В непрекъснато въртящи се системи обикновените оптични кабели се усукват, уморяват се и в крайна сметка се повреждат. В проектите, които сме подкрепили като производител на контактни пръстени, това рядко е проблем на конектора. Обикновено това е проблем на-системно ниво: оптичният път се третира като последваща мисъл до захранващите и контролните линии и се разкрива едва когато машината се върти със скорост в полето.
A въртяща се връзка с оптични влакна, наричан още aFORJилифиброоптичен плъзгащ пръстен, решава това, като позволява на оптичните сигнали да преминават през въртящ се интерфейс, без да усукват влакното. В повечето съвременни машини FORJ не се купува като самостоятелна част. Той е интегриран селектрически контактен пръстенв един хибриден модул, който пренася захранване, сигнали за ниско-напрежение, Ethernet, полева шина и оптични данни през една въртяща се ос.
Това ръководство е написано от гледна точка на инженерен екип за приложения, който специфицира и тества тези модули за индустриални, морски, отбранителни и медицински клиенти. Той обхваща какво представлява FORJ, как работи, кога хибридното решение е правилният избор, спецификациите, които действително имат значение, и информацията, която трябва да подготвите, преди да се свържете с доставчик.
Какво представлява въртящата се връзка с оптични влакна?
Въртящата се връзка с оптични влакна е пасивно оптично устройство, което позволява на светлината да преминава между неподвижната и въртящата се страна на машината, без да нарушава оптичния път. Той играе същата роля за оптичните сигнали, която конвенционалният контактен пръстен играе за електрическите сигнали.
Ще видите същата технология, описана в таблици с данни и RFQ под няколко имена:
- Оптично въртящо се съединение (FORJ)
- Плъзгащ пръстен от оптични влакна
- Оптичен приплъзващ пръстен
- Оптично ротационно съединение
- Оптичен въртящ се конектор
Тези термини обикновено описват една и съща функция. Наименованието обикновено отразява индустрията и доставчика, а не техническа разлика.
Как работи въртящата се връзка с оптични влакна
Вътре в FORJ въртящото се влакно и неподвижното влакно никога не се усукват физически едно срещу друго. Вместо това, оптичният сигнал се прехвърля през прецизно подравнен оптичен път между два колимиращи елемента, поддържани от лагери, въртящ се корпус и неподвижен корпус. Едно-каналните конструкции обикновено използват чифт колиматори по оста на въртене. Много{4}}каналните дизайни добавят призми, гълъбови призми, огледала или въртящи се мултиплексори, така че няколко оптични канала да могат да споделят или пресичат един и същ въртящ се интерфейс.
Тъй като оптичното предаване зависи от микрон{0}}подравняването на нивото, механичното качество на лагерите и стабилността на размерите на корпуса са толкова важни, колкото и самата оптика. При приложения, податливи на висока-скорост или{3}}вибрации, доминиращият режим на отказ не е катастрофална загуба на сигнал, а нестабиленвариация на вмъкната загуба: частта преминава статичен тест на стенда, след което се носи в полето, след като започне да се върти под натоварване.
Хибриден фиброоптичен плъзгащ пръстен: захранване, сигнал и оптични данни в едно сглобяване
FORJ сам по себе си предава само оптични сигнали. Той не пренася електрическа енергия, ток на задвижване на двигателя, сигнали от енкодер или пневматични линии. В реалните машини те почти винаги трябва да пресичат една и съща въртяща се ос.
Ето защо повечето от заявките за FORJ, които получаваме, не са за гол FORJ. Те са за ахибриден плъзгащ пръстенкойто интегрира оптичния канал с електрически контактен пръстен, а понякога и с пневматична или хидравлична линия, в една механична обвивка.
Хибридният плъзгащ пръстен с оптични влакна обикновено съчетава някои от следните в един въртящ се възел:
- Един или повече оптични канали (едно-модов или многомодов)
- Силови{0}}силови вериги за двигатели или нагреватели
- Ниско{0}}напрежение за управление и сензорни сигнали
- Gigabit Ethernetили вериги на fieldbus (CAN, EtherCAT, PROFINET)
- RF или коаксиални канали
- Пневматични или хидравлични канали в някои конструкции
Когато хибридният пръстен има смисъл
Хибридният дизайн обикновено е правилният отговор, когато е вярно поне едно от следните:
- Въртящата се структура има строги ограничения на обвивката, теглото или баланса и второ въртящо се устройство не може да бъде подредено върху вала.
