CN109802264B - 一种光电混合双向通信的非接触式湿插拔连接器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电混合双向通信的非接触式湿插拔连接器，属于水下电连接器件技术领域，包括安装在水下电气设备上的插座和通过海缆连接到负载的插头，插座包括初级外壳、设置在初级外壳端部的初级线圈和沿初级外壳轴向移动的初级光学腔体，初级外壳内具有放置电路控制板的初级腔；插头包括次级外壳、设置在次级外壳端部的次级线圈和位于次级线圈的端部的次级光学腔体，次级光学腔体的端面与初级光学腔体相对的端面设有透光窗口，次级外壳内具有用于放置电路控制板的次级腔；次级外壳外活动套设有一导向套筒，插头与插座插接时，插座的初级线圈套入导向套筒内，次级线圈的前端插入初级线圈内，次级光学腔体与初级光学腔体端面的透光窗口相贴近。

Description

一种光电混合双向通信的非接触式湿插拔连接器

技术领域

本发明涉及水下电连接器件技术领域，具体地说，涉及一种光电混合双向通信的非接触式湿插拔连接器。

背景技术

海洋科学与海洋资源开发的迅速发展，促进了对海洋进行长期、大范围实时监测观测与探索的需求，对于大型的海底观测网，海洋施工是头号难题，采用整体式布放几乎不太可能完成，因此水下插拔连接器的使用成为关键，它可以将这些工程项目分割成数块，采用分块布放的方式进行海面布放，然后通过湿插拔连接器来完成系统连接，进而实现大型水下工程项目的远距离通信及电源输送。实现海底观测站与通信电缆、海洋传感器等设备之间可靠连接，也为海底观测信息网络系统的设备扩展与重组提供了有效的解决手段。

水下湿插拔连接器主要有水下插拔电连接器、水下插拔光连接器、水下插拔光电混合连接器等。通常，水下湿插拔连接器由于要长期在水下工作，其插合与分解经常是在复杂的水下环境中完成的。尤其在大水深下，连接器的插合与分解过程不可能由潜水员人工完成，只能借助有缆遥控水下机器人ROV(遥控潜水器)，通过ROV上搭载的机械手来进行操作。

现阶段通用的水下湿插拔连接器的基本原理如图1所示，连接器由插头(左)和插座(右)组成，插座固定在接驳盒(或水下基站)上，ROV或者潜水员将插头与插座插合，完成电能与信号传输，其插合过程如下：

如图1(a)，首先插头与插座的端面贴合，两侧端面的密封由开口的橡胶环7和橡胶环8完成，插合时橡胶环7和橡胶环8相互挤压，隔离外界高压海水；如图1(b)，插头向插座内部沿轴向移动，插头、插座内部的密封体相对于锁口部位产生相对滑动，导致复位弹簧4和复位弹簧11压缩，压缩插头侧的弹簧1，使得插头侧的电极5在弹簧1的作用下穿过橡胶环7和橡胶环8的开口与插座侧电极12接触，形成信息或电能传输通道。最终完全插合时如图1(C)所示。图中2、6、9、10均为充油腔体。

拆分过程正好与上述过程相反，首先电极脱离，回到压缩的橡胶环7和橡胶环8内，与外界隔离保护，然后两侧橡胶环脱离。腔体内部充满绝缘的液压油，以与外界高压海水压力平衡，耐腐蚀的金属波纹软管3可以适应液压油体积变化来进行体积补偿。

此外，常用的湿插拔连接器有2芯、4芯、8芯、12芯等用来传输多路信号与电能。其多芯连接器操作方法与图1类似。

现有的湿插拔连接器主要存在以下缺陷：

(1)由于水是良导体，连接器在插合与脱开的过程是一个动密封的过程，容易发生击穿、漏电、短路等安全隐患；

(2)为了能够电极顺利地通过开口橡胶，所以对准精度要求非常高，以防止给电极带来附加应力或者不能顺利形成导电通路，而深海环境下是通过ROV来进行操作的，对准比较困难；

