CN113067641B - 一种非接触式滑环传输系统及相关光信号传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种新型非接触式滑环系统及相关的光信号传输方法，该系统包括；上端开口的转子圆筒，下端具有与转子圆筒尺寸一致的圆筒形开口的定子空腔，所述转子圆筒上端开口和所述定子空腔的下端开口相对，通过轴承衔接；分别设置在所述转子圆筒筒壁和所述定子空腔内的多组光电探测器及调理电路、若干光信号源，以及穿过无线能量收发线圈的光学收发通道。光信号源发出的光束经过光学收发通道到达相应的光电探测器及调理电路进行接收。本发明提供的技术方案可容易地拓展成多通道双工通信的光传输系统，没有现有滑环的轴磨损和耦合问题，传输损耗低且工作寿命长。

Description

一种非接触式滑环传输系统及相关光信号传输方法

技术领域

本发明属于光通信领域，具体涉及一种用于同时传输信号和能量的非接触式滑环传输系统。

背景技术

目前市场上的滑环设备的旋转端和固定端的电气连接，供电、信号均是通过导电滑环来传输。滑环设备的导电滑环触点与环体长期摩擦，将导致信号传导性能下降、可靠性低、抗电磁干扰能力差，这将造成通过滑环的高速传输的数字信号急剧衰减，通信将变得不可靠。

光纤滑环是在传统的导电环中加装光纤旋转连接器，通过机械拔插机构进行柔性连接，光纤滑环中选用光纤准直器、道威棱镜、微型精密轴系、机械连接及调整机构组成，特别对于多通道光纤滑环制造成本非常高。光纤滑环具有以下优点：(1)用光纤传递信号，无泄密，无电磁干扰，可以远距离传输；(2)产生的灰尘少，寿命长；(3)体积小、重量轻，不锈钢材料；(4)损耗小(<1.0dB)、旋转速率高(1000rpm)。但是由于多通道的光纤滑环之间轴系需要精密对准，而长时间齿轮的磨损将导致光纤收发对准出现问题，影响信息传输的可靠性。

现有技术中的滑环系统存在以下不足：1.空间光信息的双工信息传输过程中，其中一个方向光损耗大，存在双向光束的波长的规划导致光波长固定、不够灵活。2、存在长时间齿轮的磨损将导致光纤收发对准出现问题，进而造成光纤滑环使用寿命缩短。

发明内容

为了克服目前滑环系统存在的上述不足，本发明提供的一种非接触式滑环传输系统。通过本发明提供的技术方案克服现有滑环系统中传输链路损耗大、光束固定不够灵活，实现旋转机构转子与定子之间的多通道光信息双工传输，并兼具供电能力。

本发明提供的技术方案具体实现为：

一种非接触式滑环传输系统，包括：上端开口的转子圆筒，下端具有与转子圆筒尺寸一致的圆筒形开口的定子空腔，所述转子圆筒上端开口和所述定子空腔的下端开口相对设置，通过轴承进行衔接。所述定子空腔的圆筒形开口处设置有无线能量发射线圈，所述转子圆筒上端开口处设置无线能量接收线圈，所述无线能量发射线圈和无线能量接收线圈为中间空心的圆环形结构。所述定子空腔的内部和转子圆筒侧壁上都设有光信号源以及光电探测器及调理电路，转子圆筒侧壁上的光信号源和光电探测器及调理电路位于不同高度。所述定子空腔内部和所述转子圆筒内设有从所述无线能量发射线圈和无线能量接收线圈的中间空心穿过的光学收发通道。所述定子空腔内部光信号源发出的光信号通过所述光学收发通道进行传输，由所述转子圆筒侧壁上的光电探测器及调理电路进行接收；所述转子圆筒侧壁上的光信号源发出的光信号同样通过所述光学收发通道进行传输，由所述定子空腔内部的光电探测器及调理电路进行接收。

进一步地、所述光学收发通道包括：设置在所述定子空腔内部的发射波长分光镜、收发分光镜、接收波长分光镜、若干双抛物面反射镜以及若干菲涅尔透镜，每个所述菲涅尔透镜一体化粘接在一个所述双抛物面反射镜内部、两者的焦点相同；设置在所述转子圆筒内、所述无线能量接收线圈中间空心正下方的反射圆锥，所述反射圆锥固定在与转子筒壁固定的锥面托盘上。在实际试验时发现该滑环传输系统的光束通过反射圆锥后，由于圆锥外表面有一定的曲度且不是完全平整，将导致反射后光束拉长发散，所以在本发明的滑环传输系统中采用双抛物面反射镜而非球面镜进行聚束。

