En els sistemes de rotació contínua, els cables de fibra normals es retorcen, es cansen i finalment fallen. En els projectes que hem donat suport com a fabricant d'anells lliscants, rarament es tracta d'un problema de connector. Sol ser un problema a nivell-del sistema: el camí òptic es va tractar com una idea posterior al costat de les línies d'alimentació i control, i només es va revelar quan la màquina girava a gran velocitat al camp.
A articulació rotativa de fibra òptica, també anomenat aFORJoanell lliscant de fibra òptica, soluciona això permetent que els senyals òptics travessin una interfície giratòria sense torçar la fibra. A la majoria de màquines modernes, el FORJ no es compra com a peça independent. Està integrat amb unanell lliscant elèctricen un únic conjunt híbrid que transporta energia, senyals de baixa-tensió, Ethernet, bus de camp i dades òptiques a través d'un eix giratori.
Aquesta guia està escrita des de la perspectiva d'un equip d'enginyeria d'aplicacions que especifica i prova aquests conjunts per a clients industrials, marítims, de defensa i mèdics. Cobreix què és un FORJ, com funciona, quan una solució híbrida és l'opció correcta, les especificacions que realment importen i la informació que cal preparar abans de contactar amb un proveïdor.
Què és una junta rotativa de fibra òptica?
Una junta rotativa de fibra òptica és un dispositiu òptic passiu que permet que la llum passi entre els costats estacionari i giratori d'una màquina sense trencar el camí òptic. Té el mateix paper per als senyals òptics que un anell lliscant convencional per als senyals elèctrics.
Veureu la mateixa tecnologia descrita en fulls de dades i RFQ amb diversos noms:
- Junta rotativa de fibra òptica (FORJ)
- Anell lliscant de fibra òptica
- Anell lliscant òptic
- Articulació rotativa òptica
- Connector rotatiu de fibra òptica
Aquests termes generalment descriuen la mateixa funció. La denominació normalment reflecteix la indústria i el proveïdor en lloc d'una diferència tècnica.
Com funciona una junta rotativa de fibra òptica
Dins d'un FORJ, la fibra giratòria i la fibra estacionària mai es torcen físicament l'una contra l'altra. En canvi, el senyal òptic es transfereix a través d'un camí òptic alineat amb precisió entre dos elements col·limadors, recolzats per coixinets, una carcassa giratòria i una carcassa estacionària. Els dissenys d'un sol-canal solen utilitzar un parell de col·limadors a l'eix de rotació. Els dissenys multi-canal afegeixen prismes, prismes coloms, miralls o multiplexors rotatius perquè diversos canals òptics puguin compartir o creuar la mateixa interfície giratòria.
Com que la transmissió òptica depèn de l'alineació-del nivell de micres, la qualitat mecànica dels coixinets i l'estabilitat dimensional de la carcassa importen tant com l'òptica. En aplicacions propenses a -alta velocitat o vibracions-, el mode de fallada dominant no és la pèrdua catastròfica de senyal sinó la inestablevariació de la pèrdua d'inserció: la peça passa una prova estàtica al banc, després deriva al camp un cop comença a girar sota càrrega.
Anell lliscant de fibra òptica híbrida: potència, senyal i dades òptiques en un sol conjunt
Un FORJ per si mateix només transmet senyals òptics. No transporta energia elèctrica, corrent d'accionament del motor, senyals de codificador o línies pneumàtiques. A les màquines reals, aquestes gairebé sempre han de creuar el mateix eix de rotació.
És per això que la majoria de les sol·licituds de FORJ que rebem no són per a un FORJ nu. Són per aanell lliscant híbridque integra el canal òptic amb un anell lliscant elèctric, i de vegades amb una línia pneumàtica o hidràulica, dins d'un mateix embolcall mecànic.
Un anell lliscant de fibra òptica híbrida normalment combina alguns dels següents en un únic conjunt rotatiu:
- Un o més canals òptics (mode-únic o multimode)
- Circuits de potència d'alta corrent-per a motors o escalfadors
- Senyals de control i sensor de baixa-tensió
- Gigabit Etherneto circuits de bus de camp (CAN, EtherCAT, PROFINET)
- Canals RF o coaxials
- Passatges pneumàtics o hidràulics en alguns dissenys
Quan un anell lliscant híbrid té sentit
Un disseny híbrid sol ser la resposta correcta quan almenys una de les característiques següents és certa:
- L'estructura giratòria té restriccions estrictes d'embolcall, pes o equilibri, i no es pot apilar un segon dispositiu rotatiu a l'eix.
