光纜接頭盒進水預判裝置設計分析

王偉 宋威 朱玉龍

（中國人民解放軍31401 部隊 黑龍江省哈爾濱市 150001）

1 引言

目前，通信光纜自然故障大部分是光纜纖芯單斷故障，而光纜纖芯單斷故障八成發(fā)生在光纜接續(xù)盒處。按照光纜線路的建設設計標準，光纜線路每2-3 公里會有一個光纜接續(xù)盒，成為光纜線路自然障礙的主要矛盾點和聚集點。受地形形勢、雨季氣候等因素影響，光纜線路上的接續(xù)盒因為密封不嚴、年久老化、地質應力、工程遺留等問題造成接續(xù)盒進水，會直接導致系統(tǒng)誤碼大量產生，甚至導致系統(tǒng)阻斷。雖然有的當時影響不大，但到冬季結冰或春季解凍后，因進水結冰腔體變化擠壓扭曲光纖，導致接續(xù)盒內光纖芯發(fā)生曲率變化，形成大衰耗點，進而出現(xiàn)單芯斷裂，甚至陸續(xù)造成全部光纖斷裂，導致通信系統(tǒng)阻斷問題發(fā)生，成為日常一線光纜線路系統(tǒng)維護的痛點、堵點和難點，成為光纖通信網(wǎng)高效可靠運行和提升可通率的瓶頸，問題亟待解決，通信需要求現(xiàn)實且緊迫。

2 國內外技術研究的現(xiàn)狀

因光纜接續(xù)盒浸水而導致系統(tǒng)傳輸質量下降，是光纜傳輸網(wǎng)中的常見故障，也是一直困擾著光纜日常運維和巡修維護的難題。水進入光纜接續(xù)盒后，在短期內會使光纖的涂覆層脫落，機械強度降低，如長期得不到處理的話，所浸入的水就會在光纜的金屬護層及金屬加強芯間發(fā)生電離，電解為H2 分子和OH-離子。其中，H2分子易于產生紅外吸收而造成光纖內光信號的衰減；OH-離子則易于引起光纖的化學衰減，改變光纖的物理結構。當氣溫降至零度以下的時候，將會導致接續(xù)盒內的浸水結冰, 由于結冰脹將光纖彎曲度變大, 造成的纖芯大損耗、斷纖等維護不良障礙，嚴重影響光信號的正常傳輸。因此如何發(fā)現(xiàn)和預防光纜接續(xù)盒內浸水結冰損壞纖芯，對光纜接續(xù)盒密封性能實施有效監(jiān)測，已成為通信維護的重點和難點。

國內外對光纜接續(xù)盒進水結冰損壞光纖的應對處置方法研究，主要有以下幾種：

（1）國外早期研究的光纜金屬外護套監(jiān)測方法，通過光纜金屬外護套實現(xiàn)對接續(xù)盒的內環(huán)境進監(jiān)測?；舅悸肥峭ㄟ^光纜金屬護套，遠程測試接續(xù)盒金屬監(jiān)測線的對地絕緣電阻，來判斷與之相連的光纜接續(xù)盒是否受潮浸水。由于在實際的光纜施工中，光纜外護套多處多點損傷較為普遍，造成對地絕緣電阻測試誤差較大，根本無沒判斷進水接頭盒的位置，沒有較為成功的實際應用。

（2）國內電信運營單位在日常光纜維護維修上，通常是定期或不定期對備用光纖進行測試，對比中繼段內備用光纖各熔接點的損耗變化量，來判斷光纜接續(xù)盒是否進水甚至結冰的衰耗變化。由于這種方法是被動防護，只有在光纜接續(xù)盒進水嚴重甚至結冰損壞纖芯后才能發(fā)現(xiàn)，甚至出現(xiàn)在用業(yè)務纖芯阻斷但備用纖芯良好不能發(fā)現(xiàn)的問題。一些通過光纖反射測試曲線發(fā)現(xiàn)的光纜接續(xù)盒大衰耗點，由于竣工資料里程和實際地理位置千差萬別，在實際維搶修工作中，現(xiàn)場尋找和判斷故障點卻往往耗時費力，事倍功半。

（3）在基層的值勤維修工作中，為防止光纜接續(xù)盒進水結冰損壞纖芯，北方的線路維護單位，也有通過電容凡士林膠對接頭盒進行再次密封的實際應用，只能短期提高接續(xù)盒的密封性能，也有將接續(xù)盒深埋在凍層以下，在接頭點砌手孔排水，或者在接續(xù)盒內填裝聚丙烯類樹脂材料吸水等方式，大都是治標不治本。

目前我們還沒有成熟的應用，可以有效解決光纜接頭盒內進水結冰遙感預判問題。

3 設計技術分析

光纖接續(xù)盒的內部結構如圖1所示，傳感器、測量電路置于盒體內部，無線充電能量接收線圈與無線通信的天線或集束電纜引出盒內，置于內空塑鋼標石頂蓋處。低溫鋰電池可置于盒內或內空塑鋼標石頂蓋處。

