光电滑环性能动态检测技术研究

高泽仁,周 丰,赵庆佳,芦春锋,岳宝花,张 戈

(中国电子科技集团公司第八研究所，合肥 230051)

0 引 言

现代战争早已突破了传统模式，战争形势已经演变为核威慑下的信息化战争，战争形态从网络中心化向“数据中心化”和“知识中心化”发展[1]，大数据的出现是在信息化、网络化高度发展的趋势[2]。光电滑环[3]是两个360°无限制转动机构间信号和功率稳定传输的核心部件，由光纤滑环和电滑环及辅助部件集成的产品，光电滑环作为一种光电传输装置，用以保证相对运动部件间的可靠光电连接，实现电功率和光信号的传输。光滑环在雷达中将天线等可旋转部分与固定部分进行连接来实现数据的传输，光滑环解决了传统电滑环无法实现大数据量传输，高频抗干扰能力低及通道间隔离度差等缺点，光滑环同时传输数字和模拟信号，这使得在天线前端可以将模拟信号通过光滑环传至后端，特别适用于球载和分布式远距离天线的高频宽带模拟信号传输，实现小平台，大预警，大侦查的需求。

1 光电滑环简介

光纤滑环[4]主要通过光纤准直器、道威棱镜、精密的齿轮传动机构对多路光信号进行耦合，来实现低插入损耗量、高串音等光学性能指标的要求，通过可靠连接固定方式，来实现振动、冲击等机械性能指标的要求；电滑环主要通过设计电滑环安全的爬电距离，选择导电性能好、耐磨的材料作为电刷和导电环，选择绝缘性能好的绝缘材料，保证导电环间及导电环与壳体间的耐压及绝缘性能。某绞车卷筒中心安装的2光6电复合滑环，舰船上端信息与水下终端信息动态传输是可通过光电滑环在绞车缆绳收放过程中光信号、电源功率及电信号的动态传输实现，2光6电复合滑环结构布置示意图如图1所示，主要包括光纤滑环、电滑环、传动轴承、密封件及外壳体等组成，光纤滑环和电滑环在结构上采用组合模块化装配形式，光纤滑环定子端与电滑环电刷端通过螺钉与外壳固定，光纤滑环转子端与电滑环转轴一端通过拨叉固定相连，滑环两端出线方式采用光纤和电线分开出线方式，其中光纤采用FC法兰盘，电线甩尾线方式。

图1 2光6电复合滑环剖面结构示意图

图3 光电滑环产品光插入损耗测试示意图

光电滑环是旋转平台中实现光电信号及能量动态传输的核心关键器件，具有大数据传输、抗干扰及长寿命等优势，在诸多领域起着不可取代的作用，如应用于风力发电、雷达系统、舰艇系统石油平台、高空气球、远程机械遥控等领域内高速数字信号和模拟信号的传输和控制。图2是某“智慧安全城市”系留气球用光电滑环产品结构示意图。

图2 某系留气球光电滑环结构图

对光电滑环性能检测是一项重要的工作，对其性能检测技术研究使其更接近系统实际使用工况，将会大大提高系统的可靠性。光电滑环在旋转平台使用时可靠性能指标的检测主要包括以下几个方面：产品连续转动情况下光插入损耗及接触电阻值是否满足相应指标要求；在特定环境下及特定转速下产品性能指标的稳定性；光电滑环寿命检测等。

1.1 传统检测装置无法具体输出光电信号传输连续曲线

光电滑环产品插入损耗指标是依据GJB 3931—2000《光纤光缆旋转接头总规范》方法及如下细则进行产品指标测试：

将光电滑环的旋转端与固定端光纤连接器连入光源与光功率测试系统中，如图3所示，测试过程中手动转动滑环的转子部分顺时针一周及逆时针一周，并记录转动过程中插入损耗最大值，即产品的插入损耗指标定位不大于此最大值。这种测试方法虽能在一定程度上反映产品的性能指标，但无法体现产品在系统实际使用过程以某一速度转动过程中插入损耗的连续性变化，而这对某些系统数据信号分析起着关键模拟作用。