(3)所需要的插拔力较大，需要严格选择ROV的操作输出力；

(4)易磨损，寿命有限，而且价格昂贵。

发明内容

本发明的目的为提供一种光电混合双向通信的非接触式湿插拔连接器，在插头与插座连接的过程中，无需复杂的密封结构，且对准要求较低，插拔力大大降低，插接完毕后可同时实现插头端与插座端的电能传输以及双向高速通信。

为了实现上述目的，本发明提供的光电混合双向通信的非接触式湿插拔连接器包括安装在水下电气设备上的插座以及通过海缆连接到负载的插头，插座包括初级外壳、设置在初级外壳端部的初级线圈和可沿初级外壳的轴向移动的初级光学腔体，初级外壳内具有用于放置电路控制板的初级腔；插头包括次级外壳、设置在次级外壳端部的次级线圈和位于次级线圈的端部的次级光学腔体，次级光学腔体的端面与初级光学腔体相对的端面设置有透光窗口，次级外壳内具有用于放置电路控制板的次级腔；次级外壳外活动套设有一导向套筒，插头与插座插接时，插座的初级线圈套入导向套筒内，次级线圈的前端插入初级线圈内，次级光学腔体与初级光学腔体端面的透光窗口相贴近。

上述技术方案中，通过两线圈耦合之后电磁感应的原理传输电能，通过无线光通信的原理进行信号双向传输。对插头和插座单独密封，密封结构可靠，绝缘效果好，在插接过程中无需复杂的动密封，避免了因密封失败漏水而发生的安全隐患。初级线圈和次级线圈内也可设置磁芯，减小漏磁，增强电能传输能力。两线圈之间存在周向间隙，其同轴圆柱形式的线圈允许任何径向方向的偏差，因此降低了对连接器上定位销或者其他径向定位技术的要求，使得操作简便，设计简单稳定。两线圈可物理分离，周向间隙允许海水或者其他小碎屑物的存在。同时，插头与插座的分离式结构降低了插拔力，而且不需要周向定位，降低了ROV操作难度。通过初级光学腔体和次级光学腔体来实现插座端和插头端的无线光通信，该信号传输方式带宽大，速率高，可以实现图片、音频、视频等信号的高速传输。整个装置体积小，重量轻，结构简单，操作方便，大大降低了制造成本。

为了实现插座端与插头端的双向通信，作为优选，初级光学腔体和次级光学腔体内镜像设置有光源、对光源发出的光束进行准直的第一球透镜、改变光束方向的反射镜、用于反射出射光并透射入射光的分束器、对入射光进行聚焦的第二球透镜以及用于将入射光的光信号转换为电信号的光电二极管。

当接驳盒需要向负载传输信号时，光源发出的光经第一球透镜准直，聚焦以后反射镜改变其方向，在初级分束器的反射作用下依次经过初级光学腔体和次级光学腔体的透光端面，经次级分束器的透射，再经第二球透镜聚焦，光电二极管接收到光信号将其转变为电信号，再经后续处理电路传递给负载。当负载需要传递信号给接驳盒时，与上述传输过程相同。

由于初级线圈的低阻抗、低电感特性，如果插座与插头未插合而线圈连接到电源，将导致很大的回路电流造成功率损耗或者直接导致电源短路。为了防止这种情况发生，作为优选，插头和插座之间设有插入检测器，插入检测器包括设置在初级线圈远离插头的端部的霍尔传感器和设置在次级线圈靠近插座的端部的永磁体。使用霍尔传感器与永磁体组成插入检测器，当插头未插入时，插入检测器禁用电能传输电路，从而节约电能并防止功率逆变器过载，当插头插入时，霍尔传感器与永磁体对齐，从而激活电能传输电路，系统正常工作。

作为优选，初级外壳在连接初级线圈的一端设有密封套入初级腔的初级线圈支架，初级线圈支架内设有与次级线圈外形相适应的通道，初级光学腔体活动安装在通道内。利用通道使插头插入时，初级光学腔体与次级光学腔体的端面相接触，实现光信号传播。