- Връзката за данни трябва да е устойчива на електромагнитни смущения от близки двигатели, VFD или радарни предаватели.
- Скоростта на предаване на данни надвишава това, което контактът с меден контактен пръстен може да осигури надеждно през целия живот на системата.
- Захранването, контролът на движението и данните от сензорите с висока{0}}честотна лента трябва да пресичат една и съща ос.
- Приложението е достатъчно персонализирано, така че стандартен--FORJ и отделен плъзгащ пръстен да не се подравнят механично.
В кардан за наблюдение, например, типичен хибриден модул може да комбинира един оптичен канал за видеопоток с висока -резолюция на камерата, Gigabit Ethernet линия за управление, няколко ампера мощност за двигатели за панорамиране/накланяне и нагреватели и шепа сигнални вериги за ниско-напрежение, всички в корпус с диаметър под 60 mm. Посочването на тези канали поотделно и закрепването им заедно обикновено струва повече място и повече пари, отколкото един интегриран дизайн.
Оптично въртящо се съединение срещу електрически плъзгащ се пръстен
И двете устройства решават проблеми с ротационното предаване, но не са взаимозаменяеми.
| Фактор | Фиброоптична ротационна връзка | Електрически приплъзващ пръстен |
|---|---|---|
| Първичен сигнал | Оптични данни | Захранване и електрически сигнали |
| Най-доброто за | Данни с висока -честотна лента, чувствителни към EMI-връзки, дълги влакна | Пренос на мощност, ниско{0}}управление на напрежението, сензорни сигнали |
| Контактен метод | Безконтактен оптичен път | Четка-на-пръстен или контакт с влакнеста четка |
| EMI чувствителност | Много ниско | Зависи от екрана и вида на сигнала |
| Предава мощност? | не | да |
| Ключови параметри | Тип влакно, дължина на вълната, брой канали, загуба на вмъкване, загуба на връщане | Ток, напрежение, контактен материал, брой вериги |
| Често срещана комбинация | Интегриран в хибриден контактен пръстен | Интегриран с FORJ, RF или пневматични модули |
Ако системата се нуждае само от захранване и стандартни контролни сигнали, конвенционален електрически контактен пръстен е достатъчен. В момента, в който трябва да прехвърлите некомпресирано HD/4K видео, устойчив Gigabit Ethernet или който и да е оптичен сензор с висока-честотна лента през въртяща се ос, FORJ или хибридният модул става по-надеждният дългосрочен-избор.
Основни спецификации, които действително имат значение
Изборът на FORJ не е само въпрос на външен диаметър и цена. Оптичните, механичните и екологичните изисквания трябва да бъдат прегледани заедно, тъй като-компромисите между тях водят до повечето повреди на полето.
Едно-канал срещу много-канал
Един-канал FORJ предава един оптичен канал. Той е по-малък, по-опростен и като цяло има най-ниските загуби на вмъкване и най-добрата -стабилност в дългосрочен план. Много-канален FORJ предава множество оптични канали през един и същ въртящ се интерфейс, използвайки призми, гълъбови призми или мултиплексори в зависимост от дизайна.
Много{0}}каналните FORJ решават истински проблем, но добавят сложност, чувствителност на подравняване и цена. Преди да се ангажирате с 4- или 8-канален дизайн, струва си да се запитате дали вместо това данните могат да бъдат мултиплексирани върху едно или две влакна на ниво трансивър. Мултиплексирането по дължина на вълната или трансивърите с по-висока скорост често намаляват необходимия брой канали и водят до по-малка, по-надеждна въртяща се връзка.
Едно-модово влакно срещу многомодово влакно
Типът влакно трябва да съответства на останалата част от оптичната система. Едно-модово влакно (обикновено OS2, подравнено сITU-T G.652препоръка) се използва за връзки на дълги-разстояния, с висока-честотна лента и телекомуникационни-класове, често при 1310 nm или 1550 nm. Многомодовото влакно (OM3/OM4/OM5) е по-често срещано при къси връзки за данни при 850 nm и обикновено е по-евтино за прекъсване.
За FORJ изборът обикновено следва от трансивърите и оптичния бюджет на системата. Смесването на типове влакна през въртящия се интерфейс е честа причина за необяснима загуба, така че винаги потвърждавайте типа влакно, работната дължина на вълната и типа на конектора от двете страни, преди да поръчате.