图4 某四芯光纤滑环温度-插入损耗连续曲线输出

图4为某四芯光纤滑环产品4路光信号在温度性能下的插入损耗曲线图。

1.2 传统检测装置无法检测产品转速理论设计值

光电滑环产品转速指标传统检测方法是将产品转子端与调速电机连接，以理论设计转速转动产品一定时间后，对产品的光电性能检测，如其满足指标要求，则说明理论设计转速指标合格，但这也存在某一缺陷，即在系统复杂转动因素影响下，光电性能指标在转动过程中可能会出现某一跳动，转动完后测试光电性能指标又恢复到指标要求范围内。故将滑环产品以某一转速转动时在线测试光电性能指标对产品在系统中实际应用模拟比较关键。

1.3 传统检测装置无法真实检测产品的可靠寿命值

光电滑环产品寿命指标传统检测方法是将产品转动端接入旋转电机，事先设定好产品转动转数后对光电性能指标进行测试，其指标是否满足要求将作为产品寿命衡量的标准，这样一来可以测出产品估计寿命值范围，但此方法无法具体测试产品转动多少转后其性能指标出现跳变。

按照GJB3931—2000《光纤光缆旋转接头总规范》测试方法不能模拟产品使用工况要求，为了尽可能真实的反映产品在不同系统实际使用中的性能情况，需要一种光电滑环动态测试装置来实现检测与模拟，并需要进行新装置机构设计来满足产品满足系统实际工况要求。

2 光电滑环动态检测装置设计

传统检测装置是通过近似的方法来对光电滑环产品性能指标进行检测，不能具体地反映产品在系统使用过程中的性能指标真实情况。针对先进综合式航电系统UAN的概念[5]，为了保证系统的可靠性，研究提出了网络光纤链路失效时的重构技术，需要对元器件产品在链路的真实情况进行模拟分析非常重要，为未来统一航电网络的网络模型设计与容错分析提供了理论基础。电滑环技术路线及应用较为成熟，主要针对光纤滑环进行详细设计分析。

2.1 常温环境下检测装置设计

(1) 试验装置结构设计

试验装置由调速电机、锥齿轮传动、光滑环、电滑环、支架平台及相关光电性能测试设备等组成，组成示意图如图5所示。

图5 动态测试装置组成示意图

(2) 测试装置各部件功能

光滑环：可根据被测试产品类型制作1-20芯光滑环，光滑环转动端与锥齿轮转动轴连接，转子出线端通过锥齿轮轴、电滑环中心，随轴一起转动，用于与被测试产品转子端光连接，光滑环定子端用于与测试设备连接。

电滑环：可根据被测试产品类型制作不同芯数、不同耐压耐电流等级的电滑环，电滑环一边转动端用于与锥齿轮轴连接，另一边转动端用于与被测试产品转子端电连接。

锥齿轮传动：可实现电机转动方向与光、电滑环转动方向错位90°转动传动实现，设计一定转速比，可以计算电机输出转速与光、电滑环转速情况。

调速电机：用于转动功率输出及转速变化控制。

(3) 测试装置工作机理

将被测试产品接入测试装置中，如图6所示，产品的转子端光电线4与测试装置中的转子端光电线3连接，被测产品转动端与测试装置中电滑环转动端连接，当要测试被测试产品光性能指标时，将光滑环定子端出线1，被测试产品定子端出线6连入光源光功率测试系统中，以某一速度转动电机，锥齿轮转动保证功率传输稳定，在线测试光性能指标，如插入损耗，实时转速，旋转寿命等；当要测试被测试产品电性能指标时，将电滑环定子出线端2，被测试产品定子出线端5接入电性能测试设备系统中，以某一速度转动电机测试产品电性能指标，如动态接触电阻，耐电压，旋转寿命，转动力矩等性能指标。

