一种高速多通道光纤旋转连接器
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种高速多通道光纤旋转连接器。
背景技术
光纤旋转连接器能够实现光信号在相对旋转部件之间的传输，常用在一端旋转一端固定的场合，从而保证光信号的传输不因为旋转而中断。光纤旋转连接器与传统的电滑环相比具有多种优点，可以适应极高的转速、并拥有超长寿命；产品的机械强度更高、更稳定；无电磁泄漏，保密性好，抗电磁干扰；传输频带宽；可以选择单模或多模，且体积小巧；适用于空间狭小的工作场合等优点，在不同的领域均得到了广泛的应用。作为两个非接触装置中利用光纤进行信息传输的连接机构，光纤旋转连接器在工业上的机械手、绞车、石油开采设备，海洋探测的扫描系统和追踪雷达、海底机器人；军事上战船的海底水声系统、战车的旋转塔台，航天领域的飞行器以及医疗设备CT扫描系统、风力发电、直升机、工业传感器等高速视频、数字、模拟信号的传输和控制等方面均有运用。
随着传输信号数量的增多，单通道光纤旋转连接器已不能满足要求，多通道光纤旋转连接器的设计势在必行。目前已有多种多通道的光纤旋转连接器实现方案，如利用DOVE棱镜转像原理实现光信号旋转连接，但该类方法需要复杂的行星轮机构来保证棱镜的转速为转子的一半，由于齿轮与DOVE棱镜的精度难以保证，势必会造成较大的误差，且机械结构过多，该结构的光纤旋转连接器转速都不高，只有几百转，严重限制了其使用。
另外，有采用光纤直接耦合，利用透镜结构的对称性、菲涅尔透镜等设计的多通道光纤旋转轴连接器，也有采用V型刻槽环形波的定向导光特性、圆柱状波导、光束直接耦合法等构建的中空多通道光纤旋转连接器，它们或因为精度难以保证、结构复杂、或因为损耗过大等原因，并没有得到大规模的使用，而且其内部构件过多，使用转速被严格限制。
发明内容
本申请实施例通过提供一种高速多通道光纤旋转连接器，解决了现有技术中光纤旋转连接器结构较复杂、转速较低的问题。
本申请实施例提供一种高速多通道光纤旋转连接器，包括沿同一中轴线自左向右顺序排列的固定端光纤准直器、旋转端第一级、旋转端第二级、旋转端第三级；所述固定端光纤准直器、所述旋转端第一级、所述旋转端第二级均封装在连接器外壳中；
所述旋转端第一级包括旋转端光纤准直器、准直器轴套、一级滚动轴承；所述旋转端第二级包括中间轴、二级滚动轴承；所述旋转端第三级包括连接轴、1×N双向光开关、输入轴；
所述旋转端光纤准直器与所述固定端光纤准直器耦合连接，所述旋转端光纤准直器与所述准直器轴套固定连接，所述准直器轴套的外径与所述一级滚动轴承的内径配合，所述一级滚动轴承的外径与所述连接器外壳配合；
所述准直器轴套通过一级弹簧销与所述中间轴相连，所述中间轴的外径与所述二级滚动轴承的内径配合，所述二级滚动轴承的外径与所述连接器外壳配合；
所述1×N双向光开关位于所述连接轴与所述输入轴之间，所述连接轴通过二级弹簧销与所述中间轴相连，所述输入轴用于通过联轴器与外部旋转输入轴相连。
优选的，所述固定端光纤准直器通过紧定螺钉固定在所述连接器外壳上；所述旋转端光纤准直器通过紧定螺钉与所述准直器轴套固定连接。
优选的，所述准直器轴套的末端设置有外螺纹，所述准直器轴套配合圆螺母与止动垫片对所述一级滚动轴承进行轴向固定。
优选的，所述1×N双向光开关为封装好的1×N双向光开关，包括封装在一起的1×N双向光开关、驱动电路、电源；所述封装好的1×N双向光开关的端口处设置为光纤法兰。
优选的，所述1×N双向光开关的公共端与所述旋转端光纤准直器的尾纤连接，所述1×N双向光开关的N路通道则分别与N个光纤传感器连接；所述旋转端光纤准直器与所述1×N双向光开关之间的空隙填充有无机高温胶。
