光纖信號旋轉傳輸裝置的研究

謝 毅，譚躍剛

（武漢理工大學機電學院，湖北 武漢430070）

近年來，光纖技術在汽輪機等大型旋轉機械的在線實時監測等場合得到了廣泛應用，如何保證故障檢測信號傳遞的暢通與速度，成為當今人們重點研究的課題。光纖信號旋轉連接器的最初形式是電滑動環，它依靠電刷與環壁接觸，從轉動的金屬環向靜止環傳輸數據信號和電力電流能量。然而，電滑動環存在能耗大、抗干擾性差的局限性，此外，電滑動環依靠電刷傳輸信號，電刷的質量也制約著信號的傳輸質量［1］。筆者設計的新型旋轉連接器解決了傳統光纖旋轉連接器承受徑向載荷較小的問題，并設計多種減震結構，有效地將環境振動隔絕在連接器精密器件之外，大大提高連接器的使用壽命，保證了光纖信號的高效高速、大容量、連續穩定傳輸。

1 設計原理

該光纖連接裝置包括固定體和旋轉體。固定體包括安裝底座和設置于安裝底座上的中空軸承外殼，軸承外殼一端開有軸向通孔，其內設有固定端光纖透鏡；旋轉體包括依次設置的法蘭盤、鼓齒連接套、一級旋轉組件和二級精密旋轉組件。法蘭盤的軸向伸出端與鼓齒連接套通過鼓齒齒套連接，鼓齒連接套和鼓齒齒套間可在一定范圍內相對軸向滑動、角度偏移和徑向跳動，該連接器設定的軸向滑動范圍為±1mm，角度偏移量為1°，徑向跳動范圍為0.8mm。一級旋轉組件包括由支撐軸承支設于軸承外殼內的中空的一級旋轉軸，二級精密旋轉組件包括由精密軸承支設于軸承外殼內的中空的二級旋轉軸。一級旋轉軸的一端通過緊定螺釘與鼓齒連接套連接、另一端通過柔性柱銷與二級旋轉軸一端連接；二級旋轉軸另一端設有旋轉端光纖透鏡；旋轉端光纖透鏡與固定端光纖透鏡共軸并相對設置，二者之間留有間隙（圖1、圖2）。

2 仿真分析

光纖旋轉連接器的作用是以最小的光損失和旋轉變化量耦合光信號通過旋轉平面［2］，衡量其光纖旋轉連接器工作優劣的標準是信號傳輸的效率。在光纖旋轉連接器的兩端各有一根相互對準的光纖準直器，準直器之間存有間隙，光在間隙的散失是系統傳輸損耗的最主要原因，所以兩根光纖之間的裝配誤差直接影響光信號的傳輸質量。光纖之間的裝配誤差由三部分組成：離軸偏差、間距偏差和角度偏差［3］。其中，光纖準直器耦合損耗對角度偏差最為敏感。這三種誤差導致準直器對中耦合損耗關系如下［4］：

離軸誤差耦合效率

間距誤差耦合效率

圖1 整體結構示意圖

圖2 裝置上半部剖視圖

角度誤差耦合效率

將模型導入到ansys中進行仿真分析，對模型進行簡化處理，劃分網格（圖3），設置連接器底面固定，在左端旋轉軸徑向施加50N載荷，同時在動靜準直器斷面中心設定觀測點，以便得到兩端準直器的各向偏差。如圖4所示，分析得到連接器旋轉端受到徑向力時，內部旋轉軸兩端變形大，并呈現折彎趨勢，動靜準直器端面中心偏移分別為

圖3 網格劃分

圖4 結構應變圖

分析可得總損耗

換算成耦合效率即為97.57%。

綜上分析可以看出，當外界環境對連接器旋轉軸施加較大載荷時，連接器內部精密旋轉器件所受到的影響較小，反映到實際工況中，即表現在環境振動和其他干擾因素被隔絕在精密旋轉組件之外，減少了外界干擾對精密組件的沖擊，使裝置的使用壽命大大加長，整體穩定性提升。

3 實驗研究

為了驗證三種裝配誤差對光纖耦合損耗的影響，用1310nm DFB光源對準直器耦合進行了實驗研究（圖5），光源發射光功率為3.950mW，光通過固定在五維調節架上的準直器與另一端準直器耦合，之后用光功率計采集光損耗以及光強度數值。

圖5 實驗平臺

設定兩準直器間距分別為10mm和300mm，微量調節五維調節架的x、y、z、z軸旋轉、y軸旋轉5個方向上的變化值，x方向對應為間距方向，y、z方向對應為離軸方向，z軸旋轉、y軸旋轉對應為角度方向，分別記錄光纖損（圖6）。

圖6 不同間距時各維曲線

圖中顯示，x方向上隨變化值增大，損耗沒有明顯變化，而相對與z軸旋轉、y軸旋轉方向上的變化曲線，角度稍有改變，損耗值變化顯著，由此驗證了光纖準直器對角度偏差最為敏感，而間距偏差對其影響較小。另外，y、z維曲線綜合反映了在不同間距下離軸誤差的變化趨勢和損耗數值幾乎相同，且與式（1）理論關系曲線趨勢相同，說明離軸誤差帶來的損耗值受間距誤差的影響較小。

4 結論

1）一級旋轉組件的設置增強了旋轉體可承受的軸向沖擊能力，解決了傳統光纖旋轉連接器能承受的徑向載荷較小的問題，并阻斷了這種沖擊對精密旋轉組件的破壞；

2）多級緩沖減振結構的設置，能很好地將環境振動和其他干擾因素隔絕在精密旋轉組件之外，減少了對精密旋轉組件、旋轉端光纖、固定組件的損壞，使裝置的使用壽命大大加長，并提高了光纖準直精度，從而提高了光纖信號旋轉傳輸效率；

3）光纖透鏡準直結構是非接觸的，使得本實用新型連接器最大許用轉速只受制于軸承和齒套連接系統，由于高精度軸承的轉速可達幾萬轉以上，齒套結構因受到的扭矩很小，其能達到的轉速也在萬轉以上，因此該連接器能適用于較高轉速的場合。

［1］ Jensen H T.Full－circle electrical slip－ring brush.U.S，3，998，5ll［P］.1976－12－21.

［2］ Michael L，Bowman，Patrick T，Fstenfs TR.Joseph，eta1.A single mode optical rotary joint utilizing expanded ream optics［J］.Proceedings of SPIE，1986（722）：179－186.

［3］ 程霽竑.光纖旋轉連接器理論研究［C］.航空學會2007年學術交流論文集，2007.

［4］ 胡衛生，曾慶濟.自聚焦透鏡準直系統的裝配誤差引起的附加耦合損耗分析［J］.中國激光，1999，26（03）：221－224.