Вмъкнати загуби, обратни загуби и стабилност на сигнала
Оптичната производителност е мястото, където повечето евтини FORJ-се представят по-слабо. Цифрите, които си струва да разгледате:
- Вмъкната загуба- типичен добър единичен-режим FORJ: под около 1,5 dB. Бъдете внимателни с цитираните части само при "типични" стойности без максимум.
- Промяна на загубата на вмъкване по време на въртене- това често е по-важно от статичната вмъкната загуба. Потърсете вариация под 0,5 dB при пълен оборот, измерена при номинална скорост, а не в покой.
- Възвратна загуба- за едно-системи обикновено се очакват 50 dB или по-добри. Ниската загуба на връщане може да дестабилизира лазерните предаватели и да повреди връзката.
- Зависимост от дължината на вълната- потвърдете ефективността при вашата действителна работна дължина на вълната, а не само при една референтна дължина на вълната.
- Кръстосани смущения- подходящо само за много-канален дизайн.
Поискайте от доставчика протокол от изпитване, показващ динамична загуба на вмъкване, измерена, докато съединението се върти. Част, която изглежда приемливо на статичен стенд, може да се отклони с няколко dB, след като се върти под товар.
Скорост на въртене, въртящ момент и механична обвивка
FORJ трябва да се побере физически и да оцелее в машината. Потвърдете номиналната постоянна скорост, пикова скорост, начален въртящ момент, капацитет на аксиално и радиално натоварване и експлоатационен живот на лагера. Компактен едно-канален FORJ може да бъде оценен за няколко хиляди RPM, докато запечатан много{3}}канален дизайн за морска употреба обикновено ще бъде ограничен до няколкостотин RPM в замяна на опазване на околната среда.
IP рейтинг, температура и среда
Изискванията за запечатване се определят от това къде работи модулът, а не от това как изглежда на CAD модел. Външни радарни пиедестали,ROV системи, офшорни лебедки ивятърна турбинавсяка от гондолите има различни профили на експозиция за вода, солен спрей, прах и кондензация.
За степени на защита вижте стандарта IEC 60529, който е в основата наIP рейтингова системаизползвани в цялата индустрия. Като основно правило: IP54 е подходящ за чисти вътрешни индустриални среди, IP65/IP66 за излагане на открито или измиване и IP67/IP68 за продължително потапяне. Искането за IP68 в чиста стая само добавя разходи; искането за IP54 на офшорна палуба ще се провали при първата буря.
Конектори, пигтейли и монтаж
Малките детайли на интеграцията са отговорни за изненадваща част от забавянията на проектите. Преди да поръчате, потвърдете:
- Тип конектор от всяка страна: FC/APC, FC/UPC, SC, ST, LC, SMA или потребителски
- Дължина на косичката и обвивката на кабела, необходими за вашата среда
- Посока на изхода на кабела - права или прав-ъгъл
- Ограничения на радиуса на огъване по трасето на кабела
- Модел на фланец, монтаж с резба или монтаж на вал
- Дали FORJ трябва да се интегрира със съществуващ контактен пръстен или да се вгради в нов комплект
Бърз избор на FORJ
Следващата таблица е кратката версия, която използваме вътрешно при обхват на нови запитвания.
| Вашата ситуация | Препоръчителна посока |
|---|---|
| Само оптични данни, без захранване по оста | Самостоятелен FORJ |
| Оптични данни + захранване, управление на мотора или Ethernet по една и съща ос | Хибриден контактен пръстен с интегриран FORJ |
| Връзка-на дълги разстояния, висока честотна лента, телекомуникационни дължини на вълните | Единичен{0}}режим FORJ (OS2, 1310/1550 nm) |
| Къса връзка за данни, по-ниска цена, 850 nm приемо-предаватели | Многомодов FORJ (OM3/OM4) |
| Необходими са множество оптични пътища | Много{0}}канален FORJ - или първо оценете WDM/мултиплексиране |
| На открито, морски, офшорни, измиване | Запечатан FORJ, обикновено IP66 или по-висок |
| Непрекъснато високо{0}}скоростно въртене (кардани, радар) | Компактен едноканален-канален FORJ с ниска вариация на вмъкнатите загуби |
| Строги ограничения за плик, тегло или баланс | Хибридно сглобяване по поръчка |
FORJ Избор
Използвайте този контролен списък, когато изготвяте RFQ. Всеки ред свързва изискване с конкретен въпрос, който да зададете на доставчика.