- L'enllaç de dades ha de ser immune a les interferències electromagnètiques de motors propers, VFD o transmissors de radar.
- La velocitat de dades supera el que un contacte d'anell lliscant de coure pot oferir de manera fiable durant la vida útil del sistema.
- La potència, el control de moviment i les dades del sensor d'{0}}amplada de banda alta han de creuar el mateix eix.
- L'aplicació és prou personalitzada perquè un FORJ--prestat i un anell lliscant independent no s'alinein mecànicament.
En un gimbal de vigilància, per exemple, un conjunt híbrid típic pot combinar un canal òptic per al flux de vídeo d'alta-resolució de la càmera, una línia Gigabit Ethernet per al control, diversos amperes de potència per a motors i escalfadors de panoràmica/inclinació i un grapat de circuits de senyal de baixa tensió-, tot dins d'una carcassa de menys de 60 mm de diàmetre. Especificar aquests canals per separat i connectar-los junts sol costar més espai i més diners que un únic disseny integrat.
Junta giratòria de fibra òptica vs. anell lliscant elèctric
Tots dos dispositius resolen problemes de transmissió rotativa, però no són intercanviables.
| Factor | Junta giratòria de fibra òptica | Anell lliscant elèctric |
|---|---|---|
| Senyal primari | Dades òptiques | Potència i senyals elèctrics |
| El millor per | Dades d'ample de banda-elevat, enllaços sensibles-EMI, llargs recorreguts de fibra | Transferència d'energia, control de baixa-tensió, senyals del sensor |
| Mètode de contacte | Camí òptic sense contacte | Raspall-en-anell o contacte de raspall de fibra |
| Sensibilitat EMI | Molt baix | Depèn del blindatge i del tipus de senyal |
| Transmet el poder? | No | Sí |
| Paràmetres clau | Tipus de fibra, longitud d'ona, recompte de canals, pèrdua d'inserció, pèrdua de retorn | Corrent, tensió, material de contacte, recompte de circuits |
| Combinació comuna | Integrat en un anell híbrid | Integrat amb mòduls FORJ, RF o pneumàtics |
Si el sistema només necessita potència i senyals de control estàndard, n'hi ha prou amb un anell lliscant elèctric convencional. En el moment en què necessiteu impulsar vídeo HD/4K sense comprimir, Gigabit Ethernet sostingut o qualsevol sensor òptic d'ample de banda-alt a través d'un eix giratori, un FORJ o un conjunt híbrid es converteix en l'opció més fiable-a llarg termini.
Especificacions clau que realment importen
L'elecció d'un FORJ no és només una qüestió de diàmetre exterior i preu. Els requisits òptics, mecànics i ambientals s'han de revisar conjuntament, perquè les compensacions-entre ells provoquen la majoria de fallades de camp.
Canal-únic o multicanal-
Un sol-canal FORJ transmet un canal òptic. És més petit, més senzill i, en general, té la pèrdua d'inserció més baixa i la millor-estabilitat a llarg termini. Un FORJ multi-canal transmet diversos canals òptics a través de la mateixa interfície giratòria, utilitzant prismes, prismes coloms o multiplexors segons el disseny.
Els FORJ multi-canal solucionen un problema real, però afegeixen complexitat, sensibilitat d'alineació i cost. Abans de comprometre's amb un disseny de 4- o 8 canals, val la pena preguntar-se si les dades es podrien multiplexar en una o dues fibres al nivell del transceptor. La multiplexació de la divisió de longitud d'ona o els transceptors de velocitat més alta sovint redueixen el recompte de canals necessaris i donen lloc a una articulació rotativa més petita i més fiable.
Mode-únic versus fibra multimode
El tipus de fibra ha de coincidir amb la resta del sistema òptic. Fibra d'-mode únic (normalment OS2, alineada amb elITU-T G.652recomanació) s'utilitza per a enllaços de llarga-distància, ample de banda alt-i de telecomunicacions-, sovint a 1310 nm o 1550 nm. La fibra multimode (OM3/OM4/OM5) és més freqüent en enllaços de dades curts a 850 nm i, en general, és més barat d'acabar.
Per a un FORJ, l'elecció se segueix normalment dels transceptors i del pressupost òptic del sistema. La barreja de tipus de fibra a través de la interfície rotativa és una causa freqüent de pèrdues inexplicables, així que sempre confirmeu el tipus de fibra, la longitud d'ona de funcionament i el tipus de connector a ambdós costats abans de fer la comanda.
