CN113376758A - 一种基于双合透镜的光纤旋转连接器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双合透镜的光纤旋转连接器及其应用，所述光纤旋转连接器包括转子、定子和中心传光通道，转子和定子均采用相同的热扩芯单模光纤、双合透镜(正透镜和负透镜)。光从定子光纤射出，经过定子双合透镜扩束准直，准直光线在空气传中输，由转子双合透镜聚合，光被耦合入转子光纤，光经过传感光栅的反射，通过光纤旋转连接器又回到定子光纤。本发明组合光学元件和光路可逆原理，实现光信号从旋转端向静止端的传输，实现光信号的双向传输，从而适配光纤光栅传感系统，结构简单、成本较低、耦合效率高，可靠性高、使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及光纤旋转连接器领域，尤其涉及一种基于双合透镜的光纤旋转连接器及其应用。
背景技术
在对旋转部件的温度、应力等参量测量的时候需将传感器的信号从旋转端传输到静止端，光纤旋转连接器应用于光纤光栅传感系统是一个优质技术解决方案。目前光纤旋转连接器存在耦合效率不够高，配合光纤光栅传感时损耗大的问题。
申请号为200920102521.2的中国专利公开了一种单通道光纤旋转连接器，使用热扩芯光纤直接对准耦合，没有使用准直器，光纤输出的光束发散，耦合效率不高，对加工工艺和装备要求极高，且实际两根光纤间距小，不方便使用。
申请号为201610484795.7的中国专利公开了一种光纤直接对接型单芯旋转连接器，通过准直器将两根大模场直径的热扩芯光纤直接对准，该发明成本低、生产制作效率高等优点，但是由于使用两根光纤的直接对准，存在光纤之间耦合效率不高，耦合信号传输不稳定，装配难度比较大的问题。
申请号为201010519403.9的中国专利公开了一种光纤旋转连接器，使用了模场直径20um-40um的热扩芯光纤或锥形光纤，经过自聚焦透镜、C-lens透镜或非球面透镜进行耦合，使用热扩芯光纤或锥形光纤降低了装配要求，但是耦合效率不够高，难以与光纤光栅传感系统配合使用。
发明内容
本发明提供一种基于双合透镜的光纤旋转连接器及其应用。为了解决现有的光纤旋转连接器，耦合效率不够高，应用光纤光栅传感系统进损耗过大等问题，以及难以使用单模光纤准直器实现信号双向传输等情况。
本发明采用双合透镜和热扩芯光纤组合的光纤旋转连接器方案，降低了插入损耗和装配难度，提高了耦合效率稳定性，延长了寿命，实现了使用单模光纤进行光信号的双向传输，应用于光纤光栅传感系统能够完成工程测量。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种基于双合透镜的光纤旋转连接器，包括定子外壳和转子外壳，所述转子外壳内设有转子套筒，转子套筒固定在轴承组内，转子套筒的尾端设有FC/APC接头，FC/APC接头连接有转子光纤跳线，所述转子外壳中插有转轴，转轴连接在转子套筒尾部的外侧使转子套筒转动；转子套筒内部固定转子限位槽，转子限位槽将转子双合透镜固定在转子套筒内，所述转子套筒靠近定子外壳的端面贴有反射材料形成反射面；
所述定子外壳内设有定子限位槽，定子限位槽将定子双合透镜固定在定子外壳内；定子外壳尾端设计有FC/APC接口，定子光纤跳线与FC/APC接口直接连接，定子外壳内嵌有一根转速测量光纤，转速测量光纤尾端靠近转子套筒的位置封装有一个自聚焦透镜。
作为优选，所述转子双合透镜由转子负透镜和转子正透镜组成，所述定子双合透镜由定子负透镜和定子正透镜组成，转子定子两端使用的透镜完全相同，正负透镜间隙充满空气。
作为优选，所述转子双合透镜和定子双合透镜的材料均为N-SF6，转子双合透镜和定子双合透镜的负透镜和正透镜的直径均为20mm，负透镜和正透间距均为1-2mm。
作为优选，所述FC/APC接头距离转子负透镜的距离为29-31mm，所述FC/APC接口距离负透镜的距离为29-31mm。
