего значения этих потерь (~ 0.2 дБ). Эта неопределенность величины потерь в разъёмах и даст основной вклад в результирующую погрешность, возникающую при измерении полных потерь в линии.

Хотя потери в одномодовом волокне не зависят от направления распространения света, принято проводить измерения потерь в линии в обоих направлениях. Таким образом, удается исключить некоторые систематические погрешности. Например, если по ошибке к одномодовому волокну (в оптическом кабеле) был приварен пигтейл из многомодового волокна. Тогда потери в линии будут зависеть от направления распространения света (т.е. различаться больше чем погрешность измерений), так как коэффициент передачи со стороны одномодового волокна больше, чем со стороны многомодового волокна. Или, например, усреднив результаты измерений потерь во встречных направлениях, можно исключить систематическую ошибку, возникающую из-за разной чувствительности фотоприемных блоков мультиметров, размещенных на разных концах линии.

2.2 Анализ технических требований

Разработанный лабораторный стенд предназначен для использования в образовательном процессе при изучении методов измерения параметров оптоволоконного тракта, а так же получения студентами практических навыков в работе с измерительной аппаратурой и оборудованием ВОЛС.

Оборудование и эксплуатация лабораторного стенда должны удовлетворять требованиям нормативных документов - ГОСТ 12.0.001-82 (основные положения системы стандартов безопасности труда), ГОСТ 12.1.040-83 (лазерная безопасность), ГОСТ Р МЭК 61140-2000 (электробезопасность). При этом, особое внимание уделяется вопросам безопасного применения оборудования с источниками лазерного излучения, вопросам обеспечения требуемой электробезопасности, освещенности и т.д. Решение этих задач обеспечивается разработкой мер защиты от наиболее вредных и опасных факторов, правильным размещением оборудования, обеспечением требуемой освещенности, использованием заземления, выбором правильных режимов работы.

Лабораторный стенд представляет собой рабочее место для одного или двух учащихся, непосредственно выполняющих все подключения и измерения, согласно методическим указаниям к лабораторным работам.

Измерительные приборы, необходимые для процесса измерения в лабораторных работах, имеют источники лазерного излучения, непосредственное наблюдение которых глазом опасно для зрения, и относятся к классу 3В с точки зрения опасности лазерного излучения для пользователей. Поэтому необходимо чтобы методические указания к лабораторным работам содержали предупреждения и инструкции по безопасному выполнению измерений. При размещении оборудования на стенде следует расположить его так, чтобы исключить (минимизировать до неопасного уровня) вероятность воздействия на органы зрения лазерного излучения, как прямого, так и зеркально- или диффузно-отраженного.

ОР относится к приборам с классом защиты от поражения электрическим током III, безопасность которого определяется качеством и степенью защиты блока питания.

Питание ОР осуществляется от встроенного аккумулятора и от отдельного блока питания ~220В/±12В, входящего в комплект прибора. Вилка подключения блока питания к сети ~220В содержит контакт, который служит в качестве второй, защитной, нейтрали для создания тока утечки на землю, чтобы сработали предохранители или автоматы при замыкании токоведущих частей на корпус - стандарт CEE 7/7 (Французско-Немецкий 16 А/250 В, с заземлением), согласно ГОСТ 7396.1-89 -- тип С4. Также фильтры защиты от электромагнитных помех и бросков напряжения сбрасывают нежелательные электрические и статические заряды через заземляющий провод. Поэтому розетку необходимо подключить как к фазному, нулевому проводам питания, так и к защитному занулению (заземлению).

Оптический тестер ??П?З-7315-? не имеет высоковольтных цепей, питается от встроенного аккумулятора, заряжаемого вне прибора, относится к приборам со степенью защиты от поражения электрическим током класса III.