为使初级光学腔体与次级光学腔体的端面之间的距离最小，减小光信号传输过程中的损耗，作为优选，通道的底部设有与初级光学腔体相连的复位弹簧。

作为优选，初级腔、次级腔、初级光学腔体以及次级光学腔体内均填充有液压油。其中，初级腔和次级腔内填充液压油的目的为形成压力平衡油腔，当外界海水压强变化时，导致腔体内绝缘油的压力也随之变化，从而使得腔体内外压力平衡，简化了压力容器的设计。初级光学腔体和次级光学腔体内填充液压油的目的为适应水下高压的工作环境，初级光学腔体和次级光学腔体内同时采用透明的环氧树脂胶进行灌封，在设计光路之时需要考虑其折射率。初级光学腔体和次级光学腔体的端面可设置透明窗口，但需要耐腐蚀并且防止浮游生物附着在其上。初级线圈通过环氧树脂胶灌封在初级线圈支架上，次级线圈次级外壳上。

为了进一步平衡油腔压力，补偿体积变化，作为优选，初级外壳的端部设有连通初级腔的初级聚合物软管；次级外壳的端部设有连通次级腔的次级聚合物软管。

为防止接头在使用过程中松动或者脱落，作为优选，初级外壳与次级外壳间设有锁紧机构，锁紧机构包括设置在初级外壳上的垂直卡槽和设置在次级外壳上的弹片，弹片的端部设有与垂直卡槽配合的卡勾。至少设置一个弹片，优选设置两个弹片，两弹片对称布置在次级外壳上。

为了方便卡勾脱离垂直卡槽，作为优选，导向外罩上设有用于容纳弹片的避让槽，弹片一端固定在次级外壳上，另一端为楔形端面，避让槽设有与楔形端面配合的斜面。

作为优选，导向外罩上设有便于操作的手柄，且导向外罩的端面设有便于插座在插合时配合导向的锥形倒角。

可在次级外壳上设置限制导向外罩行程的定位轴肩，锁紧机构的工作原理为：导向外罩在次级外壳与弹片之间移动。当插头脱开插座时，操作力作用在手柄上，由于手柄固连在导向外罩上，因此，导向外罩往外移时导向外罩的斜面与弹片的楔形端面相抵，将卡勾撑开，离开垂直卡槽，此时导向外罩移动到了次级外壳上的定位轴肩位置，导向外罩与次级外壳一起往外移动，直至插头完全脱离插座。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的光电混合双向通信的非接触式湿插拔连接器插拔方便，在插头与插座连接的过程中，无需密封，且对准度高，可实现插头端与插座端的双向通信。整个装置体积小，重量轻，结构简单，操作方便，制造成本低。可以用于水下高压环境，也可用于油田天然气开采场合，以及一些潮湿有雾等场合，即使在一些诸人类无法操作的如易燃易爆等恶劣环境下也不影响本发明的使用。

附图说明

图1为现有技术的湿插拔连接器的结构示意图；

图2为本发明实施例的非接触式湿插拔连接器的结构示意图；

图3为本发明实施例的非接触式湿插拔连接器的剖视图；

图4为本发明实施例的无线光通信部件的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图2和图3，本实施例的光电混合双向通信的非接触式湿插拔连接器包括插座100和插头200；插座100安装在水下电气设备的安装面板上，插头200连接海缆和负载，ROV机械手或者潜水员通过操作手柄202将插头与插座插合，建立电气与通信链路；脱离时，只需拖拽操作手柄202沿轴向移动，即可脱开，断开电气与通信连接。

插座100包括初级外壳112、初级聚合物软管109、初级线圈支架105和初级光学腔体107，初级外壳112具有初级腔110，插头200包括次级外壳208、次级聚合物软管109、次级光学腔体205，次级外壳208具有次级腔210，为了平衡外界海水的压强，在初级腔110和次级腔210内充满绝缘液压油，形成压力平衡油腔，当外界海水压强变化时，导致腔体内绝缘油的压力也随之变化，从而使得腔体内外压力平衡，简化了压力容器的设计。

初级线圈103(可加磁芯)通过环氧树脂胶灌封在初级线圈支架105内，次级线圈207(可加磁芯)灌封在次级外壳208的端面上。当插座100与插头200插合时，初级线圈103与次级线圈207同轴嵌套，通过电磁感应原理将电能从初级传到次级。两线圈之间存在周向间隙，其同轴圆柱形式的线圈允许任何径向方向的偏差，因此降低了对连接器上定位销或者其他径向定位技术的要求，使得操作简便，设计简单稳定。初级线圈103和次级线圈207可物理分离，周向间隙允许海水或者其他小碎屑物的存在。初级控制电路板111与次级控制电路板209分别密封在初级腔110和次级腔210内。