1-光滑环定子端出线；2-电滑环定子出线；3-转子端光电线；4-产品转子端光电线；5-产品定子端电出线；6-产品定子端光出线图6 被测产品测试示意图

2.2 水密环境下检测装置设计

水密光电滑环用于实现海洋武器装备如舰船、航母、深海潜水艇、深水机器人、鱼雷、水下探测装置等大数据光、电信号动态传输要求, 航空反潜中, 水下目标探测定位精度对深水炸弹(深洋)命中率有直接影响[6]，在反潜作战中，声纳浮标是一种重要的反潜探测设备[7]。水密光电滑环需要在一定水压、转速下保证光电信号的连续传输，为了模拟此实际使用工况，需要设计水密环境下光电滑环光电信号传输检测装置[8]。

(1) 装置技术参数设计要求

1)装置芯数

1)转速在0～1000 rpm范围可调，转速控制精度0.1r/s；

3)压力罐压力在1～30 MPa范围可调；

4)输入主转动轴耐水压指标不小于30 MPa；

6)标准光滑环、电滑环旋转寿命不低于1000万转；

7)光插入损耗数据可以通过光源光功率计仪器以曲线连续输出；

8)电动态接触电阻可以通过直流数字电阻测试仪曲线连续输出；

9)试验装置的安全性要求为在密封失效的情况下[9]，不能由于高压水压的压力导致试验装置破坏带来危险。

(2) 检测装置结构设计

水密环境下试验装置设计[10]主要是在常温环境下试验装置基础上增加可以测产品不同水压条件的压力罐装置并进行优化设计[11]。该试验装置可模拟水密光电滑环产品在一定水压环境下以一定转速的光电信号动态传输的实际工况。

试验装置如图7所示，其中包括标准20芯光纤旋转滑环2，其转速、寿命等参数比被测水密光电滑环产品转速、寿命设计要高；变速传动装置8包括变速电机9和锥齿轮减速机构，其中变速电机速度可调且可实现计数功能，20芯光纤滑环2和被测滑环产品的转速一致，二者转子端光连接通过水密连接器连接好后放入压力灌7中；被测产品转子输出装置中包括测试转子轴密封，及水密光电连接器接续以及测试转子与被测转子连接部分；被测旋转接头定子输出装置5采用的是水密光电连接器连接器放入压力罐中，压力表可显示压力罐的实际压力值；被测旋转接头光性能的测试是通过光源1和光功率10组成的光测试链路。

1-光源 2-标准20芯光纤旋转滑环 3-被测产品转子输出装置 4-被测水密光电滑环产品 5-被测产品定子输出装置 6-压力表 7-压力罐 8-变速传动装置 9-调速电机 10-光功率计图7 水密光纤旋转接头

控制系统如图8所示，为闭环控制，光电编码器为反馈器件。实时控制 CPU接收管理 CPU 发出的转速指令，并通过运动控制卡转换为 16bit D/A 信号控制驱动器输出电流驱动电机运动，光电编码器与主轴同轴，在旋转过程中产生的数字信号通过信号倍频模块处理成 32bit A/B 相脉冲送入运动控制卡的计数器进行计数，实时控制 CPU 通过计算一个控制周期内运动控制卡计数器所计数值，计算出主轴的实际旋转速度，并和管理 CPU 发来的转速指令进行比较，以调整驱动器的输出电流，对电机转速进行调节，从而实现主轴转速的精确控制。

(3)产品多指标一体化测试步骤

其测试步骤如下：

置零操作：标准20芯光纤滑环置于上述装置中，再将其旋转端光纤和静止端光纤连入光源光功率系统中，进行静态置零操作；

装置连接及参数设置：将被测水密光纤旋转接头放入压力罐中，按上图连接安装，通过设置变速电机参数使输出轴转速为被测转速，通过设置压力罐的压力值，压力表显示所需压力值。

图8 控制系统示意图

测试数据及数据输出：按上述连接好的装置及设置好的参数，通过光功率上显示被测水密光纤旋转接头的插入损耗值在转速、耐水压下值，以所需转速转动装置在线监测光功率值变化情况及压力值变化情况来测试产品的寿命，以模拟在旋转速度、耐水压力综合工况下产品的寿命指标。