2.3 Определение необходимого перечня оборудования

Материалы и компоненты, используемые при конструировании лабораторного стенда, должны выбираться и размещаться так, чтобы обеспечить надежную работу и безопасную эксплуатацию. Компоненты должны выбираться так, чтобы они использовались в режимах, рекомендованных изготовителями, и не создавали опасностей в аварийных ситуациях. Окружающие условия использования материалов и компонентов, необходимые для эффективного выполнения измерительных процессов, должны быть нормальными, согласно ГОСТ 28198-89 (МЭК 68-1-88), т. е. :

- температура окружающей среды, оC - от +15 до +35;

- относительная влажность воздуха, не более, % - 80;

- атмосферное давление мм рт. ст. - от 550 до 800.

Согласно разработанной принципиальной схеме лабораторного стенда составлен необходимый перечень оборудования (табл. 9).

Таблица 9

№ п/п	наименование оборудования	кол-во, шт.
1	Коробка КРУС-18	1
2	Адаптер FC sm D-type	9
3	Адаптер LC sm duplex	1
4	Адаптер SC sm	2
5	Шнур оптический монтажный FC/UPC SM-0,9мм-1,5м	9
6	Шнур оптический монтажный LC/UPC SM-0,9мм-1,5м	1
7	Шнур оптический монтажный SC/UPC SM-0,9мм-1,5м	2
8	Гильза термоусаживаемая КЗДС-60	16
9	Шнур оптический соединительный FC/SC UPC-SM-3мм -1м	1
10	Шнур оптический соединительный SC/LC UPC-SM-3мм -1м	1
11	Барабан для оптоволоконного кабеля	1
12	Розетка электрическая 3 гн. с выключателем, тип С2 ГОСТ 7396.1-89	1
13	Вилка электрическая тип С2 ГОСТ 7396.1-89	1
14	Cветильник «Navigator» серии NEL-B2 , 21Вт	1

оптический волокно связь волна

3. Конструкция лабораторного стенда

3.1 Разработка конструкции, размещение оборудования и монтаж лабораторного стенда

Конструкция лабораторного стенда разрабатывалась, учитывая анализ технических требований (п. 2.2), исходя из имеющегося измерительного оборудования, материалов и компонентов, которые были определены ранее (п. 2.3).

Монтажные работы проводились с учетом требований нормативных документов, правил техники безопасности [22, 25, 26, 27].

Для начала работ по реализации разработанной оптической принципиальной схемы стенда, после приобретения всех составляющих, оптический кабель уложен на доработанный (уменьшен габаритный диаметр) барабан (рис. 46).

Рис. 46 Барабан с оптическим кабелем.

Затем барабан с ОК и все комплектующие для оптических кроссов доставлены на место сборки оптической схемы, где с помощью сотрудников ООО «СПЕКЛИС-ЭНТЕРПРАЙЗ» проведены сварочные работы и сборка оптических кроссов.

Далее выполнен монтаж оптических кроссов с ОК на специально подготовленный стол. За основу конструкции взят стол, имеющийся в лаборатории НСЭ университета. Для оптимального размещения оборудования потребовалась доработка конструкции стола. Элементы доработанной конструкции выполнены из фанеры марки ФК 15мм сорт II ГОСТ 3916.96 и окрашены (рис 47).

Для возможности подключения блока питания ОР к сети ~220В, выполнен монтаж электророзетки и подключение лабораторного стенда к электрической сети и заземлению (рис. 48).

Рис. 47 Размещение барабана с ОК и оптических кроссов

После оценки освещенности зоны стола, где будут размещаться измерительные приборы, зоны чтения и ведения записей студентами, участка, где будет размещаться оптическая схема и другие наглядные пособия, принято решение о необходимости монтажа и подключения дополнительного освещения рабочего пространства лабораторного стенда.

Для этого был использован люминесцентный компактный светильник «Navigator» NEL-B2 с лампой 21 Вт. Включение светильника производится одновременно с подачей напряжения на контакты сетевой розетки включателем, вмонтированным в розетку. Светильник размещен так, чтобы свет не попадал напрямую в глаза тех, кто будет работать на лабораторном стенде, а также не засвечивал экран оптического рефлектометра, и не отражался в нем (рис. 49).



Рис. 48 Подключение к сети ~220В

Рис. 49 Подключения дополнительного освещения

Для улучшения производительности работы, повышения безопасности при выполнении измерений, на лабораторном стенде размещены наглядные пособия (рис. 50).



