基于双通道光电耦合离轴旋转连接器设计方案

1.引言

在一些设备或装置中需要在相对旋转的部件之间进行相互通信，传输如视频信号、音频信号、控制信号、传感信号等。现今使用的旋转连接技术实现方法主要有：

1)采用光纤旋转连接器，但是该器件必须安装于旋转轴中心或允许偏离中心很小的距离，在一些旋转轴中需要进行液压、气压传动以及需要布设其他线路的场合则不适用，且机械加工精度要求也较高;

2)采用集电环，但是随着信号传输路数的增加需要相应增加集电环数，使信号传输可靠性降低，且容易受到环境电磁干扰;

3)采用光电耦合进行非接触信号传输，目前文献中存在一些利用红外耦合实现在相对旋转的部件之间的通信的方案，但是红外发射与接收电路及信号变换电路集于光电耦合板中且光信号轴向发射，使旋转连接件体积较大在一些空间受到限制的场合难以应用。

为了解决上述旋转连接技术实现方法中的一些不足，本文提出一种基于光电耦合技术的旋转信号传输装置。该旋转信号传输装置在相对旋转的部件之间以光为信号载体进行非接触信号传输，使用发光二极管(LED)和光电二极管作为光发射器件与光接收器件，整个装置结构简单，对机械加工精度要求低，易于组装和安装，且成本低。

2.装置组成及原理

本装置由信号收发电路模块Ⅰ、信号收发电路模块Ⅱ、光电耦合旋转连接部件三部分组成，如图1所示。

2.1 光电耦合旋转连接部件

如图2所示，光电耦合旋转连接部件套在设备的转动轴上，旋转套管固定于转动轴随转动轴一起转动，固定套管通过法兰结构与设备的固定平台连接。考虑到在光电传输的过程中，外界光辐射以及发光LED在套管内壁的反射光也会对信号传输可靠性造成影响，对因此在固定套管内壁涂有吸光涂层以吸收外界光辐射和反射光。

2.1.1 工作原理

旋转套管随转动轴一起转动，使旋转套管和固定套管上的LED和光电二极管发生相对转动，其空腔内形成360度覆盖的复合光场，使光电二极管转到任意角度时都能接收到来自相对的LED发光管的光信号，从而实现在任意转速旋转中传递信号。

2.1.2 发光LED及与光电二极管数量的确定

如图3所示，若已知LED发光管的发射全角为α，光电二极管的接收全角为β，固定套管内壁半径为R,旋转套管外壁半径为r,设固定套管上的光电二极管数量为n个，临界数量为Q1个，固定套管上的LED发光管数量为m个，临界数量为Q2个，则临界数量Q1、Q2应满足以下关系式：

同时要使两通道光信号不相互干扰还应满足约束条件：r/R>sin(α/2)。

要使信号双向传输时各个光电二极管能稳定正确接收信号，应使固定套管上的LED发光管的数量m大于[Q2]个，光电二极管的数量n大于[Q1]个，其中[Q1]、[Q2]分别表示Q1、Q2的整数部分。

2.2 信号收发电路模块

信号收发电路模块Ⅰ位于设备的转台或转轴上，信号收发电路模块Ⅱ位于设备的固定部分，信号收发电路模块Ⅰ、Ⅱ功能相同，有两个作用：

1)将设备转轴上或固定平台上的发来的电信号变换为能够驱动发光二极管的电信号;

2)将光电检测信号放大并经过波形的整形稳幅后发送给设备转轴上或固定平台上的控制系统。

信号收发电路模块结构如图4所示。由于发光LED与相应的接收光电二级管处于相对旋转之中，光电二极管接收到的有效光功率并不稳定，而是处于波动状态，因此得到的光电检测信号也是波动的。一般由于光电检测信号较弱，在输入信号收发电路模块后首先要通过放大电路对检测信号进行放大，放大后的信号波形上升和下降速度变慢，波形稳定部分也会有一定的波动。因此信号波形还要经过整形稳幅电路处理以提升其上升和下降速度同时使波形平稳。

3.实验与结果分析

由于在旋转连接部件中光信号发射与接收是在相对旋转中进行的，光场的分布会对信号的传输质量造成影响。实验的目的是验证设计是否合理，为此测试了双通道光电耦合离轴旋转连接器对物理层中位信号的传输性能，包括误码率的大小、输入连接器的信号与输出连接器的信号波形比较。实验的电路原理图如图5所示。

3.1 器件选择

光发射器件可以选用红外LED、白光LED、激光二极管等，光接收器件可以选用PIN光电二极管，光电三极管等。随着科学技术的发展，红外发射与接收器件目前已广泛应用于遥控、遥测和短距通信等领域。

在本设计的实验中选用市售具有较高响应速度的红外发光二极管和光电二极管作为连接器中的光通信器件。选用单片机作为转台上的信号发送与接收控制器，用微机作为上位机，两者通过RS232串口和旋转连接器连接通信。为降低线路复杂性，转台上的电路使用9v层叠电池稳压为5v做电源。