由于初级线圈103的低阻抗、低电感特性，如果插座与插头未插合而线圈连接到电源，这将导致很大的回路电流造成功率损耗或者直接导致电源短路。为了防止这种情况发生，本实施例使用霍尔传感器104与永磁体206组成插入检测器，当插头200未插入时，插入检测器禁用电能传输电路，从而节约电能并防止功率逆变器过载，当插头200插入时，霍尔传感器104与永磁体206对齐，从而激活电能传输电路，系统正常工作。

本实施例的连接器采用无线光通信来实现信号的双向传输。如图4所示为光信号传输的示意图，当接驳盒需要向负载端传输信号时，光源115发出的光经高折射率的球透镜114准直、聚焦以后反射镜113改变其方向，在分束器118的作用下经过初级透光窗口106和次级透光窗口204，透过次级分束器217，再经球透镜216聚焦，光电二极管215接收到光信号将其转变为电信号，再经后续处理电路传递给负载。当负载需要传递信号给接驳盒时，光源214发出光信号，经球透镜213准直，反射镜212改变光路方向，在分束器217作用后穿过次级透光窗口204和初级透光窗口106，透过分束器118，再经球透镜117聚焦，光电二极管116接收到光信号将其转换为电信号，经后续的处理电路将该信号传递给接驳盒。

为了适应水下高压的工作环境，在初级光学腔体107和次级光学腔体205内充满透明的液压油并且用透明的环氧树脂胶进行灌封，在设计光路之时需要考虑其折射率。初级透光窗口106和次级透光窗口204需要耐腐蚀并且防止浮游生物附着在其上。为了减小海水地光信号的衰减，初级光学腔体107相当于弹簧阻尼系统，可以在初级线圈支架105内轴向移动，当插座100与插头200接触时，初级透光窗口106和次级透光窗口204在复位弹簧108的作用下相互靠近，使得两者的距离最短，保证光信号能够稳定可靠地传输。此处光源可以用发光二极管(LED)或者激光二极管(LD)，实现高速率信号传输。

为了补偿初级光学腔体107的移动带来的体积变化以及温度、压力变化带来的液压油膨胀等以及变化，需要进行体积补偿，因此在初级壳体112的端部设置连通初级腔110的初级聚合物软管109，在次级壳体208的端部设置连通次级腔210的次级聚合物软管211，以简化补偿系统的设计。

为防止接头在使用过程中松动或者脱落，初级外壳112与次级外壳208间设有锁紧机构，锁紧机构包括设置在初级外壳112上的垂直卡槽101和设置在次级外壳208上的弹片，弹片的端部设有与垂直卡槽101配合的卡勾201。本实施例设置两个弹片，且两弹片对称布置在次级外壳208上。

为了方便卡勾201脱离垂直卡槽101，本实施例的导向外罩203上设有用于容纳弹片的避让槽，弹片一端固定在次级外壳208上，另一端为楔形端面，避让槽设有与楔形端面配合的斜面。次级外壳上设有限制导向外罩行程的定位轴肩，导向外罩203可在次级外壳208与弹片之间移动。当脱开时，操作力作用在手柄上，由于操作手柄202固连在导向外罩203上，因此，导向外罩203往外移时导向外罩的斜面与弹片的楔形端面相抵，将卡勾201撑开，离开垂直卡槽101，此时导向外罩203移动到了次级外壳208上的定位轴肩位置，导向外罩203与次级外壳208一起往外移动，直至插头200完全脱离插座100。

本实施例的插拔操作过程如下：

插头200在操作力的作用下沿轴向移动，利用导向外罩203端面向内的锥形倒角使得插头200与插座100同轴；此时插头200继续向着插座100沿轴向移动，初级透光窗口106与次级透光窗口204接触，与此同时，两个对称布置的卡勾201沿着初级线圈支架105的外表面滑动，当插头200继续移动时，复位弹簧108被压缩，使得初级透光窗口106与次级透光窗口204之间的距离最小。当初级线圈支架105的端面与次级外壳208的端面接触时，卡勾201正好进入初级外壳表面的垂直卡槽101内，插头200与插座100锁定，实现稳定连接。此时插入检测器的霍尔传感器104与永磁体206对齐，激活电能传输，次级线圈207中感应出电动势，在插头侧得到电能以后，无线光通信系统也开始正常工作。

