با توسعه سریع صنعت خودرو، پیچیدگی سیستم های الکترونیکی خودرو به طور مداوم در حال افزایش است و الزامات سیستم های ارتباطی به طور فزاینده ای سخت تر می شوند. مهارهای فیبر نوری به عنوان یک حامل پیشرفته انتقال سیگنال، به طور روزافزونی در صنعت خودروسازی مورد استفاده قرار می گیرند. فیبر نوری با مزایای سرعت بالا، قابلیت اطمینان بالا، تلفات کم و مقاومت در برابر تداخل الکترومغناطیسی، به تدریج نحوه انتقال داده ها در خودروها را تغییر می دهد و پتانسیل کاربردی عظیمی را در زمینه ارتباطات خودرو نشان می دهد. این مقاله ویژگی‌های اساسی مهارهای فیبر نوری و کاربردهای آن‌ها در خودروها را مورد بحث قرار می‌دهد و مزایا و چشم‌انداز توسعه آن‌ها را تحلیل می‌کند.
با افزایش هوش و اتصال فناوری خودرو، تقاضا برای ارتباطات و انتقال داده در حال افزایش است و امنیت و ثبات سیستم‌های ارتباط الکترونیکی داخل خودرو را به یک مرکز تحقیقاتی کلیدی تبدیل می‌کند. فناوری ارتباطات فیبر نوری به عنوان یک فناوری ارتباطی پیشرفته، ایده های جدیدی را برای توسعه سیستم های ارتباطی الکترونیکی داخل خودرو ارائه می دهد. این مقاله ویژگی‌های فناوری ارتباطات فیبر نوری را تحلیل می‌کند، کاربردهای آن را در خودروهای آینده از منظرهای متعدد بررسی می‌کند، مزایای آن را بررسی می‌کند و روند توسعه آن را پیش‌بینی می‌کند.

1. بررسی اجمالی فنی مهارهای فیبر نوری

کابل های فیبر نوری از امواج نور به عنوان حامل و از فیبرهای نوری به عنوان رسانه انتقال استفاده می کنند که مزایایی مانند سرعت بالا، قابلیت اطمینان بالا، تلفات کم و مقاومت در برابر تداخل الکترومغناطیسی را ارائه می دهند. نرخ انتقال آنها به مراتب بالاتر از سیم های مسی سنتی یا کابل های کواکسیال است و نیازهای ارتباطی با حجم بالا و بلادرنگ سیستم های داخل خودرو را برآورده می کند. پیوند ارتباطی فیبر نوری در درجه اول از اتصال دهنده های نوری و حامل های فیبر نوری برای دستیابی به انتقال سیگنال با سرعت بالا تشکیل شده است.
① اتصال فیبر نوری
کانکتورهای فیبر نوری دستگاه های نوری غیرفعال هستند که اتصالات متحرک بین فیبرهای نوری را امکان پذیر می کنند. آنها عمدتاً شامل تقویت فیبر، تراز فیبر، جفت گیری انعطاف پذیر، قفل اتصال، تثبیت کابل، ضد چرخش فرول و بافر کابل هستند (شکل 1 را ببینید). کانکتورهای فیبر نوری معمولاً از فرول‌های سرامیکی و آستین‌های سرامیکی برای تراز فیبر استفاده می‌کنند، با فنرهایی که جفت شدن انعطاف‌پذیر انتهای فرول را تضمین می‌کنند. قبل از جفت گیری، فنر در حالت از پیش فشرده قرار دارد و از حرکت فرول به دلیل نیروی قفل جلوگیری می کند. در طول جفت‌گیری، پس‌کشی فرول فشرده‌سازی ثانویه ایجاد می‌کند، نیروی فنر را به فرول باز می‌گرداند، و اطمینان حاصل می‌کند که دو فرول جفت‌شونده در تماس هستند و در طول فرآیند جفت‌گیری با هم فشرده می‌شوند.