进一步地、所述转子圆筒侧壁上的光信号源和所述定子空腔的内部光信号源的数量、双抛物面反射镜以及菲涅尔透镜的数量均为2个。

所述转子圆筒侧壁上的2个光信号源发出两束不同波长的光束依次经过反射圆锥外表面反射、穿过所述无线能量发射线圈和无线能量接收线圈的中间空心后进入所述收发分光镜后，经过所述收发分光镜到达所述接收波长分光镜后、被分成两束不同波长的光束。对于所述两束光束中的任一束、部分经过一个菲涅尔透镜汇聚、部分再经过与所述一个菲涅尔透镜一体化粘接的一个双抛物面反射镜汇聚到所述一个菲涅尔透镜焦点处的光电探测器及调理电路进行接收。所述定子空腔内部的2个光信号源发出两束不同波长的光束，由所述发射波长分光镜组合汇合成一束经过所述收发分光镜、穿过所述无线能量发射线圈和无线能量接收线圈的中间空心到达所述反射圆锥的外表面，由所述反射圆锥的外表面反射成圆环光束、光束的发散角不变，不同波长的光束部分到达所述转子圆筒侧壁上不同高度的光电探测器及调理电路，由对应的光电探测器及调理电路进行接收。

优选地、所述滑环传输系统中的所有光信号源中的任意2个发出的光束波长都不相同。

与上述滑环传输系统相对应，本发明还提供一种基于非接触式滑环的光信号传输方法，该方法采用上述的滑环传输系统，使该滑环传输系统的光信号源产生的信号光束，通过该滑环传输系统中的光学收发通道在转子和定子之间通过进行发送、传输和接收。

本发明提供的技术方案与现有技术相比具有光信号传输损耗小，光束波长规划灵活，信号传递与能量传递一体化实现有利于系统的小型化，并且不存在长时间齿轮的磨损造成收发对准出现问题。

附图说明

图1为本发明提供的非接触式滑环传输系统在一个实施例中的结构示意图；

图2是图1的实施例中能量传输通道的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，本发明的技术方案不应局限于以下实施例，相反、提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明的一个实施例中提供的非接触式滑环传输系统包括：上端开口的转子圆筒a，下端具有与转子圆筒尺寸一致的圆筒形开口的定子空腔b，所述转子圆筒a上端开口和所述定子空腔b的下端开口相对设置，通过轴承9进行衔接。

所述定子空腔b的圆筒形开口处设置有发送电磁能量的无线能量发射模块13，所述转子圆筒a上端开口处设置接收电磁能量的无线能量接收模块5，所述无线能量发射模块13和无线能量接收模块5为中间空心的圆环形结构。所述定子空腔b的内部和转子圆筒a侧壁上都设有光信号源1以及光电探测器及调理电路3，转子圆筒a侧壁上的光信号源1和光电探测器及调理电路3位于不同高度。所述定子空腔b内部和转子圆筒a内部设有从所述无线能量发射线圈13和无线能量接收线圈5的中间空心通过的光学收发通道2。

所述定子空腔b内部光信号源1发出的光信号通过所述光学收发通道2进行传输，由所述转子圆筒a侧壁上的光电探测器及调理电路3进行接收。所述转子圆筒a侧壁上的光信号源1发出的光信号同样通过所述光学收发通道2进行传输，由所述定子空腔b内部的光电探测器及调理电路3进行接收。

如图1所示、所述光学收发通道2包括：设置在所述定子空腔b内部的发射波长分光镜10、收发分光镜7、接收波长分光镜12、若干双抛物面反射镜8以及若干菲涅尔透镜4，每个所述菲涅尔透镜4一体化粘接在一个所述双抛物面反射镜8内部、两者的焦点相同；设置在所述转子圆筒a内、所述无线能量接收线圈5中间空心正下方的反射圆锥6，所述反射圆锥6固定在与转子筒壁固定的锥面托盘11上。在实际试验时发现该滑环传输系统的光束通过反射圆锥后、由于圆锥外表面有一定的曲度且不是完全平整，将导致反射后光束拉长发散，所以在本发明的滑环传输系统中采用双抛物面反射镜而非球面镜进行聚束。

图1中的滑环传输系统工作时、所述转子圆筒a侧壁上的2个光信号源1发出两束不同波长的光束经过反射圆锥6外表面反射后、穿过所述无线能量发射线圈13和无线能量接收线圈5的中间空心后进入所述收发分光镜7后，到达所述接收波长分光镜12后，分成两束不同波长的光束，所述两束光束中的任一束、部分经过一个菲涅尔透镜4汇聚、部分经过与所述一个菲涅尔透镜4一体化粘接的一个双抛物面反射镜8汇聚到所述一个菲涅尔透镜4焦点处的光电探测器及调理电路3进行接收。所述双抛物面反射镜8内部反射面镀有一层高亮铝。所述定子空腔b内部的2个光信号源1发出两束不同波长的光束，由所述发射波长分光镜10组合汇合成一束经过所述收发分光镜7、穿过所述无线能量发射线圈13和无线能量接收线圈5的中间空心到达所述反射圆锥6的外表面，由所述反射圆锥6的外表面反射成圆环光束，光束的发散角不变。圆环光束到达所述转子圆筒a侧壁上的光电探测器及调理电路3，经过所述光电探测器及调理电路的前端安装的带通滤光片（所述带通滤光片的带通中心波长与其所在的光电探测器及调理电路3将接收光束的中心波长对应）过滤后由相应的光电探测器及调理电路3进行接收。所述光电探测器及调理电路3将接收到的光信号转换成电信号。

