В постоянно вращающихся системах обычные оптоволоконные кабели скручиваются, устают и в конечном итоге выходят из строя. В проектах, которые мы поддерживаем как производитель контактных колец, проблема с разъемом возникает редко. Обычно это проблема системного-уровня: оптический путь считался второстепенным рядом с линиями питания и управления и проявлялся только тогда, когда машина быстро вращалась в поле.
A оптоволоконное вращающееся соединение, также называемыйФОРДЖиликонтактное кольцо оптоволокна, решает эту проблему, позволяя оптическим сигналам пересекать вращающийся интерфейс без перекручивания волокна. В большинстве современных машин FORJ не покупается как отдельная деталь. Он интегрирован сэлектрическое контактное кольцов единый гибридный узел, который передает питание, сигналы низкого-напряжения, Ethernet, полевые шины и оптические данные через одну поворотную ось.
Это руководство написано с точки зрения группы разработчиков приложений, которая определяет и тестирует эти сборки для промышленных, морских, оборонных и медицинских заказчиков. В нем рассказывается, что такое FORJ, как он работает, когда гибридное решение является правильным выбором, какие спецификации действительно важны, а также информация, которую вам необходимо подготовить, прежде чем обращаться к поставщику.
Что такое оптоволоконное вращающееся соединение?
Вращающееся оптоволоконное соединение — это пассивное оптическое устройство, которое позволяет свету проходить между неподвижной и вращающейся сторонами машины, не нарушая оптический путь. Для оптических сигналов оно играет ту же роль, что и обычное контактное кольцо для электрических сигналов.
Вы увидите одну и ту же технологию, описанную в технических описаниях и запросах цен под несколькими названиями:
- Волоконно-оптическое вращающееся соединение (FORJ)
- Контактное кольцо оптоволокна
- Оптическое контактное кольцо
- Оптический поворотный шарнир
- Оптоволоконный поворотный разъем
Эти термины обычно описывают одну и ту же функцию. Название обычно отражает отрасль и поставщика, а не техническую разницу.
Как работает оптоволоконный вращающийся шарнир
Внутри FORJ вращающееся и неподвижное волокно никогда физически не скручиваются друг против друга. Вместо этого оптический сигнал передается по точно выверенному оптическому пути между двумя коллимирующими элементами, поддерживаемыми подшипниками, вращающимся корпусом и неподвижным корпусом. В одноканальных-конструкциях обычно используется пара коллиматоров на оси вращения. В многоканальных-конструкциях используются призмы, голубиные призмы, зеркала или вращающиеся мультиплексоры, чтобы несколько оптических каналов могли использовать один и тот же вращающийся интерфейс или пересекать его.
Поскольку оптическая передача зависит от выравнивания на микронном-уровне, механическое качество подшипников и стабильность размеров корпуса имеют такое же значение, как и сама оптика. В приложениях, работающих на высоких-скоростях или-подверженных вибрации, основным видом отказа является не катастрофическая потеря сигнала, а нестабильность.изменение вносимых потерь: деталь проходит статическое испытание на стенде, затем дрейфует в полевых условиях, как только начинает вращаться под нагрузкой.
Гибридное оптоволоконное контактное кольцо: мощность, сигнал и оптические данные в одном узле
FORJ сам по себе передает только оптические сигналы. Он не передает электроэнергию, ток привода двигателя, сигналы энкодера или пневматические линии. В реальных машинах им почти всегда приходится пересекать одну и ту же ось вращения.
Вот почему большинство получаемых нами запросов FORJ касаются не просто FORJ. Они длягибридное контактное кольцокоторый объединяет оптический канал с электрическим контактным кольцом, а иногда и с пневматической или гидравлической линией внутри одной механической оболочки.
Гибридное оптоволоконное контактное кольцо обычно сочетает в себе некоторые из следующих элементов в одном вращающемся узле:
- Один или несколько оптических каналов (одномодовые или многомодовые).
- Силовые-силовые цепи для двигателей или нагревателей
- Низкое-управление напряжением и сигналы датчиков
- Гигабитный Ethernetили цепи полевой шины (CAN, EtherCAT, PROFINET)
- РЧ или коаксиальные каналы
- Пневматические или гидравлические каналы в некоторых исполнениях
Когда имеет смысл использовать гибридное контактное кольцо
Гибридная конструкция обычно является правильным ответом, если верно хотя бы одно из следующих условий:
- Вращающаяся конструкция имеет строгие ограничения по размеру, весу или балансировке, и второе вращающееся устройство не может быть установлено на валу.