Рис. 50 Внешний вид лабораторного стенда

3.2 Характеристика и описание смонтированного стенда

Характеристика лабораторного стенда «Измерение параметров волоконно-оптического тракта» определяется, в основном, характеристиками одномодового ОВ в использованном оптическом кабеле ОКЛ-01-8-8-10/125-0,36/0,22-3,5/18-2,7. Марка ОВ - SMF-28e+, производства фирмы «Corning», США, соответствует рекомендациям МСЭ-Т, G.652, категория D. Технические характеристики ОК в приложении ХХ: Паспорт оптического кабеля ОКЛ-01-8-8-10/125-0,36/0,22-3,5/18-2,7.

После сборки лабораторного стенда проведено измерение километрического затухания ОВ на длинах волн 1310 нм и 1550 нм оптическим рефлектометром, результаты соответствуют паспортным характеристикам и приведены в таблице 10.

Таблица 10

Цвет модуля	Марка волокна	Цвет волокна	Коэффициент затухания, дБ/км
			1310 нм	1550 нм
Розовый	SMF-28e+	Белый	0.327	0.194
Синий	SMF-28e+	Оранж.	0.330	0.195
Белый	SMF-28e+	Коричн.	0.329	0.194
Белый	SMF-28e+	Зеленый	0.328	0.193
Белый	SMF-28e+	Красный	0.328	0.193
Белый	SMF-28e+	Синий	0.329	0.194
Белый	SMF-28e+	Желтый	0.330	0.195
Белый	SMF-28e+	Серый	0.329	0.194

Используя измерительные приборы - оптический рефлектометр AQ7270, оптический тестер «??П?З-7315-?», лабораторный стенд позволяет проводить измерения:

- длины ОВ;

- километрического затухания ОВ на разных длинах волн (1310 нм, 1550 нм);

- оптических потерь на сварных соединениях;

- оптических потерь на разъемных соединениях (FC, SC, LC);

- общее оптическое затухание, включающее в себя нормальное затухание в волокне, затухание на соединительных разъемах, затухание на сварных соединениях. Сделав оптическими шнурами (патчкордами) несколько соединений на оптических кроссах, так чтобы соединить оптические волокна кабеля последовательно, можно имитировать ВОЛС с различными неоднородностями;

- расстояния до неоднородностей (или между ними), их характер (сварные или разъемные соединения);

- затухание и отражение на разъемных и сварных соединений.

Лабораторный стенд удовлетворяет требованиям нормативных документов в отношении лазерной безопасности, электробезопасности, эргономических показателей рабочего места.

4. Методические указания по работе на лабораторном стенде

4.1 Разработка методических указаний по выполнению лабораторной работы на тему: «Освоение методики работы с оптическим рефлектометром. Освоение методики измерения основных параметров оптоволоконного тракта с помощью ОР»

Методические указания по выполнению лабораторной работы на тему: «Освоение методики работы с оптическим рефлектометром. Освоение методики измерения основных параметров оптоволоконного тракта с помощью ОР» разработаны мною в 2010 году. В настоящее время используются в учебном процессе.

4.2 Разработка методических указаний по выполнению лабораторной работы на тему: «Измерение параметров и характеристик волоконно-оптического сварного соединения и коммутационного звена»

Методические указания по выполнению лабораторной работы на тему: «Измерение параметров и характеристик волоконно-оптического сварного соединения и коммутационного звена» также разработаны мною в 2010 году. В настоящее время используются в учебном процессе.

5. Обеспечение требований экологии и безопасности жизнедеятельности

Используемые измерительные приборы - оптический рефлектометр AQ7270, оптический тестер «??П?З-7315-?» содержат источник лазерного излучения, для питания рефлектометра используется блок питания, подключаемый с сети ~220В. Поэтому, основное внимание в обеспечении требований безопасности жизнедеятельности уделено лазерной безопасности, электробезопасности.

5.1 Требования безопасности при эксплуатации лазерных изделий

Согласно рекомендации МЭК, в связи с унификацией требований к конструкциям лазерных приборов, эти приборы разделяют на четыре класса с точки зрения опасности лазерного излучения для пользователей.

