全海深光纤水密连接器的设计

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电缆及光缆
Cables & Optical Cables 全海深光纤水密连接器的设计
■ 许练 周晓楠 马秋丽 黄满意 徐雷（南京全信传输科技股份有限公司 江苏 南京 211113）
根据深海ＡＲＶ双线轴对接的使用要求，项目组通过对连接器对接结构和密封结构的计算，设计出一种能够在全海深环境下使用的对接型单芯光纤水密连接器，并通过深海环境模拟器对连接器进行水密和光传输性能测试，证明了该设计的可行性。

According to the application requirements of deep sea ARV double shaft butt connection, the project team designed a butt joint single core optical fiber watertight connector that can be used in the deep sea environment by calculating the docking structure and sealing structure of the connector, and tested the water tightness and optical transmission performance of the connector by the deep sea environment simulator, which proved the feasibility of the design.
连接器 全海深 光纤connector; all-depth; optical fiber
Doi:10.3969/j.issn.1673-5137.2020.06.002
摘 要Abstract
关键词Key Words
１．　引言
近些年来，水下潜水器技术和装备是开展深海科学研究、探查深海资源、进行深海工程作业的最重要的手段之一。

全海深调查及作业无人潜水器（ARV）采用微细光缆组件替代传统电缆组件，兼具AUV的大范围机动探测能力和ROV的遥控作业能力，可在深海环境中开展搜寻、探测、环境参数测定、取样等作业任务，对深渊生态学、深渊生物学、深渊地质学和海洋经济学研究具有重
要意义。

ARV的出现代表了未来深海无人潜水器的一个重
要发展方向。

ARV通常使用微细缆线轴组件作为通信光缆，考虑到线轴组件单段长度限制和线轴在释放时受到的海水摩擦力，对于长度较大的线轴通常使用双线轴模式进行布放，即控制端和ARV端各安装一个线轴，两个线轴通过连接器实现光缆的光通信对接和承力对接。

本文通过对连接器光纤对接结构、连接器密封结构研究设计出一款可以在全海深环境下使用的微细光缆连接器。

图1：微细光缆水密连接器在ARV系统中的作用
２．　连接器设计
2.1 光纤连接器对接结构设计
连接器中的光纤耦合对接采用浮动对接结构。

通过高精度氧化锆陶瓷套管和光纤插芯实现高精度的定位对接耦合，其尾部的弹簧用来控制光纤端面的接触力，降低对接损耗。

图2：连接器浮动插芯结构
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连接器理想的对接状态为两根光纤轴线重合，此时插入
损耗最小。

但在光纤连接器的实际装配过程中，光纤纤芯与
包层的同心度、光纤包层与插针内孔的间隙配合以及插针内孔与外径的同心度误差等因素，都会引起光纤间的中心轴线偏离。

此外，光纤连接器插针端面的曲率半径、纤芯凹陷或凸出、接头中的纵向间隙、端面质量以及压力F的大小也同样会引起插入损耗的变化，如图3所示。

图3：几种影响插入损耗的因素
为达到微型化下的损耗要求，连接器选用标准单模φ1.25mm的陶瓷插针，通过在连接器对接壳体处使用定位键进行定位，将陶瓷插针插入壳体内，此种结构不仅可以对接续质量和接续可靠性提供保证，还具有结构简单，连接方便快捷的特点，并通过尺寸链的计算合理分配公差，实现连接器光传输的低损耗要求，将光纤插入损耗控制在0.6dB以内。

2.2 光纤连接器密封结构设计
连接器密封设计分为壳体强度设计、壳体对接密封设计和光缆与壳体密封设计。

海洋中随着水深的增加，作用在连接器壳体的水压也在逐渐增加，当水压过大时将导致连接器壳体发生形变，从而导致连接器密封失效。

在系统工作时，承力水密连接单元受到水压作用，在连接器设计时，可以将连接器壳体等效为一截空心金属管，如图4所示。

连接器外壳材料的厚度应能保证工作深度下水压等要求，为了提高耐水压强度的可靠性，在连接器的强度设计中增加了材料安全系数—nb。

图4：连接器壳体耐压受力示意图
根据中空圆柱体载荷计算公式
[σ]=σb /n b
式中：
σr：水压径向载荷；
σθ：水压轴向载荷；
p：工作水深压力；
[σ]：材料的许用应力；
σb：材料的强度极限；
n b：材料安全系数；
D、d：壳体外径和内径；
水密连接器的外壳在水压下径向载荷和轴向载荷均应不大于材料的允许应力。