图1中的光学收发通道2既能满足上行、下行波长的功率分离，也能实现降低上行、下行传输的光信号的低损耗。其中收发分光镜7采用K9玻璃体制作、镀波长分离增透膜和增反膜，在K9玻璃体上镀反射膜，反射膜可以90％以上的反射。所述反射圆锥6的外表面镀增反膜使得光能量吸收比较少。优选地、所述反射圆锥6采用金属材料制作，其表面镀铬、铬刨平后再镀一层金或者铝。

所述光信号源1在结构上包含：光源、调制器以及发射光束准直器。所述调制器用需要传输的信号对所述光源发出的光束进行调制，所述发射光束准直器对调制好的光束进行准形以减小光束的发散角。光信号源中的光源为发光二极管LED时，调制器采用LED电流调制；光信号源中的光源为激光光源，调制器为普通的激光调制器。可以通过设置多个不同波长光信号源实现多通道光通信。所述滑环传输系统为双工通信模式，上行、下行光信号的波长不同，如果上行发射波长设置为1um以下，那下行发射波长可以采用1um以上。其中，上行/下行发射波长中可以设置发射多个不同波长的光信号源以实现多通道光信号通信。

如图2所示，无线能量发射线圈13处于定子空腔b下端开口处、用于发射电磁功率；处于转子圆筒a上端开口处的无线能量接收线圈5接收电磁功率；两者之间是非接触，设置两者尽可能靠近提高能量传输效率。轴承9选用薄壁，轴系稳定度的误差角小于0.05mrad的轴承。其中，光学收发通道2是从无线能量收发线圈的中空通过，实现信号传递与能量传递兼顾且互相没有影响。

由于转子圆筒a侧壁上的光信号源1和光电探测器及调理电路3位于不同高度，安装在转子圆筒a筒壁的光信号源1发出的光束，不与定子空腔b发出的光束重合。如图2所示，转子圆筒a筒壁的光信号源1发出的光束在反射圆锥6的外表面形成光斑15。由于反射圆锥6的全锥角成90度，所以转子圆筒a筒壁的光信号源1发出的光束经过反射圆锥6外表面反射可以沿着定子空腔b的光信号源1发出的、穿过所述无线能量发射线圈13和无线能量接收线圈5的中间空心的光束相反方向传输。传输到收发分光镜7反射光束进入接收通道，接收通道中的接收波长分光镜12是为了分离出不同的接收波长，分离后的光束经过菲涅尔透镜4聚焦，菲涅尔透镜与双抛物面反射镜8粘接一体化，双抛物面反射镜8焦点与菲涅尔透镜4的焦点设计一致，在焦点处放置光电探测器及调理电路3。在菲涅尔透镜4前固定滤光片，滤光片是用来滤除杂光，滤光片波长与发射光波长相对应。进入菲涅尔透镜4的光束发散角可以在30°范围、如此通过菲涅尔透镜4光斑由于光束发散角不同，部分不能汇聚到菲涅尔透镜4的焦点，而是通过双抛物面反射镜8反射汇聚到该焦点。

图1只是本发明提供的非接触式滑环传输系统的一个实施例。其中、所述转子圆筒a侧壁上的光信号源和所述定子空腔b的内部光信号源的数量、双抛物面反射镜以及菲涅尔透镜的数量均为2个。

当所述转子圆筒侧壁上的光信号源和所述定子空腔的内部光信号源的数量、双抛物面反射镜以及菲涅尔透镜的数量均为1个时，可以省略所述接收波长分光镜10。此时、所述转子圆筒侧壁上的光信号源发出的光束经过反射圆锥外表面反射后、穿过所述无线能量发射线圈和无线能量接收线圈的中间空心后进入所述收发分光镜后，部分经过菲涅尔透镜汇聚、部分再经过双抛物面反射镜汇聚到所述菲涅尔透镜焦点处的光电探测器及调理电路进行接收；所述定子空腔内部的光信号源发出的光束依次经过所述发射波长分光镜、所述收发分光镜，然后穿过所述无线能量发射线圈和无线能量接收线圈的中间空心到达所述反射圆锥的外表面，由所述反射圆锥的外表面反射成圆环光束到达设置在所述转子圆筒侧壁上光电探测器及调理电路进行接收。