②رسانای فیبر نوری
فیبرهای نوری استوانه ای هستند و عمدتاً از یک هسته، روکش و پوشش تشکیل شده اند (شکل 2 را ببینید). اصل انتقال فیبرهای نوری از پدیده بازتاب داخلی کل استفاده می کند. به این معنا که وقتی نور از یک محیط نوری متراکم تر (با ضریب شکست نسبتاً بالا) به یک محیط نوری کمتر (با ضریب شکست نسبتاً کم) برخورد می کند، اگر زاویه تابش از زاویه بحرانی برای بازتاب داخلی کل بیشتر باشد، نور دیگر منکسر نمی شود، بلکه می تواند به طور کامل منعکس شود و به طور کامل بازتاب نوری را به سمت نشانه اصلی بازتاب کند. فیبر نوری بدون نشتی

فیبر نوری دارای ویژگی های زیر است:
(1) سرعت انتقال بالا، مسافت طولانی و محتوای بالا: فیبر نوری سرعت انتقال بسیار بالایی دارد، می تواند داده ها را در فواصل طولانی منتقل کند و می تواند همزمان مقدار زیادی داده را منتقل کند.
(2) تحت تأثیر تداخل الکترومغناطیسی قرار نمی گیرد: فیبر نوری سیگنال های نوری را منتقل می کند و تحت تأثیر امواج الکترومغناطیسی قرار نمی گیرد، بنابراین کیفیت سیگنال پایدارتر است.
(3) پهنای باند گسترده: فیبر نوری دارای پهنای باند بسیار گسترده ای است که می تواند از انتقال داده با سرعت بالا پشتیبانی کند.
(4) تلفات کم: تلفات انتقال فیبر نوری بسیار کم است و از نظر تئوری می تواند صدها کیلومتر یا حتی مسافت های طولانی تر را بدون از دست دادن کیفیت سیگنال منتقل کند.
(5) امنیت بالا: انتقال فیبر نوری تشعشعات الکترومغناطیسی تولید نمی کند و نمی توان توسط امواج الکترومغناطیسی خارجی شنود کرد، بنابراین برای برخی از سناریوها با الزامات امنیت داده بالا مناسب تر است.
(6) اندازه کوچک و وزن سبک: در مقایسه با کابل های مسی سنتی، فیبر نوری کوچکتر و سبک تر است و استقرار و نگهداری آن را آسان تر می کند. این مزیت در شبکه های ارتباطی در مقیاس بزرگ آشکارتر است.

2-مزایای مهارهای فیبر نوری در کاربردهای هوشمند خودرو

وقتی سرعت انتقال سیم‌های مسی به 10 گیگابایت/ثانیه یا بیشتر می‌رسد، سیم‌های مسی ضخیم‌تری برای برآوردن نرخ مورد نیاز مورد نیاز است. با این حال، در محیط چیدمان خودرو، ضخیم شدن سیم های مسی منجر به افزایش وزن خودرو و هزینه خودرو می شود که نمی تواند شرایط محیط چیدمان پرسرعت و کم وزن خودرو را برآورده کند. فناوری کابل فیبر نوری می تواند به طور قابل توجهی کیفیت و قابلیت اطمینان ارتباطات را بهبود بخشد و تداخل الکترومغناطیسی را بدون اضافه کردن وزن اضافی کاهش دهد و در نتیجه ایمنی و پایداری خودرو را بهبود بخشد.
(1) نرخ انتقال کابل فیبر نوری بسیار بالاتر از سیم های مسی سنتی یا کابل های کواکسیال است. این می‌تواند میلیون‌ها مگابایت داده در ثانیه ارسال کند که می‌تواند نیازهای ارتباطی خودروهای مدرن را برای حجم داده‌های زیاد و عملکرد بالا در زمان واقعی برآورده کند. بالاترین سرعت شبکه های سیم مسی سنتی تنها می تواند به 10GB/s برسد که برآورده کردن الزامات انتقال با سرعت بالا دشوار است.
(2) اتلاف انتقال فیبر نوری بسیار کم است. تلفات در هر کیلومتر معمولا کمتر از 0.0035 dB/m است که می تواند تضمین کند که سیگنال در طول انتقال مسافت طولانی کیفیت بالایی را حفظ می کند. در مقابل، تلفات انتقال شبکه‌های سیم مسی سنتی 0.5 دسی‌بل/متر است که در طول انتقال از راه دور زیاد است.
(3) فناوری ارتباطات فیبر نوری از امواج نور برای انتقال سیگنال در فیبرهای نوری استفاده می کند که در مقایسه با انتقال سیم مسی سنتی مصونیت قابل توجهی در برابر تداخل الکترومغناطیسی دارد.
(4) در مقایسه با سیم های فلزی سنتی، فیبر نوری پلاستیکی (POF)، به عنوان یک نوع فیبر نوری خودرو، می تواند به طور قابل توجهی وزن خودرو را کاهش دهد و اقتصاد خودرو را بهبود بخشد.