圖1：光纜接續(xù)盒內部結構圖

3.1 超低溫鋰電池的充電管理系統(tǒng)設計分析

一般集成電路獨立工作時需要有單獨的供電能源，因此其電源模塊的可靠性尤為重要，下面對電源模塊智能充放電進行設計。其充放電電路如圖2所示。充電管理模塊設計充電電路采用鋰電池充電管理芯片BQ2057。圖2 中CVDDB 是電池的電壓，C1、C2、C3都是退偶電容，保證芯片的輸入和輸出電壓穩(wěn)定。12 V 為電源供電電壓，也是BQ2057 的VCC。如圖3所示，TS 引腳延伸出來的電路，NTC 型熱敏電阻與RT2 并聯(lián)，并聯(lián)后再和RT1 一起串聯(lián)接入VCC 和GND 之間，此時TS 腳和GND 之間的電壓VTS 等于熱敏電阻的電壓，電壓值會隨溫度變化而變化，而TS 引腳檢測VTS 值的變化并反饋給芯片，芯片判斷VTS 是否在預設的上下限(VTS1、VTS2)電壓值內，只有VTS1>VTS>VTS2 時，芯片才允許對電池充電。

圖2：智能充放電電路圖

圖3：TS 腳測溫等效電路圖

3.2 無線充電裝置設計分析

發(fā)射模塊主要由功率放大電路、振蕩電路和耦合線圈三部分組成。功率放大器可以向負載輸出大功率信號，本項目選擇功率場效應晶體管電路，如圖4所示。

圖4：功率場效應管電路

振蕩電路采用NE555 構成頻率可調的多諧振蕩器。輸出PWM波驅動MOS 開關。NE555 工作在振蕩狀態(tài)下，根據(jù)自身激勵，在高輸出水平和低輸出水平兩種狀態(tài)下來回切換。發(fā)射電路如圖5所示。接收電路需考慮鋰電池充電時的電壓穩(wěn)定性限定，避免充電過程中過電流和過充電。因此選用圖6所示接收電路。

圖5：無線電能傳輸發(fā)射電路

圖6：無線電能傳輸接收電路

3.3 溫濕度測量設計分析

溫度傳感器：溫度測量擬采用采用接觸式測量和非接觸式測量。具體測溫方式視測量條件而定，若測溫點處材料表面平整，測溫節(jié)點可以用接觸式溫度測量。若測溫點處材料表面不平整或震動較強，則測溫節(jié)點用非接觸式溫度測量。系統(tǒng)對溫度要求為：精度±0.5°C，誤差范圍在1.5%，檢測范圍為-40°C 至60°C。

環(huán)境濕度傳感器：定時采集環(huán)境中濕度值，配合水浸傳感器對漏水、水浸等異常進行可靠監(jiān)測。課題初步擬采用Sensirion 的SHT11 型數(shù)字式溫濕度傳感器，該芯片可實現(xiàn)校準后的數(shù)字信號輸出，測量精度可編程調節(jié)并支持CRC 傳輸校驗，功耗低，響應時間短，傳輸可靠性高，抗干擾能力強，測量誤差小。SHT11 溫濕度傳感器的濕度測量范圍為0%RH 至100%RH，測濕精度高達±3.5%RH,測濕分辨率可達0.3%RH，其溫度的測量范圍為-40℃至80℃，在25℃時，測溫精度可達±0.5℃，測溫分辨率達0.1℃。

3.4 地下數(shù)采裝置與地面手持設備設計分析

微控制器負責控制各個模塊并且對相關的信息進行處理。根據(jù)總體設計相關要求，地面手持設備微控制器的型號擬采用STM32L152CBT6。微控制器及其外圍電路如圖7所示。其中C7-C13 為STM32L152CBT6 的電源引腳的濾波電容。J4 為SWD 調試的接口，用于連接JLINK。J5 為UART1 接口，用于調試。Y1 為32.768kHz 的晶振，與C4、C5 構成晶振電路，為微控制器提供低速時鐘信號。微控制器高速時鐘信號使用的是內部的RC 振蕩電路產生的時鐘信號。K1 用于給微控制器發(fā)送復位信號。

圖7：手持端微控制器電路

地下數(shù)采裝置擬采用STC89C52 單片機擔當主控芯片，如圖8所示。通過單總線通信方式與溫濕度傳感器進行數(shù)據(jù)傳送，主要完成的功能是對溫濕度的實時采集、報警、數(shù)據(jù)無線發(fā)送，其優(yōu)點在于線路簡單，測量精度高，誤差小，抗干擾性強，體積小，實用性強。

圖8：地下數(shù)采端電路

4 結論

光纜接頭盒進水預判裝置設計研究，通過設計對接續(xù)盒內微環(huán)境的有效監(jiān)測，實現(xiàn)監(jiān)測信息的有效傳輸，實現(xiàn)傳輸信息的有效預警，可以有效解決光纜網(wǎng)接續(xù)盒進水結冰造成的光纖損害。日常維護人員可以及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，提前介入對接續(xù)盒進行割接處理，由此避免因通信阻斷，有效解決冬春季特別是北方嚴寒冬季，挖掘和處理接續(xù)盒故障超常困難的問題，提升一線光纜線路維護效率，提升光纜網(wǎng)可通率。