连接器设计时，先通过计算得出连接器壳体厚度及内外径参数，再通过仿真进行验证。

图5：120MPa水压下壳体的应力分布图
连接器壳体对接属于刚性零件之间的密封，一般使用O 型圈进行密封，O型圈是一种典型的挤压型密封元件，在受到比较高的压力条件下可以近似看成一种高粘度的流体，这种流体不可压缩并有很高的表面张力。

受到外界压力后，这种“高粘度流体”在沟槽中流动，补偿制造和配合公差以及密封表面的间隙，阻止被密封液体的流动[1]。

O型圈密封的基本工作原理是依靠密封件发生弹性变形，在密封接触面上产生接触压力来密封。

接触压力大于密封介质内压时，不发生泄漏，反之则会泄漏。

下图为密封圈密封原理图，a图表示O型圈安装完成后发生的一个挤压变形，产生了一个初始接触压力，这个接触压力起到了密封作用。

b图中P代表密封内外压力差，Pm表示最大接触压力，P1表示平均接触压力，当Pm＞P时，满足密封要求。

图6：O型圈密封原理示意图
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Cables & Optical Cables 连接器采用纳米二氧化硅改性环氧对光缆和壳体之间进行密封。

使用溶胶-凝胶法制备SIO2-环氧树脂[2]，纳米颗粒表面众多的非配对原子易与环氧胶基体发生物理及化学作用，与分子链发生物理或化学结合，在纳米粒子均匀分散于环氧胶中后，在环氧胶受到外力作用时，能量在高分子基体和纳米颗粒界面被吸收或纳米颗粒易产生应力集中效应而引发其周围基体树脂产生银纹[3，4]，纳米粒子间的环氧胶也产生塑性变形，吸收一定的冲击能，随着粒子的微细化，其比表面积将进一步增大[5，6]，使纳米粒子与环氧胶间接触面积亦增大，当材料受到外力冲击时会产生更多银纹及塑性形变，并吸收更多冲击能而达到增韧效果。

通过此种方法制备的改性环氧胶不仅可大幅提升环氧树脂的韧性，还能改善环氧树脂和光纤的粘接性，将光纤直接密封在连接器壳体上。

图7：光缆与连接器壳体密封示意图
３．　连接器性能测试
为验证连接器性能，项目组使用180MPa深海环境模拟器对连接器进行了水压实验。

实验压力120MPa，检测项目为连接器水密性能和深海环境下的插入损耗。

图8：连接器性能测试
经实验室测试，连接器水密性能良好，且在120MPa水压下保持良好的插入损耗稳定性。

４．　结论
本文分析了连接器在深海环境下的使用条件，并针对此
环境的特殊性进行了连接器的设计，通过深海环境模拟实验证明了该连接器可以在全海深环境下为两个线轴提供可靠的
水密对接环境以及良好的光路对接性能。

参考文献
[1] 张云启.深海活塞式压力平衡装置密封结构的研究[D]：[硕士].合肥：合肥工业大学：2014.
[2] 赵定义.纳米二氧化硅改性环氧树脂的研究[D]：[硕士].武汉：机械科学研究总院武汉材料保护研究所：2007.
[3] Lifeng Mei,Baojian Wen,Chenxiang Bao.Factors Influencing EB Curing Of Epoxy Matrix.Journal of Radiation Physics and Chemistry,2002,63(3-6):557～561.
[4] Chun Wei,Songting Tan,Xiayu Wang,et.al.Effects of Liquid Crystalline Polyurethane on the Structure and Properties of Epoxy.Journal of Materials Science Letters,2002,21(9):719～722.[5] Komarneni S.Nanocomposites [J].Journal of Mater Chem.1992,2(12):1219～1224.
[6] Ruijing Zhang,Ke Yang,Tianying Xiong.Research on a New Process of Preparation for Nano-SiO2 with High Activity and Mesopores.Journal of Materials Sciences & Technology,2004,20(3):353～356.
作者简介
许练（1985—），男，南京全信传输科技股份有限公司高级工程师。