优选的，所述一级滚动轴承为一级角接触球轴承，所述二级滚动轴承为二级角接触球轴承。
优选的，所述一级角接触球轴承、所述二级角接触球轴承均采用陶瓷球轴承。
优选的，所述一级弹簧销、所述二级弹簧销均采用开口弹簧销。
优选的，所述准直器轴套、所述中间轴、所述连接轴均开设有安装孔；所述一级弹簧销插入所述准直器轴套与所述中间轴对应的安装孔中，轴端面间设置有减震垫片；所述二级弹簧销插入所述中间轴与所述连接轴对应的安装孔中，轴端面间设置有减震垫片。
优选的，所述减振垫片采用氟橡胶。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在本申请实施例中，提供的高速多通道光纤旋转连接器包括沿同一中轴线自左向右顺序排列的固定端光纤准直器、旋转端第一级、旋转端第二级、旋转端第三级，旋转端第一级包括旋转端光纤准直器、准直器轴套、一级滚动轴承，旋转端第二级包括中间轴、二级滚动轴承，旋转端第三级包括连接轴、1×N双向光开关、输入轴。本发明采用两个滚动轴承并联的方式，可以提高转动精度和稳定度；同时高精度轴承径向跳动小，转速一般可达几万转，加上本发明旋转部分主要由轴和轴承组成，结构简单，可实现几千甚至上万转的高转速。外部转动依次经过旋转端第三级、旋转端第二级和旋转端第一级到达旋转端光纤准直器，外部旋转输入轴引起的轴向、角度及径向偏差被旋转端每一级间的柔性连接抵消，从而能够保证旋转端光纤准直器的稳定旋转。通过光纤准直器的耦合能够实现光信号在相对旋转平台间的传递，通过1×N双向光开关能够实现不同通道之间的切换。本发明提供的高速多通道光纤旋转连接器结构简单、安装方便，能够适应高速的运转环境，损耗小，光信号质量好，具有结构小、成本低、维护简单等特点，能够抵抗较大的轴向偏差、角度偏差以及径向偏差。
附图说明
为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种高速多通道光纤旋转连接器的整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种高速多通道光纤旋转连接器的整体外观示意图；
图3为本发明实施例提供的一种高速多通道光纤旋转连接器中已封装的1×4双向光开关的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种高速多通道光纤旋转连接器采用的均布弹簧销连接方式的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种高速多通道光纤旋转连接器中弹簧销的示意图。
其中，1-连接器外壳、2-固定端光纤准直器、3-紧定螺钉、4-旋转端光纤准直器、5-一级角接触球轴承、6-准直器轴套、7-止动垫片、8-圆螺母、9-减震垫片、10-一级弹簧销、11-中间轴、12-二级角接触球轴承、13-螺钉、14-垫片、15-端盖、16-二级弹簧销、17-连接轴、18-1×N双向光开关、19-输入轴。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本实施例提供一种高速多通道光纤旋转连接器，如图1所示，包括：沿同一中轴线自左向右顺序排列的固定端光纤准直器2、旋转端第一级、旋转端第二级、旋转端第三级。其中，除了旋转端第三级外，其他部分(即固定端光纤准直器2、旋转端第一级、旋转端第二级)均封装在连接器外壳1里面。
所述固定端光纤准直器2直接与所述连接器外壳1固定相连，具体的，通过紧定螺钉3将所述固定端光纤准直器2固定在所述连接器外壳1上。
所述旋转端第一级，如图1所示，包括：旋转端光纤准直器4、准直器轴套6、一对一级角接触球轴承5。