作为优选，所述转子外壳和定子外壳通过连接法兰连接在一起，转子外壳的尾端设有转子端盖。
作为优选，所述转子套筒上套设有轴承组；所述轴承组包括轴承一和轴承二，材质为陶瓷，两个轴承间设计有挡圈；
所述转轴和轴承组之间设有防尘圈一，转子光纤跳线接口部分有转子防尘圈，定子光纤跳线接口部分设有定子防尘圈。
作为优选，所述定子光纤跳线和转子光纤跳线均采用大模场直径的热扩芯光纤跳线，模场直径为14-28μm。
为了实现旋转端的温度、应变、转速等参量的测量，使用双合透镜和热扩芯光纤降低光纤旋转连接器的连接损耗，配合光纤光栅传感系统能够更加便捷的测量旋转端的待测量，光纤旋转连接器本身也作为一个传感器，对转轴的转速进行测量。本发明具有损耗小、装配简单、稳定性好、寿命长等优点，可接入更多数量的传感器
本发明提供所述光纤旋转连接器作为转速传感器中的应用，光源输出的光通过转速测量光纤射入自聚焦透镜，光被准直以后传输到反射面，经反射面上的反射材料反射后，回到自聚焦透镜，经自聚焦透镜接收耦合后再回转速测量光纤，光电计数器根据接收由转速测量光纤传输的反射光的次数，根据公式计算转速：
其中Z为反射面上反射材料个数，f为光电计数器每秒接收到反射光的次数。
本发明还提供所述光纤旋转连接器在组成光纤光栅传感系统的应用，所述光纤旋转连接器的定子端设有宽带光源、光纤环形器、光纤耦合器、光纤光栅解调仪、光电计数器和电脑，所述光纤旋转连接器的转子端设有光纤光栅传感器，所述宽带光源输出一个宽波长的光，经过第一光纤环形器到光纤耦合器，光信号被分为两条光路到达光纤旋转连接器，光路1中热扩芯光纤跳线将光从定子端传输到转子端，光纤光栅传感器完成测量后，又将特定波长的光信号反射，从转子端传输到定子端，经过耦合器后进入第一光纤环形器输出至光纤光栅解调仪，经解调后的信号发送至电脑；光路2光信号被输入到转速测量光纤，光信号被反射面反射后，回到转速测量光纤，进入第二光纤环形器，光信号进入光电计数器，光电计数器将结果输出至电脑，最后由电脑显示最后的测量结果。
作为优选，所述第一光纤环形器和第二光纤环形器均由3个通道构成。第一光纤环形器中宽带光源输出的光通过通道一到达通道二，光最后到达光纤光栅传感器，光纤光栅传感器反射的光通过通道二到达通道三。第二光纤环形器将耦合器输出过来的光通过通道一到达通道二，光最后到达反射面，反射面的反射的光通过通道二到达通道三。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明结构简单、成本较低、耦合效率较高，可靠性高、使用寿命长，本发明使用双合透镜的方式，减少光线传输过程中的像差，配合大光束传输和热扩芯单模光纤，提高耦合效率，降低插入损耗，另一方面降低了零配件加工工艺和装配要求。由于耦合效率高，且能够信号双向传输，可以在光纤光栅传感系统中使用。
本发明使用了FC/APC接头，方便光纤和光纤旋转连接器接在一起，可以根据需要测量的物理参量，更换不同种类的光纤光栅传感器。
本发明采用了陶瓷轴承作为转动轴承，整体结构重量轻，耐腐蚀，增加了光纤旋转连接器的使用寿命，多处采用防尘设计，减少灰尘、油污等外界因素对光的传输影响。
附图说明
图1为基于双合透镜的光纤旋转连接器的测量系统的结构示意图；
图2为基于双合透镜的光纤旋转连接器在测量系统中的应用示意图；
图3为光纤环形器的示意图；
图4为耦合效率分析实验结果图；
图中标记：1-光纤光栅传感器，2-光纤旋转连接器，3-第一光纤环形器，4-宽带光源，5-光纤光栅解调仪，6-耦合器，7-第二光纤环形器，8-光电计数器，9-电脑，10-转轴，11-端盖，12-转子外壳，13-转子套筒，14-防尘圈一，15-转子轴承连接法兰，15.1-第一陶瓷轴承，15.2-第二陶瓷轴承，16-反射面，17-连接法兰，18-自聚焦透镜，19-定子外壳FC/APC接头，20-转速测量光纤，21-定子FC/APC接头定子，22-光纤定子光纤跳线，23-防尘圈，24-定子双合透镜，24.2-定子正透镜，24.1-定子第二负透镜，25-定子限位槽，26-转子双合透镜FC/APC接头，26.1-转子负透镜，26.2-转子正透镜，27-转子限位槽，28-转子FC/APC接头，29-转子光纤跳线,30-转子防尘圈，31-档圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，但本发明并不局限于以下技术方案。
