CN114740573A - 一种减振式光子晶体光纤离轴旋转连接器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减振式光子晶体光纤离轴旋转连接器，所述离轴旋转连接器包括第一接入面板、外壳、非牛顿流体减振装置、转子透套筒、定子透镜套筒以及第二接入面板。两接入面板分别位于器件两端并构成中空结构，光路在中空结构中传播；第二接入面板通过螺栓与外壳相连，外壳内嵌有非牛顿流体减振装置并通过大轴径滚子轴承与转子套筒连接，两接入面板可绕中空轴相对旋转；透镜套筒紧密贴合于转子套筒、定子套筒内部，套筒内光纤接入端设有倒锥形硅胶干燥圈。本发明通过在外壳与转子套筒接触面处设置一种非牛顿流体减振装置，使得器件在转动状态下产生的振动对光纤耦合准精度的影响更小，易于实现耦合。
Description
技术领域
本发明涉及光纤旋转连接器领域，特别涉及一种减振式光子晶体光纤离轴旋转连接器。
背景技术
光纤旋转连接器能使相对旋转的光纤保持光路畅通，是实现光纤旋转连接的无源连接器件。旋转连接器件的外壳通常处于静止状态，器件转子部分与外壳连接，转子部分旋转时必然会产生振动，从而使得旋转连接器的转子部分与其外壳之间发生轴向、径向的跳动。该跳动会对外壳产生频繁的冲击力，进而会降低旋转连接器的精确传输效率及使用寿命。
近年来，光子晶体光纤由于其良好的单模特性、非线性特性以及极低的弯曲损耗除了被用作光通信的传输介质以外，在超连续谱、光纤放大器、激光器和光纤传感等方面也得以广泛研究应用。在光纤的旋转连接过程中，通常的光纤旋转连接器是直接用常规单模光纤进行耦合的，其光纤芯径较小导致对径向误差、轴向误差、角向误差敏感度较高，相应的光学对准也有较高的要求，给光纤旋转连接器的设计和制造带来很大困难。在允许的相同损耗阈值情况下，采用光子晶体光纤可以承受更大的径向、轴向、角向失配导致的误差。
同时在光纤通信及光纤信号的传输过程中，往往在其器件轴心处有其他物质需要传输，这就使得器件的输入端、输出端和光学介质需要与中心旋转轴分离。
申请号为CN201410513935.X的专利公开了一种基于环形柱透镜的离轴光纤旋转连接器，该发明通过对称排列的光输入端和光输出端在同一中空旋转轴相对旋转以实现光信号的双向传输。该发明实现了离轴旋转光信号的传输，但透镜结构较为复杂，装配难度较高。
申请号为CN202022517242.1的专利公开了一种高速多通道光纤旋转连接器，从光纤旋转连接器的应用场景出发，是光纤旋转连接器在使用和存储时可以防止外部水汽的进入，达到了较好的防潮效果。但整个设计结构较为庞大，且设计中涉及的抽风机等机械结构在实际使用过程中会产生振动，导致光纤的耦合效率不高，耦合信号传输不稳定等问题。
申请号为CN200610130275.2的专利公布了一种光子晶体光纤动态耦合装置，该装置与其已有动态耦合器相比，结构简单且具有较高的光信号传输速率，但其采用光纤直接耦合的方式，降低了耦合效率，且未考虑光子晶体光纤内部气孔冷凝液截留导致的附加损耗问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种减振式光子晶体光纤离轴旋转连接器。为了解决现有光纤旋转连接器在实际应用中产生的振动导致光纤动态耦合困难，对夹持结构精度要求高，光纤信号传输速率较慢，以及光纤内部结构导致的附加损耗问题。