Лазерные излучатели класса 1

Наиболее безопасными как по своей природе (МДУ облучения никак не может быть превышен), так и по конструктивному исполнению являются лазерные приборы класса 1. В связи с таким двойным подходом допустимые пределы излучения (ДПИ) лазерных приборов класса 1 в спектральной области от 0.4 до 1.4 мкм, для которой возможно как точечное, так и протяженное повреждение сетчатки, характеризуются значениями в двух аспектах -- энергетическом (в ваттах или джоулях) и яркостном.

Измерительное оборудование и технические процедуры, должны быть четко идентифицированы по отдельности или вместе. Должна быть идентификация статуса метрологического подтверждения оборудования. Оборудование, подтвержденное для использования только в определенном процессе или процессах измерения, должно быть четко идентифицировано или управляемо каким-либо другим образом, чтобы предотвратить несанкционированное использование.

Лазерные излучатели класса 2

Это маломощные лазерные приборы, излучающие только в видимом (0.4<l<0.7 мкм) диапазоне. Их непрерывная мощность ограничена 1 мВт, так как предполагается, что человек обладает естественной реакцией защиты своих глаз от воздействия непрерывного излучения (рефлекс мигания). В случае кратковременных облучений (Dt<0.25 мин) энергетика лазерных излучателей класса 2 не должна превышать соответствующие ДПИ для приборов класса 1.

Таким образом, лазерные излучатели класса 2 не могут нанести вред человеку помимо его желания.

Лазерные излучатели класса 3

Излучатели этого класса занимают переходное положение между безопасными приборами классов 1, 2 и лазерами класса 4 (которые безусловно требуют принятия мер по защите персонала). В соответствии с этим МЭК рекомендует подразделять лазерные излучатели класса 3 на два подкласса -- 3А и 3Б.

Лазерные излучатели подкласса 3А

К ним относят условно безопасные излучатели. Они не способны повредить зрение человека, но при условии неиспользования каких-либо дополнительных оптических приборов для наблюдения прямого лазерного излучения. В соответствии с этим условием мощность видимого излучения непрерывных лазеров подкласса 3А не должна превышать 5 мВт (то есть пятикратного значения ДПИ для класса 2), а облученность -- 25 Вт/м2. Допустимая энергетика для других длин волн и длительностей облучения не должна более чем в 5 раз превышать ДПИ для класса 1.

Лазерные излучатели подкласса 3Б

К ним относят излучатели средней мощности, непосредственное наблюдение которых даже невооруженным (без фокусирующей оптической системы) глазом опасно для зрения. Однако при соблюдении определенных условий -- удалении глаза более чем на 13 см от рассеивателя и времени воздействия не более 10 с -- допустимо наблюдение диффузно рассеянного излучения. Поэтому непрерывная мощность таких лазеров не может превышать 0.5 Вт, а энергетическая экспозиция -- 100 кДж/м2.

Лазерные излучатели класса 4

Это мощные лазерные установки, способные повредить зрение и кожные покровы человека не только прямым, но и диффузно рассеянным излучением. Значения ДПИ в данном случае превышают значения, принятые для подкласса 3Б. Работа с лазерными излучателями класса 4 требует обязательного соблюдения соответствующих защитных мер.

5.1.1 Воздействие лазерного излучения на органы зрения

Основной элемент зрительного аппарата человека - сетчатка глаза - может быть поражена лишь излучением видимого (от 0.4 мкм) и ближнего ИК-диапазонов (до 1.4 мкм), что объясняется спектральными характеристиками человеческого глаза. При этом хрусталик и глазное яблоко, действуя как дополнительная фокусирующая оптика, существенно повышают концентрацию энергии на сетчатке, что, в свою очередь, на несколько порядков понижает максимально допустимый уровень (МДУ) облученности зрачка.