| Изискване | Какво да потвърдите | Защо има значение |
|---|---|---|
| Тип влакна | Един-режим или многомодов, OS2 / OM3 / OM4 / OM5 | Несъответстващото влакно причинява излишни загуби и ограничения на честотната лента |
| Дължина на вълната | 850 / 1310 / 1550 nm или вашия специфичен трансивър | Ефективността зависи-от дължината на вълната |
| Брой канали | Необходим брой независими оптични канали | Движи сложност, размер и цена |
| Вмъкната загуба | Максимална стойност, нетипична | Определя бюджета на връзката |
| Вариация на загубата на вмъкване | Тестван по време на въртене при номинална скорост | Самата статична загуба крие реалната-производителност |
| Възвратна загуба | Минимум dB, особено за единичен-режим | Ниските възвратни загуби могат да дестабилизират лазерните източници |
| Скорост на въртене | Непрекъснати и пикови обороти | Задвижва избор на лагер и уплътнение |
| IP рейтинг | Конкретен IP код, а не "водоустойчив" | Стандартът за запечатване може да се провери, маркетинговите условия не |
| Температурен диапазон | Екстремни условия при работа и съхранение | Влияе на избора на смазка, уплътнение и лепило |
| Тип конектор | FC/APC, FC/UPC, SC, LC, ST, SMA | Определя съвместимостта при чифтосване |
| Монтаж | Фланец, вал, проходен{0}}отвор или персонализиран | Решава дали частта изобщо пасва |
| Други канали | Захранване, управление, Ethernet, RF, пневматично | Сочи към хибридна сглобка |
Как да изберем правилния FORJ
Това е процесът, който нашите инженери по приложенията използват, когато определят обхвата на нов FORJ проект с клиент.
Картирайте изискването за пълно предаване
Избройте всеки сигнал, който трябва да пресече въртящата се ос: оптични канали, силови вериги, управляващи сигнали, Ethernet, fieldbus, RF, пневматични или хидравлични линии. Ако в списъка има нещо извън чистите оптични данни, вие гледате хибриден модул, а не самостоятелен FORJ.
Заключете оптичната система
Посочете тип влакно, дължина на вълната, тип конектор, брой оптични канали, максимална загуба на вмъкване, загуба на връщане и допустима вариация на загуба на вмъкване. Ако не сте сигурни дали наистина имате нужда от множество оптични канали, попитайте дали мултиплексирането или трансивърът с по-висока-скорост може да свие изискването в един или два канала. Това единствено решение често спестява най-много разходи и сложност.
Потвърдете механичния плик
Изпратете основен чертеж или най-малко плик: външен диаметър, дължина, размер на отвора, интерфейс за монтаж, посока на изход на кабела, скорост на въртене и всички ограничения на въртящия момент. ФОРЖ с перфектна оптика не става за нищо, ако не става на вала.
Свържете средата с истински IP код
Посочете точно къде ще работи сглобката: на закрито, на открито, в морето, в дупка, вакуум, висока влажност, солен спрей, прах, излагане на химикали. Преобразувайте това в IP код и диапазон на работна температура. Избягвайте да използвате неясни термини като „водоустойчив“ или „здрав“ - струват допълнително и не проверяват нищо.
Определете теста и документацията, от които се нуждаете
За критични системи (медицински образи, аерокосмически, отбранителни, офшорни), поискайте документацията предварително, а не след доставката:
- Протокол от оптичен тест при работна дължина на вълната
- Данни за динамична загуба на вмъкване по време на въртене
- Измерване на обратната загуба
- Механичен чертеж и щифтове на влакна
- Декларация на материалите и повърхностни обработки
- Препоръчителна процедура за инсталиране и поддръжка
Определянето им на етапа на котиране предотвратява повечето спорове, които иначе се появяват при тестване за приемане.
Реални{0}}сценарии за приложение
Кардани за наблюдение и насочване
Типичен EO/IR кардан се нуждае от некомпресирано видео от сензори, монтирани на въртящата се глава обратно към основата. Медните контакти се борят със скоростта на предаване на данни, електромагнитните помехи от двигателите за панорамиране/накланяне развалят сигнала и наличната обвивка е малка. Стандартното решение е хибриден FORJ, комбиниращ един оптичен канал за видео, Gigabit Ethernet за управление и 24 VDC захранване на двигателя.