3. سناریوهای کاربرد مهارهای فیبر نوری در خودروها

مهار فیبر نوری در حال حاضر به طور گسترده در زمینه های پزشکی، ارتباطات، اینترنت و صنعت استفاده می شود. با این حال، کاربرد آنها در زمینه خودرو با چالش‌های متعددی مواجه است، از جمله فقدان مبانی نظری اولیه، مشخصات فنی و استانداردها، استانداردهای تست نامشخص و فقدان تجربه عملی در کاربردهای خودرو.

①کاربرد بسته های کابل فیبر نوری در مناطق استقرار
استفاده از مهارهای فیبر نوری در خودروها با سایر زمینه ها متفاوت است و ویژگی های محیطی منطقه مورد استفاده باید کاملاً در نظر گرفته شود. به عنوان مثال، الزامات ارتعاش در مناطقی مانند موتور و شاسی وجود دارد. عملکرد ضد آب باید در مناطقی مانند محفظه موتور و زیرانداز در نظر گرفته شود. و الزامات عملکرد دمای بالا رساناها و اتصالات فیبر نوری باید در مناطق با دمای بالا در نظر گرفته شود. با توجه به محیط های مختلف استفاده از خودروها، مناطق طرح کل وسیله نقلیه را می توان تقریباً به مناطق مرطوب، مناطق بالقوه مرطوب و مناطق خشک تقسیم کرد.
(1) مناطق مرطوب به مناطقی اطلاق می شود که سیم ها و کانکتورها احتمالاً در سناریوهای استفاده معمولی با مایعات تماس پیدا می کنند، مانند کانکتورهای مهار در مناطق خارج از محفظه سرنشین مانند شاسی و محفظه موتور. در هوای بارانی یا برفی، این مناطق چه در حین رانندگی و چه در هنگام پارک تا حدودی با مایعات مختلف در تماس خواهند بود.
(2) مناطق بالقوه مرطوب به مناطقی اطلاق می شود که اتصال دهنده های مهار ممکن است در سناریوهای استفاده روزانه خاص با مایعات تماس پیدا کنند، مانند زمانی که درها در زیر باران باز می شوند، لیوان های آب ریخته می شوند، اقلام یخ زده ذوب می شوند، یا میعان می چکد. به عنوان مثال، کف محفظه سرنشین، تکیه گاه درب، سطوح صندلی و غیره.
(3) مناطق کاملاً خشک به مناطقی اطلاق می‌شود که در آن‌ها بعید است اتصالات دسته سیم در سناریوهای استفاده معمولی از خودرو با مایعات تماس پیدا کنند، مانند فضای داخلی داشبورد و قسمت داخلی سرپوش. لازم به ذکر است که الزامات آب بندی ضد آب برای اتصالات دسته سیم به طور متوالی از مناطق مرطوب، مناطق بالقوه مرطوب به مناطق خشک کاهش می یابد.