5.1.2 Технико-гигиеническая оценка лазерных изделий в России

В нашей стране на базе проведенных комплексных исследований и современных представлений о влиянии лазерного излучения на организм человека разработан и утвержден ряд нормативных документов, обеспечивающих безопасную эксплуатацию лазерных изделий. Эти документы устанавливают единую систему обеспечения лазерной безопасности. В такую систему входят: технические средства снижения опасных и вредных производственных факторов, организационные мероприятия, контроль условий труда на лазерных установках. В современной отечественной научно-технической и нормативной литературе дано несколько вариантов классификации лазерных изделий. С позиции обеспечения лазерной безопасности их классифицируют по основным физико-техническим параметрам и степени опасности генерируемого излучения.

В зависимости от конструкции лазера и конкретных условий его эксплуатации обслуживающий его персонал может быть подвержен воздействию опасных и вредных производственных факторов, перечень которых приведен в ГОСТ 12.1.040-83. опасности лазерного излучения по СНиП 5804-91

Степень воздействия лазерного излучения на оператора зависит от физико-технических характеристик лазера -- плотности мощности (энергии излучения), длины волны, времени облучения, длительности и периодичности импульсов, площади облучаемой поверхности.

Биологический эффект лазерного облучения зависит как от вида воздействия излучения на ткани организма (тепловое, фотохимическое), так и от биологических и физико-химических особенностей самих тканей и органов.

Наиболее опасно лазерное излучение с длиной волны:

· 3801400 нм -- для сетчатки глаза,

· 180380 нм и свыше 1400 нм -- для передних сред глаза,

· 180105 нм (т.е. во всем рассматриваемом диапазоне) -- для кожи.

Гигиенистами выдвинуты требования, в соответствии с которыми, в основу проектирования, разработки и эксплуатации лазерной техники должен быть положен принцип исключения воздействия на человека (кроме лечебных целей) лазерного излучения, как прямого, так и зеркально или диффузно отраженного.

В соответствии со СНиП 5804-91 лазерные изделия по степени опасности генерируемого излучения подразделяют на 4 класса. При этом класс опасности лазерного изделия определяется классом опасности используемого в нем лазера. Классификацию лазеров с точки зрения безопасности проводит предприятие-изготовитель путем сравнения выходных характеристик излучения с предельно допустимыми уровнями (ПДУ) при однократном воздействии.

Установлены следующие 4 класса лазеров:

1. к нему относят полностью безопасные лазеры, выходное излучение которых не представляет опасности для глаз и кожи человека;

2. к нему относят лазеры, выходное излучение которых представляет опасность при облучении кожи или глаз человека коллимированным пучком. В то же время диффузно отраженное излучение лазеров этого класса безопасно как для кожи, так и для глаз;

3. к нему относят лазерные устройства, работающие в видимой области спектра и выходное излучение которых представляет опасность при облучении как глаз (коллимированным и диффузно отраженным излучением на расстоянии менее 10 см от отражающей поверхности), так и кожи (только коллимированным пучком);

4. к нему относят лазерные устройства, даже диффузно отраженное излучение которых представляет опасность для глаз и кожи на расстоянии менее 10 см.

При определении класса опасности лазерного излучения учитываются три спектральных диапазона (таблица 11).

Таблица 11

Класс опасности лазерного излучения	Диапазон
	180380 нм	3801400 нм	1400105 нм
	I	II	III
1	+	+	+
2	+	+	+
3	--	+	--
4	+	+	+

5.1.3 Защита от лазерного излучения при эксплуатации лабораторной установки

Используемые измерительные приборы - оптический рефлектометр AQ7270, оптический тестер «??П?З-7315-?», лабораторного комплекса относятся к 3Б классу безопасности лазерных изделий. Также при подключении измерительных приборов к ОВ через коннектор одного из оптических кроссов, на коннекторе другого из них, при выходе лазерного излучения из ОВ будет опасный уровень излучения. Поэтому, все неиспользуемые при измерении коннекторы должны быть закрыты защитными колпачками. Во время работы лазера измерительного прибора, подключенного к схеме измерения, запрещается производить какие-либо переключения или подключения к этой схеме.

Требования для класса 3Б:

Расстояние между лазерными изделиями должно обеспечивать безопасные условия труда и удобство эксплуатации, ремонта и обслуживания.

