双通道光电耦合离轴旋转连接器设计与实现.docx

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1、双通道光电耦合离轴旋转连接器设计与实现 【摘要】设计一种新型光电耦合旋转连接器。通过复合光场实现360度双通道信号连续传输。给出了连接器的设计原理，并通过试验测试了信号传输性能，验证了连接器的实际可行性。试验结果表明，该连接器能够实现相对旋转的机构之间的非接触通信，结构简洁，机械加工精度要求低，某些场合下可以代替光纤连接器实现多路多通道数据传输。 【关键词】光电耦合；光电二极管；双通道；旋转连接器 1.引言 在一些设备或装置中须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、限制信号、传感信号等。现今运用的旋转连接技术实现方法主要有：1）采纳光纤旋转连接器1，但是该器件必需安装于

2、旋转轴中心或允许偏离中心很小的距离，在一些旋转轴中须要进行液压、气压传动以及须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）采纳集电环，但是随着信号传输路数的增加须要相应增加集电环数，使信号传输牢靠性降低，且简单受到环境电磁干扰；3）采纳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2，但是红外放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放射，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

3、部件之间以光为信号载体进行非接触信号传输，运用发光二极管和光电二极管作为光放射器件与光接收器件，整个装置结构简洁，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、信号收发电路模块、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牢靠性造成影响，对因此在固定套管内壁涂有吸光涂层以汲取外界光辐射和反射光。 2.1

4、.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，使光电二极管转到随意角度时都能接收到来自相对的LED发光管的光信号，从而实现在随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发光管的放射全角为，光电二极管的接收全角为，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应满意以下关系式： 同时要使两通道光信号不相互干扰还应满意约束条件：r/R

5、sin。 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 信号收发电路模块位于设备的转台或转轴上，信号收发电路模块位于设备的固定部分，信号收发电路模块、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限制系统。 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

6、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肯定的波动。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.试验与结果分析 由于在旋转连接部件中光信号放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。试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。试验的电路原理图如图5所示。

7、3.1 器件选择 光放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，红外放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3。在本设计的试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限制器，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。为降低线路困难性，转台上的电路运用9v层叠电池稳压为5v做电源。 3.2 信号收发电路模块、的电路 光电二极管一般有两种工作模式：光伏模式和光导模式4。在光伏模式时，光电二极管可以特别精确地线

8、性工作；在光导模式下，光电二级的切换速度较高，但具有明显的非线性，同时即使在无光条件下也会产生暗电流引入噪声。光电二级管暗电流大小与温度有关，在温度改变较大的场合噪声较强，会使信号传输误码率大大增加，须要加入温度补偿电路。试验在一个较志向的条件下进行，环境温度不大，光电二极管工作在光导模式。图6为光电检测信号的两级放大与整形稳幅电路，图7为LED发光管驱动电路。各元件详细参数値依据实际选择调整。 3.3 误码率测试 3.4 信号波形对比 单片机发送一组6.2kHz矩形脉冲模拟位信号用示波器视察到如图9、图10所示波形。图9中上方为单片机发出的矩形脉冲序列波形，下方为通过双通道光电耦合旋转连接器

9、后的信号波形。可以看出后者稍有延迟，很可能是器件的响应时间所致，但波形未变，由串口的通信协议可知，在无噪声干扰时通信完全可持续进行。图10中上方的波形为光电二级管输出信号波形，可以看出信号下降沿下降速度变慢，波形产生明显失真。下方波形为经过放大整形稳幅后的波形，即通过双通道光电耦合旋转连接器后的信号波形，已经有很大的改善。对比结果表明：试验中所设计连接器对物理层位信号的传输失真较小。 4.结论 本文针对现有旋转连接技术实现方法中的不足，设计了一种易于实现的双通道光电耦合离轴旋转连接装置，对其原理进行了分析并通过试验对该设计方法的实际可行性进行了验证。试验结果表明，本设计能够实现相对旋转的机构之

10、间的非接触通信，同时结构简洁，机械加工精度要求低，成本低，某些场合下可以代替光纤连接器实现多路多通道数据传输，也可应用于一些总线通信中。 参考文献 1上海理工高校.离轴旋转光通信系统P.中国专利.CN102684789A.2022-09-19. 2高磊.旋转机械非接触光电耦合信号传输探讨D.南京：南京航天航空高校，2022. 3周烨，吴炜，黄子强.基于光电检测的红外光信号接收电路设计J.电子设计工程，2022，19：113-115. 4宋涛，张斌，罗倩倩.光电转换电路的设计与优化J.光电技术应用，2022：46-48. 5南利平，李学华，张晨燕，王亚飞.通信原理简明教程M.北京：清华高校出版社，2022，08：8-9. 作者简介： 孙丰，男，河南驻马店人，高校本科，现就读于江西农业高校工学院。 欧阳静怡，女，江西九江人，硕士，江西农业高校工学院讲师。 第7页 共7页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页