基于雙通道光電耦合離軸旋轉(zhuǎn)連接器設(shè)計(jì)方案

1.引言

在一些設(shè)備或裝置中需要在相對旋轉(zhuǎn)的部件之間進(jìn)行相互通信，傳輸如視頻信號、音頻信號、控制信號、傳感信號等。現(xiàn)今使用的旋轉(zhuǎn)連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法主要有：

1)采用光纖旋轉(zhuǎn)連接器，但是該器件必須安裝于旋轉(zhuǎn)軸中心或允許偏離中心很小的距離，在一些旋轉(zhuǎn)軸中需要進(jìn)行液壓、氣壓傳動(dòng)以及需要布設(shè)其他線路的場合則不適用，且機(jī)械加工精度要求也較高;

2)采用集電環(huán)，但是隨著信號傳輸路數(shù)的增加需要相應(yīng)增加集電環(huán)數(shù)，使信號傳輸可靠性降低，且容易受到環(huán)境電磁干擾;

3)采用光電耦合進(jìn)行非接觸信號傳輸，目前文獻(xiàn)中存在一些利用紅外耦合實(shí)現(xiàn)在相對旋轉(zhuǎn)的部件之間的通信的方案，但是紅外發(fā)射與接收電路及信號變換電路集于光電耦合板中且光信號軸向發(fā)射，使旋轉(zhuǎn)連接件體積較大在一些空間受到限制的場合難以應(yīng)用。

為了解決上述旋轉(zhuǎn)連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法中的一些不足，本文提出一種基于光電耦合技術(shù)的旋轉(zhuǎn)信號傳輸裝置。該旋轉(zhuǎn)信號傳輸裝置在相對旋轉(zhuǎn)的部件之間以光為信號載體進(jìn)行非接觸信號傳輸，使用發(fā)光二極管(LED)和光電二極管作為光發(fā)射器件與光接收器件，整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡單，對機(jī)械加工精度要求低，易于組裝和安裝，且成本低。

2.裝置組成及原理

本裝置由信號收發(fā)電路模塊Ⅰ、信號收發(fā)電路模塊Ⅱ、光電耦合旋轉(zhuǎn)連接部件三部分組成，如圖1所示。

2.1 光電耦合旋轉(zhuǎn)連接部件

如圖2所示，光電耦合旋轉(zhuǎn)連接部件套在設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，旋轉(zhuǎn)套管固定于轉(zhuǎn)動(dòng)軸隨轉(zhuǎn)動(dòng)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，固定套管通過法蘭結(jié)構(gòu)與設(shè)備的固定平臺連接?？紤]到在光電傳輸?shù)倪^程中，外界光輻射以及發(fā)光LED在套管內(nèi)壁的反射光也會(huì)對信號傳輸可靠性造成影響，對因此在固定套管內(nèi)壁涂有吸光涂層以吸收外界光輻射和反射光。

2.1.1 工作原理

旋轉(zhuǎn)套管隨轉(zhuǎn)動(dòng)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使旋轉(zhuǎn)套管和固定套管上的LED和光電二極管發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)，其空腔內(nèi)形成360度覆蓋的復(fù)合光場，使光電二極管轉(zhuǎn)到任意角度時(shí)都能接收到來自相對的LED發(fā)光管的光信號，從而實(shí)現(xiàn)在任意轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)中傳遞信號。

2.1.2 發(fā)光LED及與光電二極管數(shù)量的確定

如圖3所示，若已知LED發(fā)光管的發(fā)射全角為α，光電二極管的接收全角為β，固定套管內(nèi)壁半徑為R,旋轉(zhuǎn)套管外壁半徑為r,設(shè)固定套管上的光電二極管數(shù)量為n個(gè)，臨界數(shù)量為Q1個(gè)，固定套管上的LED發(fā)光管數(shù)量為m個(gè)，臨界數(shù)量為Q2個(gè)，則臨界數(shù)量Q1、Q2應(yīng)滿足以下關(guān)系式：

同時(shí)要使兩通道光信號不相互干擾還應(yīng)滿足約束條件：r/R>sin(α/2)。

要使信號雙向傳輸時(shí)各個(gè)光電二極管能穩(wěn)定正確接收信號，應(yīng)使固定套管上的LED發(fā)光管的數(shù)量m大于[Q2]個(gè)，光電二極管的數(shù)量n大于[Q1]個(gè)，其中[Q1]、[Q2]分別表示Q1、Q2的整數(shù)部分。

2.2 信號收發(fā)電路模塊

信號收發(fā)電路模塊Ⅰ位于設(shè)備的轉(zhuǎn)臺或轉(zhuǎn)軸上，信號收發(fā)電路模塊Ⅱ位于設(shè)備的固定部分，信號收發(fā)電路模塊Ⅰ、Ⅱ功能相同，有兩個(gè)作用：

1)將設(shè)備轉(zhuǎn)軸上或固定平臺上的發(fā)來的電信號變換為能夠驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的電信號;

2)將光電檢測信號放大并經(jīng)過波形的整形穩(wěn)幅后發(fā)送給設(shè)備轉(zhuǎn)軸上或固定平臺上的控制系統(tǒng)。

信號收發(fā)電路模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于發(fā)光LED與相應(yīng)的接收光電二級管處于相對旋轉(zhuǎn)之中，光電二極管接收到的有效光功率并不穩(wěn)定，而是處于波動(dòng)狀態(tài)，因此得到的光電檢測信號也是波動(dòng)的。一般由于光電檢測信號較弱，在輸入信號收發(fā)電路模塊后首先要通過放大電路對檢測信號進(jìn)行放大，放大后的信號波形上升和下降速度變慢，波形穩(wěn)定部分也會(huì)有一定的波動(dòng)。因此信號波形還要經(jīng)過整形穩(wěn)幅電路處理以提升其上升和下降速度同時(shí)使波形平穩(wěn)。

3.實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

由于在旋轉(zhuǎn)連接部件中光信號發(fā)射與接收是在相對旋轉(zhuǎn)中進(jìn)行的，光場的分布會(huì)對信號的傳輸質(zhì)量造成影響。實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合理，為此測試了雙通道光電耦合離軸旋轉(zhuǎn)連接器對物理層中位信號的傳輸性能，包括誤碼率的大小、輸入連接器的信號與輸出連接器的信號波形比較。實(shí)驗(yàn)的電路原理圖如圖5所示。

3.1 器件選擇

光發(fā)射器件可以選用紅外LED、白光LED、激光二極管等，光接收器件可以選用PIN光電二極管，光電三極管等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紅外發(fā)射與接收器件目前已廣泛應(yīng)用于遙控、遙測和短距通信等領(lǐng)域。

在本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)中選用市售具有較高響應(yīng)速度的紅外發(fā)光二極管和光電二極管作為連接器中的光通信器件。選用單片機(jī)作為轉(zhuǎn)臺上的信號發(fā)送與接收控制器，用微機(jī)作為上位機(jī)，兩者通過RS232串口和旋轉(zhuǎn)連接器連接通信。為降低線路復(fù)雜性，轉(zhuǎn)臺上的電路使用9v層疊電池穩(wěn)壓為5v做電源。