Рекомендации для класса 3Б:

- Рабочее место должно быть организовано таким образом, чтобы исключать возможность воздействия на персонал лазерного излучения или чтобы его величина не превышала ДПИ для первого класса.

- Рабочее место обслуживающего персонала, взаимное расположение всех элементов (органов управления, средств отображения информации и другое.) должна обеспечивать рациональность рабочих движений и максимально учитывать энергетические, скоростные, силовые и психофизические возможности человека.

- Следует предусматривать наличие мест для размещения съемных деталей, переносной измерительной аппаратуры.

5.1.4 Классификация условий и характера труда

По степени зашиты персонала от воздействия лазерного излучения условия и характер труда при эксплуатации лазерных изделий независимо от класса изделия подразделяются:

· оптимальные - исключающие воздействие на персонал лазерного излучения;

· допустимые - уровень лазерного излучения, воздействующего на персонал, меньше ПДУ установленного СанПиН 5804;

· вредные и опасные - уровень лазерного излучения, воздействующего на персонал, превышает ПДУ.

Характер труда при проведении измерений на лабораторном стенде - оптимальный, при строгом выполнении методических указаний к лабораторным работам.

5.1.5 Требования при эксплуатации и обслуживании лазерных изделий

· Выполнение следующих требований безопасности должно обеспечивать исключение или максимальное уменьшение возможности облучения персонала лазерным излучением, а также воздействия на него других опасных факторов.

· К ремонту, наладке и испытаниям лазерных изделий допускаются лица, имеющие соответствующую квалификацию и прошедшие инструктаж по технике безопасности в установленном порядке.

· К работе с лазерными изделиями допускаются лица, достигшие восемнадцати лет, не имеющие медицинских противопоказаний, прошедшие курс специального обучения в соответствии с ГОСТ 12.0.004, обучение в установленном порядке работе с конкретными лазерными изделиями и аттестацию на группу по охране труда при работе на электроустановках с соответствующим напряжением.

· При эксплуатации изделий выше класса 2 должно назначаться лицо, ответственное за охрану труда при их эксплуатации.

· Лазерные изделия, находящиеся в эксплуатации, должны подвергаться регулярной профилактической проверке. При проведении профилактической проверки следует обращать особое внимание на безотказность работы всех защитных устройств, надёжность заземления.

5.2 Требования по электробезопасности

Лазерные изделия должны быть сконструированы и изготовлены таким образом, чтобы гарантировать защиту персонала при эксплуатации, а также при возникновении неисправностей от поражения электрическим током. Для этого необходимо выполнить следующие условия:

· Элементы конструкции, с которыми соприкасается оператор во время работы лазерного устройства, рекомендуется выполнять из диэлектрического материала или наносить на них защитное диэлектрическое покрытие.

· Лазерное изделие в целом, а также отдельные блоки должны иметь специальные клеммы или другие приспособления для подсоединения заземляющих или зануляющих проводников.

· Все токопроводящие части лазерного изделия должны быть ограждены и размещены таким образом, чтобы исключалась возможность прикосновения к ним при эксплуатации.

· Изоляция лазерного изделия должна обладать достаточной диэлектрической прочностью, предотвращающей пробой, а так же достаточным электрическим сопротивлением, препятствующим появлению чрезмерных токов утечки и возникновению теплового пробоя.

· В случае неисправности должна быть предусмотрена возможность немедленного отключения лазерного изделия от первичного источника питания посредством устройства отключения питания. Если устройство отключения питания не удовлетворяет этому условию, следует предусмотреть устройство аварийной защиты.

· Лазерное изделие, при необходимости, должно иметь предупреждающий знак возможности поражения электрическим током.

5.2.1 Подключение к заземляющему контуру

Для подключения блока питания ОР к сети ~220В необходимо использовать розетку типа С2 ГОСТ 7396.1-89, которую следует подключить как к фазному, нулевому проводам питания, так и к защитному занулению (заземлению).

Требуемое сопротивление защитного заземляющего устройства для этого случая должно быть не более 4 Ом, т.е. Рз 4 Ома (ГОСТ 464-79).