- Канал передачи данных должен быть невосприимчив к электромагнитным помехам от близлежащих двигателей, частотно-регулируемых приводов или радиолокационных передатчиков.
- Скорость передачи данных превышает скорость, которую может надежно обеспечить медный контактный контакт в течение всего срока службы системы.
- Данные о питании, управлении движением и-датчиках с высокой пропускной способностью должны пересекать одну и ту же ось.
- Приложение настолько индивидуально, что готовый--полочный FORJ и отдельное контактное кольцо не могут быть совмещены механически.
Например, типичная гибридная сборка подвеса для наблюдения может сочетать в себе один оптический канал для видеопотока с высоким-разрешением камеры, линию Gigabit Ethernet для управления, мощность в несколько ампер для двигателей поворота/наклона и нагревателей, а также несколько сигнальных цепей низкого-напряжения, и все это внутри корпуса диаметром менее 60 мм. Определение этих каналов по отдельности и объединение их вместе обычно требует больше места и денег, чем единая интегрированная конструкция.
Волоконно-оптическое вращающееся соединение и электрическое контактное кольцо
Оба устройства решают проблемы поворотной передачи, но они не взаимозаменяемы.
| Фактор | Волоконно-оптическое вращающееся соединение | Электрическое контактное кольцо |
|---|---|---|
| Первичный сигнал | Оптические данные | Мощность и электрические сигналы |
| Лучшее для | Передача данных с высокой-пропускной способностью, чувствительные к электромагнитным помехам-каналы, длинные оптоволоконные линии | Передача энергии, управление низким-напряжением, сигналы датчиков |
| Способ связи | Бесконтактный оптический путь | Щетка-на-кольцевой или оптоволоконной щетке |
| Чувствительность к электромагнитным помехам | Очень низкий | Зависит от экранирования и типа сигнала |
| Передаёт силу? | Нет | Да |
| Ключевые параметры | Тип волокна, длина волны, количество каналов, вносимые потери, обратные потери | Ток, напряжение, материал контактов, количество цепей |
| Общая комбинация | Интегрирован в гибридное контактное кольцо. | Интегрирован с модулями FORJ, RF или пневматическими модулями. |
Если системе требуется только питание и стандартные сигналы управления, достаточно обычного электрического контактного кольца. В тот момент, когда вам нужно передать несжатое видео HD/4K, устойчивый Gigabit Ethernet или любой оптический датчик с-широкополосной связью через вращающуюся ось, FORJ или гибридная сборка становится более надежным и долгосрочным-выбором.
Ключевые характеристики, которые действительно имеют значение
Выбор FORJ – это не только вопрос внешнего диаметра и цены. Оптические, механические и экологические требования необходимо рассматривать вместе, поскольку компромиссы-между ними приводят к большинству сбоев в эксплуатации.
Одноканальный- или многоканальный-канальный
Один-канал FORJ передает один оптический канал. Он меньше, проще и, как правило, имеет наименьшие вносимые потери и наилучшую долгосрочную-стабильность. Многоканальный-FORJ передает несколько оптических каналов через один и тот же вращающийся интерфейс, используя призмы, голубиные призмы или мультиплексоры в зависимости от конструкции.
Многоканальные-FORJ решают реальную проблему, но они добавляют сложности, чувствительности к согласованию и стоимости. Прежде чем переходить к 4- или 8-канальной конструкции, стоит задаться вопросом, можно ли вместо этого мультиплексировать данные по одному или двум волокнам на уровне приемопередатчика. Мультиплексирование с разделением по длине волны или приемопередатчики с более высокой скоростью часто уменьшают необходимое количество каналов и приводят к меньшему по размеру и более надежному вращающемуся соединению.
Одномодовое-волокно и многомодовое волокно
Тип волокна должен соответствовать остальной части оптической системы. Одномодовое-волокно (обычно OS2, совмещенное сМСЭ-T G.652рекомендация) используется для линий связи на большие-расстояния, с высокой-пропускной способностью и телекоммуникационного-класса, часто на длине волны 1310 нм или 1550 нм. Многомодовое волокно (OM3/OM4/OM5) чаще встречается в коротких каналах передачи данных на длине волны 850 нм, и его терминирование обычно дешевле.
Для FORJ выбор обычно зависит от трансиверов и оптического бюджета системы. Смешение типов волокон во вращающемся интерфейсе является частой причиной необъяснимых потерь, поэтому перед заказом всегда проверяйте тип волокна, рабочую длину волны и тип разъема с обеих сторон.