同样地、图1所示的非接触式滑环传输系统可以简单地扩展成多收发通道的滑环传输系统，并且多个光信号源发出不同波长的光束、多个光信号源可以同时发射光束，也可以分时发射。收发单元的数量可以大于2，受到空间大小制约。

相应地、本发明还提供一种基于非接触式滑环的光信号传输方法，该方法采用上述的滑环传输系统，该滑环传输系统中的光信号源产生的信号光束，通过该滑环传输系统中的光学收发通道在转子和定子之间通过进行发送、传输和接收。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种非接触式滑环传输系统，其特征在于，该系统包括：上端开口的转子圆筒，下端具有与转子圆筒尺寸一致的圆筒形开口的定子空腔，所述转子圆筒上端开口和所述定子空腔的下端开口相对设置，通过轴承进行衔接；所述定子空腔的圆筒形开口处设置有无线能量发射线圈，所述转子圆筒上端开口处设置中间空心的无线能量接收线圈；所述定子空腔的内部和转子圆筒侧壁上都设有光信号源和光电探测器及调理电路，转子圆筒侧壁上的光信号源和光电探测器及调理电路位于不同高度；所述定子空腔内部和所述转子圆筒内设有从所述无线能量发射线圈和所述无线能量接收线圈的中间空心处通过的光学收发通道；

所述光学收发通道包括：设置在所述定子空腔内部的发射波长分光镜、收发分光镜、若干双抛物面反射镜以及若干菲涅尔透镜，每个所述菲涅尔透镜一体化粘接在一个所述双抛物面反射镜内部、两者的焦点相同；设置在所述转子圆筒内、所述无线能量接收线圈中间空心正下方的反射圆锥，所述反射圆锥固定在与转子筒壁固定的锥面托盘上；

所述定子空腔内部光信号源发出的光信号通过所述光学收发通道进行传输，由所述转子圆筒侧壁上的光电探测器及调理电路进行接收；所述转子圆筒侧壁上的光信号源发出的光信号同样通过所述光学收发通道进行传输，由所述定子空腔内部的光电探测器及调理电路进行接收；

所述光学收发通道还包括接收波长分光镜，所述转子圆筒侧壁上的光信号源和所述定子空腔的内部光信号源的数量、双抛物面反射镜以及菲涅尔透镜的数量均为2个；

所述转子圆筒侧壁上的2个光信号源发出两束不同波长的光束经过反射圆锥外表面反射后、穿过所述无线能量发射线圈和无线能量接收线圈的中间空心后进入所述收发分光镜后，到达所述接收波长分光镜后，分成两束不同波长的光束，所述两束光束中的任一束、部分经过一个菲涅尔透镜汇聚、部分再经过与所述一个菲涅尔透镜一体化粘接的一个双抛物面反射镜汇聚到所述一个菲涅尔透镜焦点处的光电探测器及调理电路进行接收；所述定子空腔内部的2个光信号源发出两束不同波长的光束，由所述发射波长分光镜组合汇合成一束经过所述收发分光镜、通过所述无线能量发射线圈和无线能量接收线圈的中间空心到达所述反射圆锥的外表面，由所述反射圆锥的外表面反射成圆环光束，不同波长的光束部分到达所述转子圆筒侧壁上不同高度的光电探测器及调理电路，由对应的光电探测器及调理电路进行接收。

2.如权利要求1所述的滑环传输系统，其特征在于，所述滑环传输系统中的所有光信号源中的任意2个发出的光束波长都不相同。

3.如权利要求1所述的滑环传输系统，其特征在于，所述光信号源包含：光源、调制器以及发射光束准直器；所述调制器用需要传输的信号对所述光源发出的光束进行调制；所述发射光束准直器对调制好的光束进行准形以减小光束的发散角。

4.如权利要求1所述的滑环传输系统，其特征在于，所述光电探测器及调理电路的前端安装带通滤光片，所述带通滤光片的带通中心波长与其所在的光电探测器及调理电路将接收光束的中心波长对应。

5.如权利要求1所述的滑环传输系统，其特征在于，所述反射圆锥是金属材料制作，其表面镀铬，铬刨平后再镀一层金或者铝；所述双抛物面反射镜内部反射面镀一层高亮铝。

6.一种基于非接触式滑环的光信号传输方法，其特征在于，该方法包括：采用如权利要求1-5中任一项所述的滑环传输系统，通过该滑环传输系统中的光信号源产生信号光束，通过该滑环传输系统中的光学收发通道在转子和定子之间通过进行发送、传输和接收。

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