为克服现有技术的上述问题，本发明提供了一种减振式光子晶体光纤离轴旋转连接器，包括第一接入面板、外壳、转子双合透镜、定子双合透镜和第二接入面板，所述第一接入面板、转子双合透镜、定子双合透镜以及第二接入面板同轴设置，第一接入面板内侧为转子套筒；所述转子套筒与外壳的上下左右四个接触面处均设有非牛顿流体减振装置。
所述非牛顿流体减振装置的上下两端分别设有上盖板和下盖板；所述上盖板紧嵌于外壳内部，上盖板两端设有支撑板，上盖板的内侧设有上限位座，上限位座上设有若干个上限位座支撑板，上限位座支撑板侧面均设有磁块一；
所述下盖板两端设有下支撑板，下支撑板内侧设有下限位座，下限位座两侧均设有磁块二，所述上盖板和下盖板的四周贴合有橡胶皮囊，橡胶皮囊与上盖板、下盖板构成的空腔内充满非牛顿流体填充物。
优选地，所述橡胶皮囊两端紧贴上支撑板和下支撑板外侧，所述上盖板、下盖板边缘分别设有上卡扣和下卡扣，上卡扣和上支撑板配合、下卡扣和下支撑板配合加固橡胶皮囊和盖板之间的连接。
优选地，所述非牛顿流体减振装置通过内嵌于下限位座的大轴径滚子轴承将外壳与转子套筒相连，并以此来减小转子套筒绕中空轴旋转时产生的振动。
优选地，所述下限位座位于相邻上限位座支撑板之间；相对的磁块一和磁块二具有相同的极性且表面镀有防腐蚀电镀膜。
优选地，所述第一接入面板外侧设有光纤连接法兰一，光纤连接法兰一连接有光纤跳线一，转子套筒内壁紧贴有转子透镜套筒，转子透镜套筒内壁设有FC/APC连接器一及透镜限位槽一，透镜限位槽一将转子双合透镜固定在转子透镜套筒内；
所述第二接入面板外侧设有光纤连接法兰二，光纤连接法兰二连接有光纤跳线二，第二接入面板内侧为定子套筒，定子套筒内壁紧贴有定子透镜套筒，定子透镜套筒内壁设有FC/APC连接器二及透镜限位槽二，透镜限位槽二将定子双合透镜固定在定子透镜套筒内。
优选地，所述光纤跳线均采用光子晶体光纤，其截面直径为常规多模和单模光纤的4到20倍且充满周期性排列的空气孔。
优选地，所述转子双合透镜由转子凸透镜和转子凹透镜组成，所述定子双合透镜由定子凸透镜和定子凹透镜组成，转子凸透镜和定子凸透镜材质均为冕牌玻璃，转子凹透镜和定子凹透镜材质均为燧石玻璃，凹凸透镜的间隙充满空气。
优选地，所述外壳通过螺栓与定子套筒相连，连接处设有防尘圈一，外壳与转子套筒接触面设有防尘圈二。
优选地，所述转子套筒内设有多个转子透镜套筒；所述定子套筒内设有多个定子透镜套筒；转子透镜套筒和定子透镜套筒数量相同。
优选地，所述转子透镜套筒和定子透镜套筒内均设有倒锥形硅胶干燥圈。
本发明的特点如下：本发明在旋转连接器上设计非牛顿流体减振装置，所述非牛顿流体减振装置分别位于转子套筒与外壳的上下左右四个接触面处，装置上下两端分别设有上盖板、下盖板；装置上盖板紧嵌于定子套筒内壁，两端设有支撑板，内侧设有上限位座，上限位座支撑板侧面设有四个磁块；装置下盖板两端设有支撑板，内侧设有下限位座，下限位座两侧均设有磁块，上下磁块均具有相同的极性且表面镀有电镀膜；装置左右两端分别设有橡胶皮囊，橡胶皮囊与上盖板、下盖板构成的空腔内充满非牛顿流体填充物，两端紧贴支撑板外侧，上盖板、下盖板边缘分别设有上卡扣、下卡扣，上下卡扣与上下支撑板配合固定橡胶皮囊，卡扣也能防止由于振动导致橡胶皮囊内非牛顿流体受到挤压时橡胶皮囊的脱落问题；装置通过内嵌于下限位座的大轴径滚子轴承将定子外壳与转子套筒相连，并以此来减小轴承在旋转时产生的振动。