实施例1
如图1所示，一种基于双合透镜的光纤旋转连接器，包括定子外壳和转子外壳，所述转子外壳12内设有转子套筒13，转子套筒13固定在轴承组15内，转子套筒13的尾端设有FC/APC接头28，FC/APC接头28连接有转子光纤跳线29，所述转子外壳12中插有转轴10，转轴10连接在转子套筒13尾部的外侧，使转子套筒13转动；转子套筒13内部固定转子限位槽27，转子限位槽27将转子双合透镜26固定在转子套筒13内，所述转子套筒13靠近定子外壳的端面贴有反射材料形成反射面16；
定子外壳19内设有由定子限位槽25，定子限位槽25将定子双合透镜24固定在定子外壳19内；定子外壳尾端设计有FC/APC接口21，定子光纤跳线2与FC/APC接口21直接连接，定子外壳内嵌有一根转速测量光纤20，转速测量光纤20尾端靠近转子套筒13的位置，封装有一个自聚焦透镜18。
转子双合透镜26由转子负透镜26.1和转子正透镜26.2组成，所述定子双合透镜24由定子负透镜24.1和定子正透镜24.2组成，转子定子两端使用的透镜完全相同，正负透镜间隙充满空气。
转子双合透镜26和定子双合透镜24的材料均为N-SF6，转子双合透镜26和定子双合透镜24的负透镜和正透镜的直径均为20mm，负透镜和正透间距均为1-2mm。
本发明使用的双合透镜(24，26)为大光束双合透镜，减小了发散角，
光束直径公式：
发散角计算公式由下面公式：
其中D为模场直径，f为透镜焦距，λ为光的波长。上述公式表明通过采用大光束双合透镜可以减小发散角，准直效果更好。
FC/APC接头28距离转子负透镜26.1的距离为29-31mm，所述FC/APC接口21距离定子负透镜24.1的距离为29-31mm。
转子外壳12和定子外壳19通过连接法兰17连接在一起，转子外壳12的尾端设有转子端盖11。
转子套筒13上套设有轴承组15；所述轴承组15包括轴承一15.1和轴承二15.2，材质为陶瓷，两个轴承间设计有挡圈31；将转子套筒固定在陶瓷轴承组内部，让转子套筒相对于定子进行转动，使用陶瓷轴承不用使用润滑油，避免了油污对转动的影响和运行环境的影响。
转轴10和轴承组15之间设有防尘圈一14，转子光纤跳线29接口部分有转子防尘圈30，定子光纤跳线22接口部分设有定子防尘圈23。本发明采用了防尘设计，使用转子套筒13和定子外壳12将双合透镜组密封。
所述定子光纤跳线22和转子光纤跳线29均采用大模场直径的热扩芯光纤跳线，模场直径为14-28μm。
光纤旋转连接器的光路部分由定子光纤跳线22、定子FC/APC接头21、定子负透镜24.1、定子正透镜24.2、转子正透镜26.2、转子第二负透镜26.1，转子FC/APC接头28、转子光纤跳线29组成。转子光纤跳线29、定子光纤跳线22是热扩芯光纤。根据光路可逆原理，光信号也可以从转子端传输到定子端。本发明光路部分有高度的对称性，可以实现光的双向传输，加工方便，成本低。
光纤旋转连接器采用了高度对称的光路设计，且插入损耗小，配在光纤光栅传感器使用，光源从定子远端通过光纤输入定子端FC/APC接口，通过定子双合透镜被转子双合透镜接收，通过转子FC/APC接口到达转子光纤最后到达光纤光栅传感器，光纤光栅测量后把光反射，根据光路可逆原理，又将光信号返回，从而实现光纤光栅传感器信号的传输。
本发明中光纤旋转连接器使用了FC/APC接口连接器和跳线光纤的结构，能够自行更换使用的光纤，方便更换维修升级，定子和转子是通过连接法兰固定在一起，也方便拆卸、维修、升级。
