光缆接头盒进水预判装置设计分析

王伟 宋威 朱玉龙

（中国人民解放军31401 部队 黑龙江省哈尔滨市 150001）

1 引言

目前，通信光缆自然故障大部分是光缆纤芯单断故障，而光缆纤芯单断故障八成发生在光缆接续盒处。按照光缆线路的建设设计标准，光缆线路每2-3 公里会有一个光缆接续盒，成为光缆线路自然障碍的主要矛盾点和聚集点。受地形形势、雨季气候等因素影响，光缆线路上的接续盒因为密封不严、年久老化、地质应力、工程遗留等问题造成接续盒进水，会直接导致系统误码大量产生，甚至导致系统阻断。虽然有的当时影响不大，但到冬季结冰或春季解冻后，因进水结冰腔体变化挤压扭曲光纤，导致接续盒内光纤芯发生曲率变化，形成大衰耗点，进而出现单芯断裂，甚至陆续造成全部光纤断裂，导致通信系统阻断问题发生，成为日常一线光缆线路系统维护的痛点、堵点和难点，成为光纤通信网高效可靠运行和提升可通率的瓶颈，问题亟待解决，通信需要求现实且紧迫。

2 国内外技术研究的现状

因光缆接续盒浸水而导致系统传输质量下降，是光缆传输网中的常见故障，也是一直困扰着光缆日常运维和巡修维护的难题。水进入光缆接续盒后，在短期内会使光纤的涂覆层脱落，机械强度降低，如长期得不到处理的话，所浸入的水就会在光缆的金属护层及金属加强芯间发生电离，电解为H2 分子和OH-离子。其中，H2分子易于产生红外吸收而造成光纤内光信号的衰减；OH-离子则易于引起光纤的化学衰减，改变光纤的物理结构。当气温降至零度以下的时候，将会导致接续盒内的浸水结冰, 由于结冰胀将光纤弯曲度变大, 造成的纤芯大损耗、断纤等维护不良障碍，严重影响光信号的正常传输。因此如何发现和预防光缆接续盒内浸水结冰损坏纤芯，对光缆接续盒密封性能实施有效监测，已成为通信维护的重点和难点。

国内外对光缆接续盒进水结冰损坏光纤的应对处置方法研究，主要有以下几种：

（1）国外早期研究的光缆金属外护套监测方法，通过光缆金属外护套实现对接续盒的内环境进监测。基本思路是通过光缆金属护套，远程测试接续盒金属监测线的对地绝缘电阻，来判断与之相连的光缆接续盒是否受潮浸水。由于在实际的光缆施工中，光缆外护套多处多点损伤较为普遍，造成对地绝缘电阻测试误差较大，根本无没判断进水接头盒的位置，没有较为成功的实际应用。

（2）国内电信运营单位在日常光缆维护维修上，通常是定期或不定期对备用光纤进行测试，对比中继段内备用光纤各熔接点的损耗变化量，来判断光缆接续盒是否进水甚至结冰的衰耗变化。由于这种方法是被动防护，只有在光缆接续盒进水严重甚至结冰损坏纤芯后才能发现，甚至出现在用业务纤芯阻断但备用纤芯良好不能发现的问题。一些通过光纤反射测试曲线发现的光缆接续盒大衰耗点，由于竣工资料里程和实际地理位置千差万别，在实际维抢修工作中，现场寻找和判断故障点却往往耗时费力，事倍功半。

（3）在基层的值勤维修工作中，为防止光缆接续盒进水结冰损坏纤芯，北方的线路维护单位，也有通过电容凡士林胶对接头盒进行再次密封的实际应用，只能短期提高接续盒的密封性能，也有将接续盒深埋在冻层以下，在接头点砌手孔排水，或者在接续盒内填装聚丙烯类树脂材料吸水等方式，大都是治标不治本。

目前我们还没有成熟的应用，可以有效解决光缆接头盒内进水结冰遥感预判问题。

3 设计技术分析

光纤接续盒的内部结构如图1所示，传感器、测量电路置于盒体内部，无线充电能量接收线圈与无线通信的天线或集束电缆引出盒内，置于内空塑钢标石顶盖处。低温锂电池可置于盒内或内空塑钢标石顶盖处。