另外，本发明在转子透镜套筒和定子透镜套筒内均设有倒锥形硅胶干燥圈，以此避免由于空气冷凝对光子晶体光纤截面空气孔造成堵塞以及透镜内表面产生水雾，使整个透镜腔内保持干燥，从而减小相应的附加损耗。同时硅胶材质本身具有可二次利用性，自身干燥后可进行二次利用。
与现有技术相比，本发明具有以下积极效果：本发明结构简单、易于装配、插入损耗小、传输效率高，可实现光信号的多通道离轴动态传输。通过在外壳与转子套筒接触面处设置一种非牛顿流体减振装置，使得器件在转动状态下产生的振动对光纤耦合准精度的影响更小，易于实现耦合；利用双合透镜组的方式，减少光线传输过程中的色差和相差，把整个旋转连接器的光路转移至第一接入面板和第二接入面板的离轴部分上，中心旋转位置用于其他物质或信号的传输；由于光子晶体光纤的截面直径大于常规多模和单模光纤的直径，降低了夹持结构的机械精度；同时也降低了光纤中多路光信号传输时产生的非线性效应，实现光纤旋转连接器数据传输容量的极大提高。
附图说明
图1为减振式光子晶体光纤离轴旋转连接器的结构示意图；
图2为减振式光子晶体光纤离轴旋转连接器的剖视图；
图3为图1中所示非牛顿流体减振装置的结构示意图；
图4为非牛顿流体装置与外壳接触面处的端面视图；
图5为透镜套筒的透视端向视图，定子套筒和转子套筒位于同一直线上，为了方便观察，图中用虚线表示定子套筒端，实线表示转子套筒端；
图6为光子晶体光纤横截面示意图。
图中标记：1-光纤跳线一，2-光纤连接法兰一，3-第一接入面板，4-FC/APC连接器，5-转子透镜套筒，6-倒锥形硅胶干燥圈，7-防尘圈二，8-转子套筒，9-非牛顿流体减振装置，10-转子双合透镜，10.1-转子凹透镜，10.2-转子凸透镜，11-透镜限位槽一，12-外壳，13-防尘圈一，14螺栓，15-透镜限位槽二，16-定子双合透镜，16.1-定子凸透镜，16.2-定子凹透镜，17-定子透镜套筒，18-定子套筒，20-FC/APC连接器二；21-第二接入面板，22-光纤连接法兰二，23-光纤跳线二，24-中空轴，25-下盖板，26-下卡扣，27-橡胶皮囊，28-上卡扣，29-上盖板，30-上支撑板，31-磁块一，32-上限位座支撑板，33-上限位座，34-下支撑板，35-磁块二，36-大轴径滚子轴承，37-下限位座，38-非牛顿流体填充物，39-空气孔。
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
下面参照附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步的详细阐述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，但本发明并不局限于以下技术方案。
如图1-图6所示，一种减振式光子晶体光纤离轴旋转连接器，包括第一接入面板3、外壳12、转子双合透镜10、定子双合透镜16和第二接入面板21，所述第一接入面板3、转子双合透镜10、定子双合透镜16以及第二接入面板21同轴设置，第一接入面板3内侧为转子套筒8；所述转子套筒8与外壳12的上下左右四个接触面处均设有非牛顿流体减振装置9。非牛顿流体减振装置9通过内嵌于下限位座37的大轴径滚子轴承36将外壳12与转子套筒8相连，并以此来减小转子套筒8绕中空轴24旋转时产生的振动。