Pèrdua d'inserció, pèrdua de retorn i estabilitat del senyal
El rendiment òptic és el lloc on la majoria dels FORJ-de baix cost tenen un rendiment inferior. Els números que val la pena mirar:
- Pèrdua d'inserció- FORJ d'un sol-mode bo típic: menys d'uns 1,5 dB. Aneu amb compte amb les peces citades només amb valors "típics" sense un màxim.
- Variació de la pèrdua d'inserció durant la rotació- sovint és més important que la pèrdua d'inserció estàtica. Busqueu una variació inferior a 0,5 dB en una revolució completa, mesurada a la velocitat nominal, no en aturada.
- Pèrdua de retorn- per als sistemes-mode únic, normalment s'espera 50 dB o més. La baixa pèrdua de retorn pot desestabilitzar els transmissors làser i corrompre l'enllaç.
- Dependència de la longitud d'ona- confirmeu el rendiment a la vostra longitud d'ona de funcionament real, no només a una única longitud d'ona de referència.
- Conversació- rellevant només per a dissenys multi-canal.
Demaneu al proveïdor un informe de prova que mostri la pèrdua dinàmica d'inserció mesurada mentre l'articulació gira. Una peça que sembli acceptable en una prova de banc estàtica pot derivar diversos dB un cop gira sota càrrega.
Velocitat de rotació, parell i embolcall mecànic
El FORJ ha d'adaptar-se físicament i sobreviure a la màquina. Confirmeu la velocitat contínua nominal, la velocitat màxima, el parell inicial, la capacitat de càrrega axial i radial i la vida útil del coixinet. Un FORJ compacte d'un sol-canal pot tenir una puntuació per a diversos milers de RPM, mentre que un disseny multicanal segellat per a ús marí normalment es limitarà a uns quants centenars de RPM a canvi de la protecció del medi ambient.
Classificació IP, temperatura i medi ambient
Els requisits de segellat es determinen per on opera el conjunt, no per com es veu en un model CAD. Pedestals de radar a l'aire lliure,Sistemes ROV, cabrestants en alta mar iaerogeneradorcadascuna de les góndoles té diferents perfils d'exposició per a l'aigua, la sal, la pols i la condensació.
Per obtenir les classificacions de protecció, consulteu l'estàndard IEC 60529, que sustenta elSistema de classificació IPutilitzat a tota la indústria. Com a regla general: IP54 està bé per a entorns industrials interiors nets, IP65/IP66 per a l'exposició a l'exterior o al rentat i IP67/IP68 per a una immersió prolongada. Sol·licitar IP68 en una sala neta només afegeix cost; demanar IP54 en una coberta en alta mar fallarà a la primera tempesta.
Connectors, Pigtails i Muntatge
Els petits detalls d'integració són responsables d'una part sorprenent dels retards del projecte. Abans de fer la comanda, confirmeu:
- Tipus de connector a cada costat: FC/APC, FC/UPC, SC, ST, LC, SMA o personalitzat
- La longitud de la cua i la jaqueta de cable necessària per al vostre entorn
- Direcció de sortida del cable - recte o -angle recte
- Límits del radi de flexió al llarg del recorregut del cable
- Patró de brida, muntatge roscat o ajust d'eix
- Si el FORJ s'ha d'integrar amb un anell lliscant existent o integrat en un nou conjunt
Selecció ràpida de FORJ
La taula següent és la versió breu que utilitzem internament quan abastem noves consultes.
| La teva situació | Direcció recomanada |
|---|---|
| Només dades òptiques, sense potència a l'eix | FORJ autònom |
| Dades òptiques + potència, control del motor o Ethernet en el mateix eix | Anell antilliscant híbrid amb FORJ integrat |
| Enllaç de llarga-distància, ample de banda elevat, longituds d'ona de telecomunicacions | FORJ{0}}mode únic (OS2, 1310/1550 nm) |
| Enllaç de dades curt, menor cost, transceptors de 850 nm | FORJ multimode (OM3/OM4) |
| Es necessiten múltiples camins òptics | FORJ multi-canal - o avalueu primer WDM/multiplexing |
| A l'aire lliure, marí, marí, rentat | FORJ segellat, normalment IP66 o superior |
| Rotació contínua d'alta -velocitat (gimbals, radar) | FORJ compacte d'un-canal amb baixa variació de pèrdua d'inserció |
| Límits estrictes d'embolcall, pes o equilibri | Muntatge híbrid personalitzat |
Selecció FORJ
Utilitzeu aquesta llista de verificació quan prepareu una RFQ. Cada fila associa un requisit a una pregunta concreta per fer al proveïdor.