②راه حل های کاربردی مهار فیبر نوری
علاوه بر برآورده کردن الزامات عملکرد الکتریکی، استفاده از کابل‌های فیبر نوری در خودروها اغلب نیازمند برآوردن الزامات عملکرد مکانیکی است. در نظر گرفتن درجه حرارت، الزامات ارتعاش، و الزامات ضد آب کابل های فیبر نوری ضروری است. راه حل ها به شرح زیر است:
(1) کابل های فیبر نوری: ابتدا، طراحی اتلاف گرما با انتخاب مواد مقاوم در برابر دمای بالا و بهینه سازی طرح کلی وسیله نقلیه انجام می شود. به عنوان مثال، مواد سیمی مقاوم در برابر درجه حرارت بالا مانند سیم سیلیکونی و سیم XLPE انتخاب می شوند. این مواد می توانند عایق را در محیط های با دمای بالا حفظ کنند. دوم، فرآیندهای خاصی مانند پوشش دو لایه و فناوری پخت فرابنفش استفاده می شود. در نهایت، طرح در خودرو بهینه شده است. برای مثال، طرح بندی دسته سیم از مسیر لوله اگزوز موتور و منطقه گرداب با دمای بالا جلوگیری می کند. طرح بهینه تر از طریق مدیریت حرارتی به دست می آید.
در عین حال، از بسته بندی عایق حرارتی مقاوم در برابر درجه حرارت بالا نیز می توان در طرح سیم کشی خودرو استفاده کرد. به عنوان مثال، از لوله فایبر گلاس فویل آلومینیومی مقاوم در برابر درجه حرارت بالا برای بسته بندی بیرونی کابل فیبر نوری استفاده می شود که می تواند به طور موثر استفاده از کابل های فیبر نوری را در محیط های با دمای بالا و بهبود محیط های خودرو تضمین کند.
در عین حال، برای اطمینان از اینکه کابل‌های فیبر نوری می‌توانند در محیط‌های مرطوب استفاده شوند، کابل نوری را می‌توان با ساختار محافظ چند لایه طراحی کرد تا به طور موثر ضد آب باشد. به طور خاص، بیرونی ترین لایه کابل نوری معمولاً یک غلاف پلاستیکی است. این غلاف نه تنها حفاظت مکانیکی را فراهم می کند بلکه عملکرد ضد آب خاصی نیز دارد. در داخل غلاف پلاستیکی یک ژاکت فلزی وجود دارد که مقاومت کابل نوری در برابر فشار و قابلیت ضد آب بودن را بیشتر افزایش می دهد. در داخل ژاکت فلزی یک لایه مانع متورم آب وجود دارد که یک مانع مهم در برابر نفوذ رطوبت است. اگر رطوبت نفوذ کند، لایه مانع به سرعت منبسط می شود و مسیر نفوذ را آب بندی می کند و از گسترش بیشتر جلوگیری می کند. هسته کابل همچنین دارای اقدامات ضد آب است. فیبر نوری محکم در گریس پیچیده شده و به سایر اجزای داخل هسته متصل می شود. این گریس نه تنها روغن کاری می کند، بلکه مهمتر از آن، مقدار کمی از رطوبت را در هسته جذب کرده و قفل می کند و از آسیب به فیبر جلوگیری می کند.
از طریق این ساختار محافظ چند لایه، کابل نوری می تواند خشکی و پایداری فیبر را در محیط های مختلف خشن حفظ کند و از انتقال روان سیگنال های ارتباطی اطمینان حاصل کند. به عنوان مثال، فیبر چند حالته کوارتز در محلول مهار نوری خودرو که توسط فیبر و کابل نوری یانگ تسه منتشر شده است، از نظر خمش (شعاع 10 میلی متر)، استحکام کششی (150 نیوتن)، ویژگی های دما (40-℃~125 ℃)، کهنگی 0℃0، 30 ولت (125) با استانداردهای درجه خودرو مطابقت دارد.
(2) اتصال دهنده های فیبر نوری: روش های اصلی برای بهبود مقاومت دمایی اتصالات فیبر نوری شامل طراحی سازه های اتلاف حرارت و انتخاب مواد مقاوم در برابر درجه حرارت بالا است. از طریق طراحی معقول اتلاف گرما و استفاده از مواد مقاوم در برابر دمای بالا، عملکرد و طول عمر کانکتورهای فیبر نوری در محیط های با دمای بالا می تواند به طور موثر بهبود یابد. اول، طراحی یک ساختار اتلاف حرارت کلیدی برای بهبود مقاومت دمایی اتصالات فیبر نوری است. کانکتورهای فیبر نوری در حین کار گرما تولید می کنند. طراحی معقول اتلاف گرما می تواند به کاهش دمای کانکتور کمک کند و عملکرد پایدار آن را تضمین کند.