Дистанционно управлявани превозни средства (ROV)
Подводните системи се нуждаят от херметизирани възли, които издържат на солена вода, цикъл на налягане и непрекъснато въртене с ниска-скорост на лебедки или манипулаторни съединения. Загубата на вмъкване и IP рейтингът доминират в спецификацията, докато максималната скорост на въртене рядко е ограничаващият фактор.
Вятърни турбини и радарни пиедестали
За системи за отклонение от гондолата и пиедестали за радарни антени, модулът обикновено работи при ниски обороти, но трябва да работи много години с минимална поддръжка. Стабилността на вмъкнатите загуби в продължение на хиляди часове, запечатаните лагери и доказаните IP66 корпуси са по-важни от върховите оптични характеристики.
Медицински системи за изображения
CT и OCT системите комбинират високи скорости на данни с изключително строги изисквания за надеждност. FORJ тук обикновено е един елемент от тясно интегриран хибриден ротационен възел, квалифициран заедно с останалата част от машината, а не посочен изолирано.
ЧЗВ
Въпрос: Какво означава FORJ?
О: FORJ означава Fiber Optic Rotary Joint, устройство, което позволява на оптичните сигнали да преминават между неподвижната и въртящата се страна на машината, без да усукват влакното.
Въпрос: Оптичното въртящо се съединение същото ли е като плъзгащия пръстен?
О: Не точно. FORJ прави за оптичните сигнали това, което плъзгащият пръстен прави за електрическите сигнали. В повечето съвременни системи двете се комбинират в хибриден ротационен възел.
Въпрос: Може ли оптично въртящо се съединение да предава мощност?
О: Не. FORJ предава само оптични сигнали. Ако също се нуждаете от захранване, контролни сигнали или Ethernet на същата ос, имате нужда от хибриден контактен пръстен, който интегрира FORJ с електрически контактен пръстен.
Въпрос: Кога трябва да използвам FORJ вместо електрически пръстен?
О: Всеки път, когато връзката трябва да пренася данни с висока-честотна лента, трябва да е имунизирана срещу електромагнитни помехи или трябва да пътува на голямо разстояние през оптично влакно. Електрическите контакти могат да пренасят данни, но при много-гигабитови скорости и в шумна среда оптичното предаване почти винаги е по-надеждно.
Въпрос: Каква е разликата между един-режим и многомодов FORJ?
О: Едно-модовият FORJ е съчетан с едно-модово влакно и обикновено се използва за високо-широчина на честотната лента или връзки на дълги-разстояния при 1310 или 1550 nm. Многомодовият FORJ е съчетан с многомодово влакно (OM3/OM4) и е по-често срещан при по-къси 850 nm връзки за данни.
Въпрос: Каква вмъкната загуба трябва да очаквам от добър FORJ?
О: За едно-канален един-режим FORJ, вмъкнатата загуба под приблизително 1,5 dB и вариацията на вмъкнатата загуба под 0,5 dB по време на въртене са разумни цели. Много{5}}дизайнът за многоканална и сурова-околна среда обикновено има по-високи стойности. Винаги изисквайте максимални, а не типични числа.
В: Каква информация трябва да предоставя, когато искам оферта за FORJ?
A: Тип влакно, дължина на вълната, тип конектор, брой оптични канали, скорост на въртене, интерфейс за монтиране, IP рейтинг, работна температура и дали захранващите или сигналните вериги също трябва да пресичат същата ос. Колкото повече от това е дефинирано предварително, толкова по-точна е офертата.
Следващи стъпки
Въртящата се връзка с оптични влакна рядко е покупка по каталог. В производствените системи това е един от елементите на хибриден ротационен възел, който трябва да балансира оптичните характеристики, механичното прилягане, екологичното уплътнение и интеграцията с останалата част от машината.
Ако обмисляте нов дизайн или се нуждаете от второ мнение относно съществуваща спецификация на FORJ, подгответе елементите от контролния списък за избор по-горе - тип влакно, дължина на вълната, брой канали, цел за загуба на вмъкване, скорост на въртене, IP рейтинг и всякакви допълнителни захранващи или сигнални канали - исподелете ги с нашия инженерен екип за приложения. Ние ще отговорим с конкретно предложение, включително данни от динамични тестове и механична концепция, а не с общ лист с данни.