| Requisit | Què confirmar | Per què importa |
|---|---|---|
| Tipus de fibra | Mode -únic o multimode, OS2/OM3/OM4/OM5 | La fibra no coincideix provoca pèrdues excessives i límits d'ample de banda |
| Longitud d'ona | 850 / 1310 / 1550 nm o el vostre transceptor específic | El rendiment depèn de la longitud d'ona- |
| Recompte de canals | Nombre de canals òptics independents necessaris | Impulsa la complexitat, la mida i el cost |
| Pèrdua d'inserció | Valor màxim, no típic | Defineix el pressupost d'enllaç |
| Variació de la pèrdua d'inserció | Provat durant la rotació a la velocitat nominal | Només la pèrdua estàtica amaga el rendiment-del món real |
| Pèrdua de retorn | Mínim dB, especialment en mode{0}únic | La baixa pèrdua de retorn pot desestabilitzar les fonts làser |
| Velocitat de rotació | RPM contínua i màxima | Acciona la selecció de coixinets i segells |
| Classificació IP | Codi IP específic, no "impermeable" | L'estàndard de segellat és verificable, els termes de màrqueting no |
| Interval de temperatura | Extrems de funcionament i emmagatzematge | Afecta a la selecció de lubricants, segellats i adhesius |
| Tipus de connector | FC/APC, FC/UPC, SC, LC, ST, SMA | Determina la compatibilitat d'aparellament |
| Muntatge | Brida, eix,-perforació o personalitzat | Decideix si la peça s'adapta |
| Altres canals | Potència, control, Ethernet, RF, pneumàtic | Apunta a un conjunt híbrid |
Com triar el FORJ adequat
Aquest és el procés que utilitzen els nostres enginyers d'aplicacions per definir un nou projecte FORJ amb un client.
Assenyala el requisit de transmissió complet
Enumereu tots els senyals que han de travessar l'eix de rotació: canals òptics, circuits de potència, senyals de control, Ethernet, bus de camp, RF, línies pneumàtiques o hidràuliques. Si hi ha alguna cosa més enllà de les dades òptiques pures a la llista, esteu buscant un conjunt híbrid, no un FORJ autònom.
Bloqueja el sistema òptic
Especifiqueu el tipus de fibra, la longitud d'ona, el tipus de connector, el nombre de canals òptics, la pèrdua màxima d'inserció, la pèrdua de retorn i la variació admissible de la pèrdua d'inserció. Si no esteu segur de si realment necessiteu diversos canals òptics, pregunteu si la multiplexació o un transceptor-de velocitat superior pot reduir el requisit en un o dos canals. Aquesta única decisió sovint estalvia més costos i complexitat.
Confirmeu l'embolcall mecànic
Envieu un dibuix bàsic o com a mínim un sobre: diàmetre exterior, longitud, mida del forat, interfície de muntatge, direcció de sortida del cable, velocitat de rotació i qualsevol límit de parell. Un FORJ amb una òptica perfecta no serveix de res si no encaixa a l'eix.
Relaciona l'entorn amb un codi IP real
Indiqueu exactament on funcionarà el conjunt: interior, exterior, marí, fons de forat, buit, alta humitat, polvorització de sal, pols, exposició química. Converteix-ho en un codi IP i un rang de temperatura de funcionament. Eviteu utilitzar termes vagues com "resistent a l'aigua" o "resistent" - tenen un cost addicional i no verifiquen res.
Definiu la prova i la documentació que necessiteu
Per a sistemes crítics (imatge mèdica, aeroespacial, defensa, offshore), sol·liciteu la documentació per endavant i no després del lliurament:
- Informe de prova òptica a la longitud d'ona de funcionament
- Dades de pèrdua d'inserció dinàmica durant la rotació
- Mesura de la pèrdua de retorn
- Dibuix mecànic i pinout de fibra
- Declaració de materials i tractaments superficials
- Procediment d'instal·lació i manteniment recomanat
Definir-los en l'etapa de cotització evita la majoria de les disputes que d'altra manera apareixen a les proves d'acceptació.
Escenaris d'aplicacions del{0}}món real
Gimbals de vigilància i orientació
Un cardan EO/IR típic necessita un vídeo sense comprimir dels sensors muntats al capçal giratori cap a la base. Els contactes de coure lluiten amb la velocitat de dades, l'EMI dels motors de panoràmica / inclinació corromp el senyal i l'embolcall disponible és petit. Un FORJ híbrid que combina un canal òptic per a vídeo, Gigabit Ethernet per al control i una potència del motor de 24 VDC és la solució estàndard.