Вносимая потеря, обратная потеря и стабильность сигнала
Оптические характеристики – это то, в чем большинство недорогих-FORJ отстают. Цифры, на которые стоит обратить внимание:
- Вносимая потеря- типичный хороший одномодовый-FORJ: менее 1,5 дБ. Будьте осторожны с деталями, указанными только по «типичным» значениям без максимального значения.
- Изменение вносимых потерь во время вращения- часто это более важно, чем статические вносимые потери. Ищите отклонения менее 0,5 дБ на протяжении полного оборота, измеренные на номинальной скорости, а не в состоянии покоя.
- Возвратные потери- для одномодовых систем обычно ожидается 50 дБ или выше. Низкие обратные потери могут дестабилизировать лазерные передатчики и повредить линию связи.
- Зависимость от длины волны- подтвердите производительность на фактической рабочей длине волны, а не только на одной эталонной длине волны.
- Перекрестные помехи- актуально только для многоканальных-проектов.
Попросите поставщика предоставить отчет об испытаниях, показывающий динамические вносимые потери, измеренные во время вращения соединения. Деталь, которая выглядит приемлемо при статических стендовых испытаниях, может отклоняться на несколько дБ, когда она вращается под нагрузкой.
Скорость вращения, крутящий момент и механический диапазон
FORJ должен физически адаптироваться и выжить в машине. Подтвердите номинальную постоянную скорость, максимальную скорость, пусковой момент, допустимую осевую и радиальную нагрузку и срок службы подшипника. Компактный одноканальный-FORJ может быть рассчитан на несколько тысяч об/мин, тогда как герметичная многоканальная конструкция-для морского использования обычно ограничивается несколькими сотнями об/мин в обмен на защиту окружающей среды.
Степень IP, температура и окружающая среда
Требования к герметизации определяются местом эксплуатации сборки, а не тем, как она выглядит на модели САПР. Пьедесталы для уличных радаров,системы дистанционного управления, морские лебедки иветряная турбинаКаждая гондола имеет разные профили воздействия воды, солевых брызг, пыли и конденсата.
Степень защиты см. в стандарте IEC 60529, который лежит в основеСистема рейтинга IPиспользуется во всей отрасли. Эмпирическое правило: IP54 подходит для чистых промышленных помещений внутри помещений, IP65/IP66 — для воздействия на открытом воздухе или при промывке, а IP67/IP68 — для длительного погружения в воду. Запрос IP68 в чистом помещении только увеличивает стоимость; просить IP54 на морской палубе не удастся при первом же шторме.
Разъемы, пигтейлы и монтаж
Небольшие детали интеграции являются причиной удивительной доли задержек проектов. Перед заказом подтвердите:
- Тип разъема с каждой стороны: FC/APC, FC/UPC, SC, ST, LC, SMA или индивидуальный.
- Длина пигтейла и оболочка кабеля, необходимые для вашей среды
- Направление вывода кабеля - прямое или- под прямым углом
- Ограничения радиуса изгиба по длине кабеля
- Схема фланца, резьбовое крепление или посадка на вал
- Должен ли FORJ быть интегрирован с существующим контактным кольцом или встроен в новый узел
Быстрый выбор FORJ
Следующая таблица представляет собой краткую версию, которую мы используем для внутренних целей при определении объема новых запросов.
| Ваша ситуация | Рекомендуемое направление |
|---|---|
| Только оптические данные, без мощности по оси | Автономный ФОРДЖ |
| Оптические данные + мощность, управление двигателем или Ethernet по одной оси | Гибридное контактное кольцо со встроенным FORJ |
| Дальняя-связь, высокая пропускная способность, длины волн телекоммуникаций | Одномодовый-FORJ (OS2, 1310/1550 нм) |
| Короткий канал передачи данных, более низкая стоимость, трансиверы 850 нм | Многомодовый FORJ (OM3/OM4) |
| Необходимо несколько оптических путей | Многоканальный-FORJ - или сначала оцените WDM/мультиплексирование |
| Открытый, морской, морской, промывной | Герметичный FORJ, обычно IP66 или выше. |
| Непрерывное вращение на высокой-скорости (подвесы, радар) | Компактный одноканальный-FORJ с малым изменением вносимых потерь |
| Строгие ограничения по конверту, весу или балансу | Нестандартная гибридная сборка |
Выбор ФОРДЖ
Используйте этот контрольный список при подготовке запроса предложения. Каждая строка сопоставляет требование с конкретным вопросом, который следует задать поставщику.