非牛顿流体减振装置9的上下两端分别设有上盖板29和下盖板25，上盖板、下盖板间距略小于外壳的厚度，左右两端均相对于转子套筒长度向内缩小；所述上盖板29紧嵌于外壳12内部，上盖板29两端设有上支撑板30，上盖板29的内侧设有上限位座33，上限位座33上设有若干个上限位座支撑板32，上限位座支撑板32侧面均设有磁块一31；
所述下盖板25两端设有下支撑板34，下支撑板34内侧设有下限位座37，下限位座37两侧均设有磁块二35，相对的磁块一31和磁块二35具有相同的极性且表面镀有防腐蚀电镀膜；所述非牛顿流体减振装置的四周分别设有橡胶皮囊27，橡胶皮囊27与上盖板29、下盖板25构成的空腔内充满非牛顿流体填充物38，两端紧贴(可以采用胶贴)在上支撑板30、下支撑板34外侧。上盖板29、下盖板25边缘分别设有上卡扣28和下卡扣26，上卡扣28和上支撑板30配合、下卡扣26和下支撑板34配合加固橡胶皮囊27和盖板之间的连接。下限位座37位于相邻上限位座支撑板32之间。
第一接入面板3外侧设有光纤连接法兰一2，光纤连接法兰一2连接有光纤跳线一1，转子套筒8内壁紧贴有转子透镜套筒5，转子透镜套筒5内壁设有FC/APC连接器一4及透镜限位槽一11，透镜限位槽一11将转子双合透镜10固定在转子透镜套筒5内；
所述第二接入面板21外侧设有光纤连接法兰二22，光纤连接法兰二22连接有光纤跳线二23，第二接入面板21内侧为定子套筒18，定子套筒18内壁紧贴有定子透镜套筒17，定子透镜套筒17内壁设有FC/APC连接器二20及透镜限位槽二15，透镜限位槽二15将定子双合透镜16固定在定子透镜套筒17内。转子透镜套筒5和定子透镜套筒17内分别设有倒锥形硅胶干燥圈6。
如图2、图6所示，本发明实施例中用于耦合的光纤跳线其材质为光子晶体光纤，该种类光纤的截面直径为常规多模和单模光纤的4到20倍且充满周期性排列的空气孔39，在允许的相同损耗阈值情况下，可以承受更大的径向、轴向、角向失配导致的误差，从而可以降低整个器件的精度要求，降低生产成本。同时为避免由于空气冷凝对光子晶体光纤截面空气孔39造成堵塞以及透镜内表面产生水雾，在透镜套筒内设有倒锥形硅胶干燥圈6，使其保持干燥，以此来减小相应的附加损耗。
转子双合透镜10由转子凸透镜10.2和转子凹透镜10.1组成，所述定子双合透镜16由定子凸透镜16.1和定子凹透镜16.2组成，转子凸透镜10.2和定子凸透镜16.1材质均为冕牌玻璃，转子凹透镜10.1和定子凹透镜16.2材质均为燧石玻璃，凹凸透镜的间隙充满空气。外壳12通过螺栓14与定子套筒18相连，连接处设有防尘圈一13，外壳12与转子套筒8接触面设有防尘圈二7。转子套筒8内设有多个转子透镜套筒5；所述定子套筒18内设有多个定子透镜套筒17；转子透镜套筒5和定子透镜套筒17数量相同。
本发明的工作原理如下：如图1至图3所示，为本发明的一种减振式光子晶体光纤离轴旋离轴转连接器的基本结构，包括第一接入面板3、外壳12、非牛顿流体减振装置9、转子双合透镜10、定子双合透镜16以及第二接入面板21。所述第一接入面板3内为转子套筒8，转子套筒8通过大轴径滚子轴承36与紧嵌于外壳12内壁的非牛顿流体减振装置9相连，转子套筒8内壁紧贴有转子透镜套筒5，转子透镜套筒5的透镜限位槽11中固定有转子双合透镜10，外壳12通过螺栓14与定子套筒18连接，定子套筒18内壁设有定子透镜套筒17，定子透镜套筒17的透镜限位槽15中固定有定子双合透镜16，定子套筒18端面即为第二接入面板21。