根据耦合效率分析实验，本发明采取了不同模场直径的光纤，配合光纤旋转连接器，实验结果如图4所示耦合实验的结果最佳耦合效率达到95.00％，换算为损耗为0.22dB，耦合损耗较小，比起同类产品低0.4dB左右，性能较好。
实施例2
光纤旋转连接器在作为转速传感器中的应用，光源输出的光通过转速测量光纤20射入自聚焦透镜18，光被准直以后传输到反射面16，经反射面16上的反射材料反射后，回到自聚焦透镜18，经自聚焦透镜接收耦合回转速测量光纤20，光电计数器根据接收到由转速测量光纤传输的反射光的次数，计算转速。根据公式计算转速：
其中Z为反射面上反射材料个数，f为光电计数器每秒接收到反射光的次数。
实施例3
光纤旋转连接器用于制备光纤光栅传感系统，如图2所示，光纤旋转连接器2的定子端设有宽带光源4、第一光纤环形器3、第二光纤环形器7、光纤耦合器6、光纤光栅解调仪5、光电计数器8和电脑9，所述光纤旋转连接器2的转子端设有光纤光栅传感器1，所述宽带光源4输出一个宽波长的光，经过第一光纤环形器3到光纤耦合器6，光信号被分为两条光路到达光纤旋转连接器，光路1中热扩芯光纤跳线22将光从定子端传输到转子端，光纤光栅传感器1完成测量后，又将特定波长的光信号反射，从转子端传输到定子端，经过光纤耦合器6后进入第一光纤环形器3输出至光纤光栅解调仪5，经解调后的信号发送至电脑9；光路2光信号被输入到转速测量光纤20，光信号被反射面16反射后，回到转速测量光纤20，进入第二光纤环形器7，光信号进入光电计数器8，光电计数器将结果输出至电脑9，最后由电脑9显示最后的测量结果。
图3是光纤环形器的图，第一光纤环形器中，通道一3.1接口连接着宽带光源4，通道二3.2接口连接着耦合器6，通道三3.3接口连接着光纤光栅解调仪5，光只从通道一3.1接口传向通道二3.2接口，通道二3.2传向通道三3.3接口。第二光纤环形器中，通道一7.1接口连接着耦合器6，通道二7.2连接着转速测量光纤20，通道三7.3接口连接着光电计数器，光只从通道一7.1接口传向通道二7.2接口，通道二7.2传向通道三7.3接口。
综上所述，本发明中光纤旋转连接器使用了双合透镜，在一定程度上减少了像差，对光纤输出的光束进行扩束准直，提高耦合效率，两组透镜间距大，便于安装。
本发明中光纤旋转连接器使用了热扩芯光纤，降低了角度偏差对光纤旋转连接器性能的影响，且在一定程度上提高了耦合效率。
本发明中光纤旋转连接器使用了密封结构，一定程度上减少灰尘、油污等外界因素对光的传输影响，一定程度上提高环境适应能力。
上述实例仅仅用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求保护范围内，对本发明做出的任何修改、替换和改变等，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于双合透镜的光纤旋转连接器，包括定子外壳和转子外壳，其特征在于，所述转子外壳(12)内设有转子套筒(13)，转子套筒(13)固定在轴承组(15)内，转子套筒(13)的尾端设有FC/APC接头(28)，FC/APC接头(28)连接有转子光纤跳线(29)，所述转子外壳(12)中插有转轴(10)，转轴(10)连接在转子套筒(13)尾部的外侧使转子套筒(13)转动；转子套筒(13)内部固定转子限位槽(27)，转子限位槽(27)将转子双合透镜(26)固定在转子套筒(13)内，所述转子套筒(13)靠近定子外壳的端面贴有反射材料形成反射面(16)；
所述定子外壳(19)内设有由定子限位槽(25)，定子限位槽(25)将定子双合透镜(24)固定在定子外壳(19)内；定子外壳尾端设计有FC/APC接口(21)，定子光纤跳线(22)与FC/APC接口(21)直接连接，定子外壳内嵌有一根转速测量光纤(20)，转速测量光纤(20)尾端靠近转子套筒(13)的位置封装有一个自聚焦透镜(18)。