| Требование | Что подтвердить | Почему это важно |
|---|---|---|
| Тип волокна | Одномодовый-или многомодовый, OS2/OM3/OM4/OM5 | Несовпадающее волокно приводит к чрезмерным потерям и ограничениям пропускной способности. |
| Длина волны | 850/1310/1550 нм или ваш конкретный трансивер | Производительность зависит от длины волны- |
| Количество каналов | Необходимое количество независимых оптических каналов | Увеличивает сложность, размер и стоимость |
| Вносимая потеря | Максимальное значение, нетипичное | Определяет ссылочный бюджет |
| Изменение вносимых потерь | Протестировано во время вращения на номинальной скорости. | Одни лишь статические потери скрывают реальную-производительность в мире |
| Возвратные потери | Минимальный дБ, особенно для одиночного-режима | Низкие обратные потери могут дестабилизировать лазерные источники. |
| Скорость вращения | Непрерывная и пиковая частота вращения | Выбор подшипников и уплотнений привода |
| IP-рейтинг | Особый IP-код, не «водонепроницаемый» | Стандарт уплотнения подлежит проверке, маркетинговые условия не подлежат проверке. |
| Диапазон температур | Экстремальные условия эксплуатации и хранения | Влияет на выбор смазки, уплотнений и клея |
| Тип разъема | ФК/АПК, ФК/УПК, СК, ЛК, СТ, СМА | Определяет совместимость при спаривании |
| Монтаж | Фланец, вал, сквозное-проходное отверстие или нестандартный | Решает, подходит ли деталь вообще |
| Другие каналы | Питание, управление, Ethernet, радиочастотный, пневматический | Указывает на гибридную сборку |
Как правильно выбрать FORJ
Именно этот процесс используют наши инженеры-разработчики при согласовании с заказчиком нового проекта FORJ.
Составьте карту полных требований к передаче
Перечислите все сигналы, которые должны пересекать ось вращения: оптические каналы, силовые цепи, сигналы управления, Ethernet, полевая шина, радиочастотные, пневматические или гидравлические линии. Если в списке есть что-то помимо чисто оптических данных, вы смотрите на гибридную сборку, а не на отдельный FORJ.
Блокировка оптической системы
Укажите тип волокна, длину волны, тип разъема, количество оптических каналов, максимальные вносимые потери, обратные потери и допустимое изменение вносимых потерь. Если вы не уверены, действительно ли вам нужно несколько оптических каналов, спросите, может ли мультиплексирование или приемопередатчик с более высокой-скоростью свести требования к одному или двум каналам. Это единственное решение часто экономит больше всего средств и сложности.
Подтвердите механический конверт
Отправьте базовый чертеж или как минимум конверт: внешний диаметр, длина, размер отверстия, монтажный интерфейс, направление выхода кабеля, скорость вращения и любые ограничения крутящего момента. FORJ с идеальной оптикой бесполезен, если он не садится на вал.
Сопоставьте среду с реальным IP-кодом
Точно укажите, где будет работать сборка: внутри, снаружи, на море, в скважине, в вакууме, при высокой влажности, соляном тумане, пыли, химическом воздействии. Преобразуйте это в IP-код и диапазон рабочих температур. Избегайте использования расплывчатых терминов, таких как «водонепроницаемый» или «надежный» -, они требуют дополнительных затрат и не требуют проверки.
Определите необходимый вам тест и документацию
Для критически важных систем (медицинская визуализация, аэрокосмическая, оборонная, морская промышленность) запрашивайте документацию заранее, а не после доставки:
- Отчет об оптических испытаниях на рабочей длине волны
- Данные о динамических вносимых потерях во время вращения
- Измерение обратных потерь
- Механический чертеж и распиновка волокна
- Декларация материалов и обработка поверхности
- Рекомендуемая процедура установки и обслуживания
Их определение на этапе предложения предотвращает большинство споров, которые в противном случае возникают при приемочном тестировании.
Реальные-сценарии применения в мире
Подвесы для наблюдения и наведения
Типичному подвесу EO/IR требуется несжатое видео от датчиков, установленных на вращающейся головке обратно к основанию. Медные контакты плохо справляются со скоростью передачи данных, электромагнитные помехи от двигателей поворота/наклона искажают сигнал, а доступная зона ограничена. Гибридный FORJ, сочетающий в себе один оптический канал для видео, Gigabit Ethernet для управления и питание двигателя 24 В постоянного тока, является стандартным решением.