所述第一接入面板3上设置有多个光纤连接法兰一2及光纤跳线一1，其中光纤跳线采用的光纤类型为光子晶体光纤。
所述第二接入面板21上设置有多个光纤连接法兰二22及光纤跳线二23，其中光纤跳线采用的光纤类型为光子晶体光纤。
当器件两端与外界接通后，需要传输的光信号通过光纤跳线一1由光纤连接法兰一2接入FC/APC连接器4传输至转子双合透镜10中，转子双合透镜10将入射的光束变为平行光束后，平行光束垂直于定子双合透镜16表面，经定子双合透镜16聚拢后耦合进入定子透镜套筒17端的光纤跳线二23中。根据光路可逆原理，光信号也可以从定子透镜套筒端传输到转子透镜套筒端，以此来实现光路的双向传输。
本发明具有数量相同的转子透镜套筒、定子透镜套筒、转子双合透镜、定子双合透镜以及两倍数量的光纤连接法兰，本实施例中转子透镜套筒数量为四个(即相应的定子透镜套筒、转子双合透镜、定子双合透镜的数量为四个，相应的光纤连接法兰数量为八个)。所述转子透镜套筒、定子透镜套筒、转子双合透镜、定子双合透镜各自沿圆周对称分布，转子透镜套筒与定子透镜套筒的位置相互对应，转子双合透镜、定子双合透镜的位置相对应。
如图3、图4所示，外壳12内壁分别设置有四个非牛顿流体减振装置。非牛顿流体减振装置主体结构由上盖板、下盖板、上限位座、下限位座以及橡胶皮囊构成，上盖板外侧紧嵌于外壳内壁，上盖板内侧与上限位座贴合，上限位座支撑板处设有磁块一，下盖板内侧与下限位座贴合，下限位座两侧设有磁块二，磁块二与磁块一具有相同的极性，下限位座内部嵌有大轴径滚子轴承。
在信号传输过程中，由于定子套筒通过螺栓与外壳连接，外壳内部紧嵌的非牛顿流体减振装置通过大轴径滚子轴承与转子套筒连接，因此第一接入面板及转子套筒可以相对于第二接入面板及定子套筒绕中空轴进行旋转作业，以此实现光纤信号的动态耦合；同时，中空轴的位置还可以用来进行其他物质或信号的传输。在外壳与转子套筒的接触面处设置内嵌有大轴径滚子轴承的非牛顿流体减振装置，有效的解决了器件在旋转作业状态下由于器件本身以及外界环境产生的振动导致光纤耦合效率低下的问题。
上述实施例仅是对本发明的详细阐述，但本发明并不局限于上述实施方式，在本发明的精神和权利要求保护范围之内，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)
1.一种减振式光子晶体光纤离轴旋转连接器，包括第一接入面板(3)、外壳(12)、转子双合透镜(10)、定子双合透镜(16)和第二接入面板(21)，其特征在于，所述第一接入面板(3)、转子双合透镜(10)、定子双合透镜(16)以及第二接入面板(21)同轴设置，第一接入面板(3)内侧为转子套筒(8)；所述转子套筒(8)与外壳(12)的上下左右四个接触面处均设有非牛顿流体减振装置(9)；
所述非牛顿流体减振装置(9)的上下两端分别设有上盖板(29)和下盖板(25)；所述上盖板(29)紧嵌于外壳(12)内部，上盖板(29)两端设有上支撑板(30)，上盖板(29)的内侧设有上限位座(33)，上限位座(33)上设有若干个上限位座支撑板(32)，上限位座支撑板(32)侧面均设有磁块一(31)；
