光纤信号旋转传输装置的研究

谢 毅，谭跃刚

（武汉理工大学机电学院，湖北 武汉430070）

近年来，光纤技术在汽轮机等大型旋转机械的在线实时监测等场合得到了广泛应用，如何保证故障检测信号传递的畅通与速度，成为当今人们重点研究的课题。光纤信号旋转连接器的最初形式是电滑动环，它依靠电刷与环壁接触，从转动的金属环向静止环传输数据信号和电力电流能量。然而，电滑动环存在能耗大、抗干扰性差的局限性，此外，电滑动环依靠电刷传输信号，电刷的质量也制约着信号的传输质量［1］。笔者设计的新型旋转连接器解决了传统光纤旋转连接器承受径向载荷较小的问题，并设计多种减震结构，有效地将环境振动隔绝在连接器精密器件之外，大大提高连接器的使用寿命，保证了光纤信号的高效高速、大容量、连续稳定传输。

1 设计原理

该光纤连接装置包括固定体和旋转体。固定体包括安装底座和设置于安装底座上的中空轴承外壳，轴承外壳一端开有轴向通孔，其内设有固定端光纤透镜；旋转体包括依次设置的法兰盘、鼓齿连接套、一级旋转组件和二级精密旋转组件。法兰盘的轴向伸出端与鼓齿连接套通过鼓齿齿套连接，鼓齿连接套和鼓齿齿套间可在一定范围内相对轴向滑动、角度偏移和径向跳动，该连接器设定的轴向滑动范围为±1mm，角度偏移量为1°，径向跳动范围为0.8mm。一级旋转组件包括由支撑轴承支设于轴承外壳内的中空的一级旋转轴，二级精密旋转组件包括由精密轴承支设于轴承外壳内的中空的二级旋转轴。一级旋转轴的一端通过紧定螺钉与鼓齿连接套连接、另一端通过柔性柱销与二级旋转轴一端连接；二级旋转轴另一端设有旋转端光纤透镜；旋转端光纤透镜与固定端光纤透镜共轴并相对设置，二者之间留有间隙（图1、图2）。

2 仿真分析

光纤旋转连接器的作用是以最小的光损失和旋转变化量耦合光信号通过旋转平面［2］，衡量其光纤旋转连接器工作优劣的标准是信号传输的效率。在光纤旋转连接器的两端各有一根相互对准的光纤准直器，准直器之间存有间隙，光在间隙的散失是系统传输损耗的最主要原因，所以两根光纤之间的装配误差直接影响光信号的传输质量。光纤之间的装配误差由三部分组成：离轴偏差、间距偏差和角度偏差［3］。其中，光纤准直器耦合损耗对角度偏差最为敏感。这三种误差导致准直器对中耦合损耗关系如下［4］：

离轴误差耦合效率

间距误差耦合效率

图1 整体结构示意图

图2 装置上半部剖视图

角度误差耦合效率

将模型导入到ansys中进行仿真分析，对模型进行简化处理，划分网格（图3），设置连接器底面固定，在左端旋转轴径向施加50N载荷，同时在动静准直器断面中心设定观测点，以便得到两端准直器的各向偏差。如图4所示，分析得到连接器旋转端受到径向力时，内部旋转轴两端变形大，并呈现折弯趋势，动静准直器端面中心偏移分别为

图3 网格划分

图4 结构应变图

分析可得总损耗

换算成耦合效率即为97.57%。

综上分析可以看出，当外界环境对连接器旋转轴施加较大载荷时，连接器内部精密旋转器件所受到的影响较小，反映到实际工况中，即表现在环境振动和其他干扰因素被隔绝在精密旋转组件之外，减少了外界干扰对精密组件的冲击，使装置的使用寿命大大加长，整体稳定性提升。

3 实验研究

为了验证三种装配误差对光纤耦合损耗的影响，用1310nm DFB光源对准直器耦合进行了实验研究（图5），光源发射光功率为3.950mW，光通过固定在五维调节架上的准直器与另一端准直器耦合，之后用光功率计采集光损耗以及光强度数值。

图5 实验平台

设定两准直器间距分别为10mm和300mm，微量调节五维调节架的x、y、z、z轴旋转、y轴旋转5个方向上的变化值，x方向对应为间距方向，y、z方向对应为离轴方向，z轴旋转、y轴旋转对应为角度方向，分别记录光纤损（图6）。

图6 不同间距时各维曲线

图中显示，x方向上随变化值增大，损耗没有明显变化，而相对与z轴旋转、y轴旋转方向上的变化曲线，角度稍有改变，损耗值变化显著，由此验证了光纤准直器对角度偏差最为敏感，而间距偏差对其影响较小。另外，y、z维曲线综合反映了在不同间距下离轴误差的变化趋势和损耗数值几乎相同，且与式（1）理论关系曲线趋势相同，说明离轴误差带来的损耗值受间距误差的影响较小。

4 结论

1）一级旋转组件的设置增强了旋转体可承受的轴向冲击能力，解决了传统光纤旋转连接器能承受的径向载荷较小的问题，并阻断了这种冲击对精密旋转组件的破坏；

2）多级缓冲减振结构的设置，能很好地将环境振动和其他干扰因素隔绝在精密旋转组件之外，减少了对精密旋转组件、旋转端光纤、固定组件的损坏，使装置的使用寿命大大加长，并提高了光纤准直精度，从而提高了光纤信号旋转传输效率；

3）光纤透镜准直结构是非接触的，使得本实用新型连接器最大许用转速只受制于轴承和齿套连接系统，由于高精度轴承的转速可达几万转以上，齿套结构因受到的扭矩很小，其能达到的转速也在万转以上，因此该连接器能适用于较高转速的场合。

［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］ 程霁竑.光纤旋转连接器理论研究［C］.航空学会2007年学术交流论文集，2007.

［4］ 胡卫生，曾庆济.自聚焦透镜准直系统的装配误差引起的附加耦合损耗分析［J］.中国激光，1999，26（03）：221－224.