В данном случае используется заземляющий контур, проложенный по периметру лаборатории. Сопротивление защитного заземляющего контура периодически проверяется, согласно РД 153-34.0-20.525-00, с составлением протокола проверки состояния заземляющего устройства, и выдачей паспотра заземляющего устройства.

5.3 Эргономические показатели рабочего места

Эргономическими аспектами проектирования рабочих мест являются: высота рабочей поверхности, размеры пространства для ног, требования к расположению документов на рабочем месте(наличие и размеры подставки для документов, возможность различного размещения документов, расстояние от глаз пользователя до экрана, документа, клавиатуры и т.д.), характеристики рабочего кресла, требования к поверхности рабочего стола, регулируемость рабочего места и его элементов.

Высота рабочей поверхности рекомендуется в пределах 680-760 мм.

Высота рабочей поверхности, на которую устанавливается клавиатура, должна быть 650 мм.

Большое значение придается характеристикам рабочего кресла. Так, рекомендуется высота сиденья над уровнем пола должна быть в пределах 420-550 мм. Поверхность сиденья рекомендуется делать мягкой, передний край закругленным, а угол наклона спинки рабочего кресла - регулируемым.

Положение экрана ОР определяется:

расстоянием считывания (0.60 + 0.10 м);

углом считывания, направлением взгляда на 20 ниже горизонтали к центру экрана, причем экран перпендикулярен этому направлению.

Должна предусматриваться возможность регулирования экрана:

по высоте +3 см;

по наклону от 10 до 20 относительно вертикали;

в левом и правом направлениях.

Зрительный комфорт подчиняется двум основным требованиям:

четкости на экране, клавиатуре и в документах;

освещенности и равномерности яркости между окружающими условиями и различными участками рабочего места.

Большое значение также придается правильной рабочей позе пользователя. При неудобной рабочей позе могут появиться боли в мышцах, суставах и сухожилиях. Требования к рабочей позе пользователя видеотерминала следующие: шея не должна быть наклонена более чем на 20 (между осью "голова-шея" и осью туловища), плечи должны быть расслаблены, локти - находиться под углом 80-100, а предплечья и кисти рук - в горизонтальном положении.

Причина неправильной позы пользователей обусловлена следующими факторами: нет хорошей подставки для документов, клавиатура находится слишком высоко, а документы - слишком низко, некуда положить руки и кисти, недостаточно пространства для ног. В целях преодоления указанных недостатков даются общие рекомендации:

лучше передвижная клавиатура, чем встроенная;

должны быть предусмотрены специальные приспособления для регулирования высоты стола, клавиатуры, документов и экрана, а также подставка для рук.

Характеристики используемого рабочего места:

высота рабочей поверхности стола 750 мм;

высота пространства для ног 650 мм;

высота сиденья над уровнем пола 450 мм;

поверхность сиденья мягкая с закругленным передним краем;

предусмотрена возможность размещения документов справа и слева;

расстояние от глаза до экрана 700 мм;

расстояние от глаза до клавиатуры 400 мм;

расстояние от глаза до документов 500 мм;

возможно регулирование экрана по высоте, по наклону, в левом и в правом направлениях.

5.4 Расчет освещенности помещения

Рациональное освещение помещений - один из наиболее важных факторов, от которых зависит эффективность трудовой деятельности человека.

Хорошее освещение необходимо для выполнения большинства задач оператора. Для того, чтобы спланировать рациональную систему освещения, учитывается специфика рабочего задания, для которого создается система освещения, скорость и точность, с которой это рабочее задание должно выполняться, длительность его выполнения и различные изменения в условиях выполнения рабочих операций.

Описание помещения, в котором располагается рабочее место.

Помещение, в котором находится рабочее место оператора, имеет следующие характеристики:

- длина помещения 10,78 м;

- ширина помещения 5,43 м;

- высота 4 м;

- число окон 3;

- количество рабочих мест 2;

- окраска интерьера: белый потолок, бледно-зеленые стены, пол покрыт линолеумом светло-коричневого цвета.

Расчет освещения рабочего места.

В помещении, где находится лабораторный стенд используется смешанное освещение, т.е. сочетание естественного и искусственного освещения.