3 典型产品实际工况模拟

为了模拟水密光电滑环在系统中实际工况要求，反映到产品的技术指标上是多指标的综合体现，如水密光电滑环产品插入损耗、旋转速度、寿命及耐水压一体化监测。

(1)水密两光两电滑环产品测试

图9为水密环境下滑环产品试验装置，其中左图水密两光两电产品和右图为试验装置，可进行变速高压条件下水密旋转接头系列产品插入损耗、旋转速度、寿命、耐水压一体化试验检测。该产品已于2016年交付于某用户单位并进行联机试验，产品适用系统使用效果较好。

图9 转速及耐水压下光电性能及寿命综合测试装置

(2)测试步骤

以水密两光两电滑环产品在耐水压5 MPa，旋转速度100 rpm，寿命50万转及寿命全过程中插入损耗测试为例，产品插入损耗要求：≤4 dB。

按GJB150.14A-2009《军用装备实验室环境试验方法》浸渍试验的试验程序及要求对产品进行浸渍试验，按照GJB3931—2000《光纤光缆旋转接头总规范》对产品进行光插入损耗检测，按照GJB1217—2009《电连接器试验方法》对产品进行耐电压及接触电阻等电性能指标检测，详细细则遵循具体试验方法如下：

试验温度条件：室温；

试验时间：每天工作8 h，全寿命一共84 h，一共需要10.5 d。

以上是在定速定压下对产品的全寿命周期内光电性能的测试方法，可模拟实际工况下产品性能真实反映。按照上述测试方法，试验结果为，50万转内光插入损耗均小于4 dB，数据曲线如图10所示；耐电压值满足1500 VAC不击穿及动态接触电阻不大于10 mΩ要求，数据曲线如图11所示，满足设计技术指标要求，效果良好，可对系统可靠性研究提供数据支撑。

图10 光电滑环插入损耗曲线图

图11 光电滑环接触电阻曲线图

(3)多指标一体化测试扩展[12]

以上试验装置可通过更改压力罐参数、调速电机减速机构参数及输入主轴密封性能等主要参数，来推广可适用于：相同水压不同转速下水密光电滑环产品光插入损耗检测，可得出某一相同水压下不同旋转速度与旋转密封组件的关系曲线；相同转速不同水压下水密光电滑环产品光插入损耗测试，可得出某一相同转速下不同水压与旋转密封组件的关系曲线。

以水密光电滑环产品为例，具体试验方法可如下所示：

(1)水压压力为3 MPa时，分别设定转速为100 rpm，200 rpm，300 rpm，累计工作时间25 h，对水密光电滑环产品光插入损耗测试；

(2)水压压力为5 MPa时，分别设定转速为100 rpm，200 rpm，300 rpm，累计工作时间25 h，对水密光电滑环产品光插入损耗测试；

(3)水压压力为10 MPa 时，分别设定转速为100 rpm，200 rpm，300 rpm，累计工作时间25 h，对水密光电滑环产品光插入损耗测试；

(4)水压压力为10 MPa、转速为300 rpm的条件下，连续工作直到有水压下降为止或者光插入损耗性能不满足指标要求。

根据以上测试方法及步骤，典型产品的测试结果数据以多指标综合的曲线图表示，可反映模拟产品的实际使用工况，真实反映产品在系统中的技术指标真实状况，效果良好。

4 结 语

本文通过模拟光电滑环产品在系统中实际工况使用，提出了一种新型的光电滑环性能动态检测装置。该装置通过调速电机实现被测试光电滑环的转动与转速控制，通过锥齿轮实现动力传递，通过引入标准多芯光滑环和高电压多芯电滑环与被测试光电滑环连接来分别实现产品在一定转速一定环境下的全寿命光电性能的检测。该检测装置能极大地模拟光电滑环产品在系统中的实际工况，通过使用该光电滑环动态检测装置可实现产品在不同的转速要求下连续转动其光插入损耗和接触电阻的连续性动态变化情况的测试；可实现在不同的环境状态下产品以设计转速转动时产品性能变化情况的测试；可实际测出产品失效时的具体转数，即产品寿命，进而优化系统可靠性设计。

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