所述旋转端光纤准直器4直接与所述固定端光纤准直器2进行耦合，所述旋转端光纤准直器4的外部由所述准直器轴套6保护并带动其旋转，所述准直器轴套6的外径与所述一级角接触球轴承5的内径配合，所述一级角接触球轴承5的外径则直接与所述连接器外壳1配合。
具体的，所述旋转端光纤准直器4通过所述紧定螺钉3与所述准直器轴套6固定，所述一级角接触球轴承5通过与所述连接器外壳1和所述准直器轴套6的配合，保证所述旋转端光纤准直器4的转动。
如图1所示，所述准直器轴套6的末端具有外螺纹，配合圆螺母8与止动垫片7对所述一级角接触球轴承5进行轴向固定。
所述旋转端第二级，如图1所示，包括：中间轴11和一对二级角接触球轴承12。
通过均布的一级弹簧销10将所述准直器轴套6与所述中间轴11连接起来，所述中间轴11的外径与所述二级角接触球轴承12的内径配合，所述二级角接触球轴承12的外径则直接与所述连接器外壳1配合。
即所述二级角接触球轴承12通过与所述连接器外壳1和所述中间轴11的配合，保证所述中间轴11的旋转，而所述中间轴11的动力通过均布的一级弹簧销10传递给所述准直器轴套6，所述一级弹簧销10的示意图如图5所示，其连接方式如图4所示，所述准直器轴套6与所述中间轴11均开有孔，其连接处配合有减震垫片9。
端盖15用于对所述二级角接触球轴承12的外圈进行轴向定位，防止轴承及内部零件发生轴向移动；同时垫片14位于所述端盖15的内侧，与所述端盖15同时起到防尘和密封作用；周向均布的螺钉13将所述端盖15及所述垫片14固定在所述连接器外壳1上。
所述旋转端第三级，如图2所示，包括：连接轴17、1×N双向光开关18、输入轴19。
所述封装好的1×N双向光开关18为：将1×N双向光开关、驱动电路及电源封装起来，将每一通道接通维持一定的时间段后即自动切换通道，端口处设置为光纤法兰便于与光纤传感器连接。
下面以1×N双向光开关18具体为1×4双向光开关为例进行说明。
所述旋转端第三级的一端通过均布的二级弹簧销16与所述中间轴11相连，如图4所示，所述旋转端第三级的另一端通过联轴器与外部旋转输入轴相连。封装好的1×4双向光开关处在所述连接轴17与所述输入轴19之间，实现多通道光信号的采集，封装好的1×4双向光开关的示意图如图3所示。
需要说明的是，联轴器是将外部旋转输入轴与本发明连接的结构，为常用旋转轴间连接方式，不是本发明要求保护的结构。外部旋转输入轴可以为任何待测设备的旋转轴，也不是本发明要求保护的结构。
参看图1，外部旋转输入轴由于旋转偏心、振动等产生的偏差会通过联轴器传递到本发明提供的高速多通道光纤旋转连接器上，而通过柔性联轴器后的外部力会减少一部分，再经过本发明的所述旋转端第三级、所述旋转端第二级和所述旋转端第一级间的柔性连接，不会使所述旋转端第一级产生较大的变形，从而能够保证所述固定端光纤准直器2与所述旋转端光纤准直器4的耦合不受影响，使本发明提供的高速多通道光纤旋转连接器在较恶劣的工况下也能稳定的工作。
此外，所述旋转端光纤准直器4与1×4双向光开关之间的空隙用无机高温胶填充，以防止光纤在高速旋转时断裂。
参看图4、图5，弹簧销(包括所述一级弹簧销10、所述二级弹簧销16)采用开口弹簧销，在一定的压缩量下插入所述准直器轴套6、所述中间轴11以及所述连接轴17对应的孔中，保证弹簧销不会出现滑移，起到传递扭矩以及抵抗振动的作用。
为保证光纤旋转连接器在高温下使用，所述一级角接触球轴承5与所述二级角接触球轴承12均采用陶瓷球轴承，可在20000rpm的转速下工作且不需要润滑。
在高速旋转时，轴承势必会产生较高的温度，陶瓷球轴承无需润滑，且能耐高温，具有普通轴承所不具备的优势；此外，相比于普通深沟球轴承，在相同尺寸下，角接触球轴承比深沟球轴承拥有更高的转速，更适合用在高转速、高精度的场合。