当脱开时，ROV或者潜水员拖拽操作手柄202，卡勾201脱离锁定槽，初级光学腔体107复位，插入检测器禁用电能传输，至此，插头200与插座100彻底断开。

Claims (10)

1.一种光电混合双向通信的非接触式湿插拔连接器，包括安装在水下电气设备上的插座以及通过海缆连接到负载的插头，其特征在于：

所述插座包括初级外壳、设置在所述初级外壳端部的初级线圈和可沿所述初级外壳的轴向移动的初级光学腔体，所述初级外壳内具有用于放置电路控制板的初级腔；

所述插头包括次级外壳、设置在所述次级外壳端部的次级线圈和位于所述次级线圈的端部的次级光学腔体，所述次级光学腔体的端面与所述初级光学腔体相对的端面设置有透光窗口，所述次级外壳内具有用于放置电路控制板的次级腔；

所述次级外壳外活动套设有一导向套筒，所述插头与插座插接时，插座的初级线圈套入所述导向套筒内，次级线圈的前端插入所述初级线圈内，所述次级光学腔体与所述初级光学腔体端面的透光窗口相贴近。

2.根据权利要求1所述的非接触式湿插拔连接器，其特征在于：所述的初级光学腔体和所述的次级光学腔体内镜像设置有光源、对所述光源发出的光束进行准直的第一球透镜、改变光束方向的反射镜、用于反射出射光并透射入射光的分束器、对入射光进行聚焦的第二球透镜以及用于将入射光的光信号转换为电信号的光电二极管。

3.根据权利要求1所述的非接触式湿插拔连接器，其特征在于：所述的插头和所述的插座之间设有插入检测器，所述插入检测器包括设置在所述初级线圈远离所述插头的端部的霍尔传感器和设置在所述次级线圈靠近所述插座的端部的永磁体。

4.根据权利要求1所述的非接触式湿插拔连接器，其特征在于：所述的初级外壳在连接所述初级线圈的一端设有密封套入所述初级腔的初级线圈支架，所述初级线圈支架内设有与所述次级线圈外形相适应的通道，所述的初级光学腔体活动安装在所述通道内，所述初级线圈位于通道口。

5.根据权利要求4所述的非接触式湿插拔连接器，其特征在于：所述的通道的底部设有与所述初级光学腔体相连的复位弹簧。

6.根据权利要求4所述的非接触式湿插接连接器，其特征在于：所述的初级腔、所述的次级腔、所述的初级光学腔体以及所述的次级光学腔体内均填充有液压油，其中，所述初级光学腔体和次级光学腔体内同时采用透明的环氧树脂胶进行灌封；所述初级线圈通过环氧树脂胶灌封在所述初级线圈支架上，所述次级线圈灌封在次级外壳上。

7.根据权利要求6所述的非接触式湿插接连接器，其特征在于：所述的初级外壳的端部设有连通所述初级腔的初级聚合物软管；所述的次级外壳的端部设有连通所述次级腔的次级聚合物软管。

8.根据权利要求1所述的非接触式湿插接连接器，其特征在于：所述的初级外壳与所述的次级外壳间设有锁紧机构，所述锁紧机构包括设置在所述初级外壳上的垂直卡槽和设置在所述次级外壳上的弹片，所述弹片的端部设有与所述垂直卡槽配合的卡勾。

9.根据权利要求8所述的非接触式湿插接连接器，其特征在于：所述的导向套筒上设有用于容纳所述弹片的避让槽，所述弹片一端固定在所述次级外壳上，另一端为楔形端面，所述避让槽设有与所述楔形端面配合的斜面。

10.根据权利要求1所述的非接触式湿插接连接器，其特征在于：所述的导向套筒上设有便于操作的手柄，且导向套筒的端面设有便于插座在插合时配合导向的锥形倒角。

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