Vehicles operats a distància (ROV)
Els sistemes submarins necessiten conjunts segellats que sobrevisquin a l'aigua salada, als cicles de pressió i a la rotació contínua de baixa -velocitat en cabrestants o juntes manipuladores. La pèrdua d'inserció i la qualificació IP dominen l'especificació, mentre que la velocitat de rotació màxima rarament és el factor limitant.
Aerogeneradors i pedestals de radar
Per als sistemes de guiñada de la góndola i els pedestals d'antena de radar, el conjunt funciona normalment a baixes RPM, però ha de funcionar durant molts anys amb un manteniment mínim. L'estabilitat de la pèrdua d'inserció durant milers d'hores, els coixinets segellats i les carcasses IP66 provades són més importants que el màxim rendiment òptic.
Sistemes d'Imatge Mèdica
Els sistemes CT i OCT combinen altes velocitats de dades amb requisits de fiabilitat extremadament estrictes. El FORJ aquí sol ser un element d'un conjunt rotatiu híbrid estretament integrat, qualificat juntament amb la resta de la màquina en lloc d'especificar-se de manera aïllada.
Preguntes freqüents
P: Què significa FORJ?
R: FORJ significa Fiber Optic Rotary Joint, un dispositiu que permet que els senyals òptics passin entre els costats estacionari i giratori d'una màquina sense torçar la fibra.
P: És una junta giratòria de fibra òptica el mateix que un anell lliscant?
A: No exactament. Un FORJ fa per als senyals òptics el que fa un anell lliscant per als senyals elèctrics. En la majoria dels sistemes moderns, els dos es combinen en un conjunt rotatiu híbrid.
P: Una articulació rotativa de fibra òptica pot transmetre potència?
R: No. Un FORJ només transmet senyals òptics. Si també necessiteu potència, senyals de control o Ethernet en el mateix eix, necessiteu un anell híbrid que integri un FORJ amb un anell elèctric.
P: Quan he d'utilitzar un FORJ en lloc d'un anell elèctric?
R: Sempre que l'enllaç hagi de transportar dades d'-ample de banda elevat, ha de ser immune a EMI o ha de recórrer una llarga distància a través de fibra òptica. Els contactes elèctrics poden transportar dades, però a velocitats de diversos-gigabits i en entorns sorollosos, la transmissió òptica és gairebé sempre més fiable.
P: Quina diferència hi ha entre un FORJ-únic i multimode?
R: Un FORJ d'-mode únic s'adapta a una fibra de-mode únic i normalment s'utilitza per a enllaços d'amplada de banda alta o de llarga-distància a 1310 o 1550 nm. Un FORJ multimode s'adapta a la fibra multimode (OM3/OM4) i és més comú en enllaços de dades més curts de 850 nm.
P: Quina pèrdua d'inserció he d'esperar d'un bon FORJ?
R: Per a un FORJ d'un sol -canal-mode, la pèrdua d'inserció per sota d'aproximadament 1,5 dB i la variació de pèrdua d'inserció per sota de 0,5 dB durant la rotació són objectius raonables. Els dissenys d'entorns-multicanal i dur-normalment tindran valors més alts. Demaneu sempre números màxims, no típics.
P: Quina informació he de proporcionar quan sol·liciti un pressupost de FORJ?
R: Tipus de fibra, longitud d'ona, tipus de connector, nombre de canals òptics, velocitat de rotació, interfície de muntatge, qualificació IP, temperatura de funcionament i si els circuits de potència o senyal també han de creuar el mateix eix. Com més es defineixi per endavant, més precisa serà la cita.
Següents passos
Una junta rotativa de fibra òptica rarament és una compra per catàleg. En els sistemes de producció és un element d'un conjunt rotatiu híbrid que ha d'equilibrar el rendiment òptic, l'ajust mecànic, el segellat ambiental i la integració amb la resta de la màquina.
Si esteu buscant un disseny nou o necessiteu una segona opinió sobre una especificació FORJ existent, prepareu els elements de la llista de selecció que hi ha a sobre de - tipus de fibra, longitud d'ona, recompte de canals, objectiu de pèrdua d'inserció, velocitat de rotació, classificació IP i qualsevol canal addicional de potència o senyal - icompartir-los amb el nostre equip d'enginyeria d'aplicacions. Respondrem amb una proposta concreta, que inclou dades de prova dinàmiques i un concepte mecànic, en lloc d'una fitxa genèrica.