为保证光纤旋转连接器在高温下使用，所述减振垫片9均采用耐高温橡胶，具体可以采用氟橡胶。
本发明提供的一种高速多通道光纤旋转连接器实现多通道旋转连接的过程为：当最右侧四路光纤传感器光信号进入1×4双向光开关时，设定光开关每隔5秒切换一次通道，当第一通道开启时，第一光纤传感器的光信号则可传递到所述旋转端光纤准直器4，经过耦合到达所述固定端光纤准直器2，再到达信号采集设备；1×4双向光开关切换通道后，第二通道(类似的还有第三通道、第四通道，不再一一赘述)以及对应的第二光纤传感器(与第三通道对应的是第三光纤传感器、与第四通道对应的是第四光纤传感器)的信号传递与第一通道和第一光纤传感器的信号传递原理相同。每一个通道相通时，相当于一路单通道光纤旋转连接器在工作，从而可以保证该光纤旋转连接器在高转速下工作。
综上，本发明提供的高速多通道光纤旋转连接器是一种包括有三级旋转输入及多通道传输方案，固定端光纤准直器直接与连接器外壳配合，此为固定端；输入轴、1×N双向光开关、连接轴、中间轴与准直器轴套共同组成旋转端。准直器轴套与中间轴分别与一级角接触球轴承和二级角接触轴承配合，轴承又直接与连接器外壳配合，实现旋转端准直器的旋转；连接轴、1×N双向光开关与输入轴大部分在连接器外壳壳体外面，主要通过1×N双向光开关实现多通道的信号双向传输，光信号通过固定端光纤准直器与旋转端光纤准直器的耦合实现光信号在旋转端与固定端之间的双向传输，旋转端光纤准直器与1×N双向光开关的单端连接实现单通道与多通道的双向信号传输。即本发明提供的一种高速多通道光纤旋转连接器包括固定体和旋转体，固定体包括连接器外壳和固定端光纤准直器，旋转体包括依次设置的光纤准直器轴套、中间轴、连接轴、输入轴及封装好的光开关，光纤准直器轴套内径与旋转端光纤准直器配合，外径与轴承配合，达到旋转端准直器与固定端准直器耦合的目的；中间轴将光纤准直器轴套与连接轴连接起来，轴端连接处加有减振垫片，相邻两轴通过均布的弹簧销来传递转矩；输入轴通过封装好的光开关及连接轴将旋转设备的转动传入到光纤旋转连接器中，光开关端口将其封装为光纤法兰，通过时分复用实现多通道信号传输，结构简单、安装方便，能够适应高速的运转环境。
本发明实施例提供的一种高速多通道光纤旋转连接器至少包括如下技术效果：
(1)本发明采用两个滚动轴承并联的方式，可以提高转动精度和稳定度；同时高精度轴承径向跳动小，转速一般可达几万转，加上本发明旋转部分主要由轴和轴承组成，结构简单，因此实现几千甚至上万转的高转速是较为容易的。
(2)本发明的旋转端与外部旋转输入轴连接，外部转动依次经过旋转端第三级、旋转端第二级和旋转端第一级到达旋转端光纤准直器，外部旋转输入轴引起的轴向、角度及径向偏差被旋转端每一级间的柔性连接抵消，从而保证旋转端光纤准直器的稳定旋转。
(3)本发明将单通道光纤旋转连接器与封装好的1×N双向光开关相结合，采用时分复用的方法采集多路光信号进行分析，结构简单，能够在高转速下运行，损耗小，光信号质量好。具有结构小、成本低、维护简单等特点，能够抵抗较大的轴向偏差、角度偏差以及径向偏差。
(4)本发明通过光纤准直器的耦合能够实现光信号在相对旋转平台间的传递，光开关能够实现不同通道之间的切换，将旋转端光纤旋转连接器与光开关相连，多个传感器的信号便可通过光开关通道的切换分为不同时间段传入到旋转端光纤旋转连接器，再通过静止端光纤准直器传递到信号采集装置，利用时分复用的方法便可以将信号提取出来，可以在高转速的环境下运行。理论上，采用1×N的双向光开关便可以实现N路光信号的采集。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