Дистанционно управляемые транспортные средства (ROV)
Подводным системам необходимы герметичные узлы, способные выдерживать воздействие соленой воды, циклическое изменение давления и постоянное вращение на низкой-скорости лебедок или шарниров манипуляторов. Вносимые потери и класс IP доминируют в характеристиках, а максимальная скорость вращения редко является ограничивающим фактором.
Ветровые турбины и постаменты для радаров
Для систем гондолы рыскания и опор радиолокационных антенн сборка обычно работает на низких оборотах, но должна работать в течение многих лет с минимальным обслуживанием. Стабильность вносимых потерь в течение тысяч часов, герметичные подшипники и проверенные корпуса со степенью защиты IP66 важнее пиковых оптических характеристик.
Системы медицинской визуализации
Системы КТ и ОКТ сочетают высокую скорость передачи данных с чрезвычайно строгими требованиями к надежности. В данном случае FORJ обычно представляет собой один из элементов тесно интегрированного гибридного роторного узла, аттестуемого вместе с остальной частью машины, а не отдельного компонента.
Часто задаваемые вопросы
Вопрос: Что означает FORJ?
О: FORJ означает «Вращающееся оптоволоконное соединение», устройство, которое позволяет оптическим сигналам проходить между неподвижной и вращающейся сторонами машины без перекручивания волокна.
Вопрос: Является ли вращающееся соединение оптоволокна тем же, что и контактное кольцо?
О: Не совсем. FORJ делает для оптических сигналов то же, что контактное кольцо делает для электрических сигналов. В большинстве современных систем они объединены в гибридный вращающийся узел.
Вопрос: Может ли вращающееся соединение по оптоволоконному кабелю передавать мощность?
О: Нет. FORJ передает только оптические сигналы. Если вам также требуется питание, сигналы управления или Ethernet на одной оси, вам понадобится гибридное контактное кольцо, которое объединяет FORJ с электрическим контактным кольцом.
Вопрос: Когда мне следует использовать FORJ вместо электрического контактного кольца?
О: Всякий раз, когда канал должен передавать данные с высокой-пропускной способностью, должен быть невосприимчив к электромагнитным помехам или должен передаваться на большое расстояние по оптоволоконному кабелю. Электрические контакты могут передавать данные, но при многогигабитных скоростях и в шумной среде оптическая передача почти всегда более надежна.
Вопрос: В чем разница между однорежимным-и многомодовым FORJ?
О: Одномодовый-FORJ соответствует одномодовому-волоконному кабелю и обычно используется для соединений с высокой-полосой пропускания или на больших-расстояниях на длине волны 1310 или 1550 нм. Многомодовый FORJ соответствует многомодовому оптоволокну (OM3/OM4) и чаще встречается в более коротких каналах передачи данных 850 нм.
Вопрос: Каких вносимых потерь мне следует ожидать от хорошего FORJ?
О: Для одноканального однорежимного- FORJ разумными целевыми показателями являются вносимые потери менее 1,5 дБ и изменение вносимых потерь менее 0,5 дБ во время вращения. Многоканальные-проекты и проекты с суровыми-средами обычно имеют более высокие значения. Всегда запрашивайте максимальные, а не типичные цифры.
Вопрос: Какую информацию я должен предоставить при запросе котировки FORJ?
A: Тип волокна, длина волны, тип разъема, количество оптических каналов, скорость вращения, монтажный интерфейс, степень защиты IP, рабочая температура, а также необходимость пересечения одной и той же оси силовыми или сигнальными цепями. Чем больше это определено заранее, тем точнее цитата.
Следующие шаги
Волоконно-оптическое вращающееся соединение редко покупается по каталогу. В производственных системах это один из элементов гибридного вращающегося узла, который должен сочетать оптические характеристики, механическую посадку, герметичность и интеграцию с остальной частью машины.
Если вы рассматриваете новую конструкцию или вам нужно второе мнение по существующей спецификации FORJ, подготовьте элементы из контрольного списка выбора выше - типа волокна, длины волны, количества каналов, целевого значения вносимых потерь, скорости вращения, рейтинга IP и любых дополнительных каналов мощности или сигнала - иподелитесь ими с нашей командой разработчиков приложений. Мы ответим конкретным предложением, включая данные динамических испытаний и механическую концепцию, а не общую таблицу данных.