2.根据权利要求1所述的基于双合透镜的光纤旋转连接器，其特征在于，所述转子双合透镜(26)由转子负透镜(26.1)和转子正透镜(26.2)组成，所述定子双合透镜(24)由定子负透镜(24.1)和定子正透镜(24.2)组成，转子定子两端使用的透镜完全相同，正负透镜间隙充满空气。
3.根据权利要求1所述的基于双合透镜的光纤旋转连接器，其特征在于，所述转子双合透镜(26)和定子双合透镜(24)的材料均为N-SF6，转子双合透镜(26)和定子双合透镜(24)的负透镜和正透镜的直径均为20mm，负透镜和正透间距均为1-2mm。
4.根据权利要求1所述的基于双合透镜的光纤旋转连接器，其特征在于，所述FC/APC接头(28)距离转子负透镜(26.1)的距离为29-31mm，所述FC/APC接口(21)距离定子负透镜(24.1)的距离为29-31mm。
5.根据权利要求1所述的基于双合透镜的光纤旋转连接器，其特征在于，所述转子外壳(12)和定子外壳(19)通过连接法兰(17)连接在一起，转子外壳(12)的尾端设有转子端盖(11)。
6.根据权利要求1所述的基于双合透镜的光纤旋转连接器，其特征在于，所述转子套筒(13)上套设有轴承组(15)；所述轴承组(15)包括轴承一(15.1)和轴承二(15.2)，材质为陶瓷，两个轴承间设计有挡圈(31)；
所述转轴(10)和轴承组(15)之间设有防尘圈一(14)，转子光纤跳线(29)接口部分有转子防尘圈(30)，定子光纤跳线(22)接口部分设有定子防尘圈(23)。
7.根据权利要求1所述的基于双合透镜的光纤旋转连接器，其特征在于，所述定子光纤跳线(22)和转子光纤跳线(29)均采用大模场直径的热扩芯光纤跳线，模场直径为14-28μm。
8.根据权利要求1-7任一所述的光纤旋转连接器在作为转速传感器中的应用，其特征在于，光源输出的光通过转速测量光纤(20)射入自聚焦透镜(18)，光被准直以后传输到反射面(16)，经反射面(16)上的反射材料反射后，回到自聚焦透镜(18)，经自聚焦透镜接收耦合后再回转速测量光纤(20)，光电计数器根据接收由转速测量光纤传输的反射光的次数，根据公式计算转速：
其中Z为反射面上反射材料个数，f为光电计数器每秒接收到反射光的次数。
9.根据权利要求1-7任一所述的光纤旋转连接器在制备光纤光栅传感系统中的应用，其特征在于，所述光纤旋转连接器(2)的定子端设有宽带光源(4)、第一光纤环形器(3)、光纤耦合器(6)、光纤光栅解调仪(5)、电脑(9)和第二光纤环形器(7)、光电计数器(8)，所述光纤旋转连接器(2)的转子端设有光纤光栅传感器(1)，所述宽带光源(4)输出一个宽波长的光，经过第一光纤环形器(3)到光纤耦合器(6)，光信号被分为两条光路到达光纤旋转连接器(2)，光路1中热扩芯光纤跳线(22)将光从定子端传输到转子端，光纤光栅传感器完成测量后，又将特定波长的光信号反射，从转子端传输到定子端，经过光纤耦合器(6)后进入第一光纤环形器(3)输出至光纤光栅解调仪(5)，经解调后的信号发送至电脑(9)；光路2中光信号被输入到转速测量光纤(20)，光信号被反射面(16)反射后，回到转速测量光纤(20)，进入第二光纤环形器(7)，光信号进入光电计数器(8)，光电计数器将结果输出至电脑(9)，最后由电脑(9)显示最后的测量结果。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述第一光纤环形器(3)和第二光纤环形器(7)均由3个通道构成，第一光纤环形器中宽带光源(4)输出的光通过通道一到达通道二，光最后到达光纤光栅传感器(1)，光纤光栅传感器(1)反射的光通过通道二到达通道三；第二光纤环形器(7)中将光纤耦合器(6)输出过来的光通过通道一到达通道二，光最后到达反射面(16)，反射面(16)的反射的光通过通道二到达通道三。
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