所述下盖板(25)两端设有下支撑板(34)，下支撑板(34)内侧设有下限位座(37)，下限位座(37)两侧均设有磁块二(35)，所述上盖板(29)和下盖板(25)的四周贴合有橡胶皮囊(27)，橡胶皮囊(27)与上盖板(29)、下盖板(25)构成的空腔内充满非牛顿流体填充物(38)。
2.根据权利要求1所述的减振式光子晶体光纤离轴旋转连接器，其特征在于，所述橡胶皮囊(27)两端紧贴上支撑板(30)和下支撑板(34)外侧，所述上盖板(29)、下盖板(25)边缘分别设有上卡扣(28)和下卡扣(26)，上卡扣(28)和上支撑板(30)配合、下卡扣(26)和下支撑板(34)配合加固橡胶皮囊(27)和盖板之间的连接。
3.根据权利要求1所述的减振式光子晶体光纤离轴旋转连接器，其特征在于，所述非牛顿流体减振装置(9)通过内嵌于下限位座(37)的大轴径滚子轴承(36)将外壳(12)与转子套筒(8)相连。
4.根据权利要求1所述的减振式光子晶体光纤离轴旋转连接器，其特征在于，所述下限位座(37)位于相邻上限位座支撑板(32)之间；相对的磁块一(31)和磁块二(35)具有相同的极性且表面镀有防腐蚀电镀膜。
5.根据权利要求1所述的减振式光子晶体光纤离轴旋转连接器，其特征在于，所述第一接入面板(3)外侧设有光纤连接法兰一(2)，光纤连接法兰一(2)连接有光纤跳线一(1)，转子套筒(8)内壁紧贴有转子透镜套筒(5)，转子透镜套筒(5)内壁设有FC/APC连接器一(4)及透镜限位槽一(11)，透镜限位槽一(11)将转子双合透镜(10)固定在转子透镜套筒(5)内；
所述第二接入面板(21)外侧设有光纤连接法兰二(22)，光纤连接法兰二(22)连接有光纤跳线二(23)，第二接入面板(21)内侧为定子套筒(18)，定子套筒(18)内壁紧贴有定子透镜套筒(17)，定子透镜套筒(17)内壁设有FC/APC连接器二(20)及透镜限位槽二(15)，透镜限位槽二(15)将定子双合透镜(16)固定在定子透镜套筒(17)内。
6.根据权利要求5所述的减振式光子晶体光纤离轴旋转连接器，其特征在于，所述光纤跳线均采用光子晶体光纤，光纤截面充满周期性排列的空气孔(39)。
7.根据权利要求1所述的减振式光子晶体光纤离轴旋转连接器，其特征在于，所述转子双合透镜(10)由转子凸透镜(10.2)和转子凹透镜(10.1)组成，所述定子双合透镜(16)由定子凸透镜(16.1)和定子凹透镜(16.2)组成，转子凸透镜(10.2)和定子凸透镜(16.1)材质均为冕牌玻璃，转子凹透镜(10.1)和定子凹透镜(16.2)材质均为燧石玻璃，凹凸透镜的间隙充满空气。
8.根据权利要求1所述的减振式光子晶体光纤离轴旋转连接器，其特征在于，所述外壳(12)通过螺栓(14)与定子套筒(18)相连，连接处设有防尘圈一(13)，外壳(12)与转子套筒(8)接触面设有防尘圈二(7)。
9.根据权利要求1所述的减振式光子晶体光纤离轴旋转连接器，其特征在于，所述转子套筒(8)内设有多个转子透镜套筒(5)；所述定子套筒(18)内设有多个定子透镜套筒(17)；转子透镜套筒(5)和定子透镜套筒(17)数量相同。
10.根据权利要求1所述的减振式光子晶体光纤离轴旋转连接器，其特征在于，所述转子透镜套筒(5)和定子透镜套筒(17)内均设有倒锥形硅胶干燥圈(6)。
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