图1：光缆接续盒内部结构图

3.1 超低温锂电池的充电管理系统设计分析

一般集成电路独立工作时需要有单独的供电能源，因此其电源模块的可靠性尤为重要，下面对电源模块智能充放电进行设计。其充放电电路如图2所示。充电管理模块设计充电电路采用锂电池充电管理芯片BQ2057。图2 中CVDDB 是电池的电压，C1、C2、C3都是退偶电容，保证芯片的输入和输出电压稳定。12 V 为电源供电电压，也是BQ2057 的VCC。如图3所示，TS 引脚延伸出来的电路，NTC 型热敏电阻与RT2 并联，并联后再和RT1 一起串联接入VCC 和GND 之间，此时TS 脚和GND 之间的电压VTS 等于热敏电阻的电压，电压值会随温度变化而变化，而TS 引脚检测VTS 值的变化并反馈给芯片，芯片判断VTS 是否在预设的上下限(VTS1、VTS2)电压值内，只有VTS1>VTS>VTS2 时，芯片才允许对电池充电。

图2：智能充放电电路图

图3：TS 脚测温等效电路图

3.2 无线充电装置设计分析

发射模块主要由功率放大电路、振荡电路和耦合线圈三部分组成。功率放大器可以向负载输出大功率信号，本项目选择功率场效应晶体管电路，如图4所示。

图4：功率场效应管电路

振荡电路采用NE555 构成频率可调的多谐振荡器。输出PWM波驱动MOS 开关。NE555 工作在振荡状态下，根据自身激励，在高输出水平和低输出水平两种状态下来回切换。发射电路如图5所示。接收电路需考虑锂电池充电时的电压稳定性限定，避免充电过程中过电流和过充电。因此选用图6所示接收电路。

图5：无线电能传输发射电路

图6：无线电能传输接收电路

3.3 温湿度测量设计分析

温度传感器：温度测量拟采用采用接触式测量和非接触式测量。具体测温方式视测量条件而定，若测温点处材料表面平整，测温节点可以用接触式温度测量。若测温点处材料表面不平整或震动较强，则测温节点用非接触式温度测量。系统对温度要求为：精度±0.5°C，误差范围在1.5%，检测范围为-40°C 至60°C。

环境湿度传感器：定时采集环境中湿度值，配合水浸传感器对漏水、水浸等异常进行可靠监测。课题初步拟采用Sensirion 的SHT11 型数字式温湿度传感器，该芯片可实现校准后的数字信号输出，测量精度可编程调节并支持CRC 传输校验，功耗低，响应时间短，传输可靠性高，抗干扰能力强，测量误差小。SHT11 温湿度传感器的湿度测量范围为0%RH 至100%RH，测湿精度高达±3.5%RH,测湿分辨率可达0.3%RH，其温度的测量范围为-40℃至80℃，在25℃时，测温精度可达±0.5℃，测温分辨率达0.1℃。

3.4 地下数采装置与地面手持设备设计分析

微控制器负责控制各个模块并且对相关的信息进行处理。根据总体设计相关要求，地面手持设备微控制器的型号拟采用STM32L152CBT6。微控制器及其外围电路如图7所示。其中C7-C13 为STM32L152CBT6 的电源引脚的滤波电容。J4 为SWD 调试的接口，用于连接JLINK。J5 为UART1 接口，用于调试。Y1 为32.768kHz 的晶振，与C4、C5 构成晶振电路，为微控制器提供低速时钟信号。微控制器高速时钟信号使用的是内部的RC 振荡电路产生的时钟信号。K1 用于给微控制器发送复位信号。

图7：手持端微控制器电路

地下数采装置拟采用STC89C52 单片机担当主控芯片，如图8所示。通过单总线通信方式与温湿度传感器进行数据传送，主要完成的功能是对温湿度的实时采集、报警、数据无线发送，其优点在于线路简单，测量精度高，误差小，抗干扰性强，体积小，实用性强。

图8：地下数采端电路

4 结论

光缆接头盒进水预判装置设计研究，通过设计对接续盒内微环境的有效监测，实现监测信息的有效传输，实现传输信息的有效预警，可以有效解决光缆网接续盒进水结冰造成的光纤损害。日常维护人员可以及时发现故障隐患，提前介入对接续盒进行割接处理，由此避免因通信阻断，有效解决冬春季特别是北方严寒冬季，挖掘和处理接续盒故障超常困难的问题，提升一线光缆线路维护效率，提升光缆网可通率。