در اینجا روش های خاص وجود دارد:
① اجزای فلزی را برای انتقال گرما و کمک به دفع گرما ذخیره کنید.
② طراحی پره های اتلاف گرما: پره های دفع گرما را در پوسته رابط قرار دهید تا امکان تماس بهتر با هوا و اتلاف گرما از طریق فن ها یا باد طبیعی فراهم شود.
③ از یک پوسته فلزی استفاده کنید: از مواد فلزی با عملکرد اتلاف حرارت بهتر استفاده کنید تا راندمان اتلاف گرما را بهبود بخشد. ثانیا، انتخاب مواد مقاوم در برابر دمای بالا نیز برای بهبود مقاومت دمایی اتصالات فیبر نوری بسیار مهم است.
مواد معمولی در محیط‌های با دمای بالا مستعد پیری یا تغییر شکل هستند، در حالی که مواد مقاوم در برابر دمای بالا بهتر می‌توانند در برابر اثرات دماهای بالا مقاومت کنند.
① پلاستیک های مهندسی با کیفیت بالا: از پلاستیک های مهندسی با کیفیت بالا و مقاوم در برابر دماهای متوسط ​​و پایین برای ساخت پوسته رابط و ساختار داخلی استفاده کنید و مقاومت کلی در برابر دمای را بهبود بخشد.
② مواد آلیاژی ویژه: از مواد آلیاژی ویژه برای ساخت اجزای کلیدی کانکتور استفاده کنید و مقاومت در برابر دمای بالا و مقاومت در برابر تغییر شکل را افزایش دهید. به عنوان مثال، Lytas Optics کانکتورهای نوری غیر تماسی را ارائه می دهد که در مقایسه با کانکتورهای نوری سنتی دارای قابلیت تکرار جفت گیری بالاتر، عمر جفت شدن بیشتر، تلفات جفت شدن کمتر و حساسیت کمتر به گرد و غبار هستند.
③ لوله های انقباض حرارتی را می توان برای عایق رطوبتی استفاده کرد: لوله های انقباض حرارتی را در محل اتصال اعمال کنید و از یک بخاری لوله کوچک شونده برای جمع شدن لوله استفاده کنید. عملکرد لوله های هیت شرینک محافظت از فیبرهای نوری و جلوگیری از ورود رطوبت و آلاینده ها است. اطمینان حاصل کنید که لوله انقباض حرارتی بدون شکاف محکم روی کانکتور و فیبر نوری قرار می گیرد. مقدار مناسبی از درزگیر را در قسمت بیرونی لوله انقباض حرارتی بمالید تا عملکرد ضد آب کانکتور را افزایش دهید. اطمینان حاصل کنید که درزگیر به طور یکنواخت اعمال می شود و تمام شکاف ها و منافذ احتمالی را پر می کند، صبر کنید تا درزگیر خشک و سفت شود و سپس عملیات آب بندی را انجام دهید. (3) اتصال با سرعت بالا از طریق فیبر نوری حاصل می شود و پورت اتصال الکتریکی وظیفه تامین انرژی سنسور را بر عهده دارد. به طور خلاصه، فناوری ارتباطات فیبر نوری دارای چشم اندازهای کاربردی گسترده و پتانسیل زیادی در سیستم های ارتباطی خودرو است. در آینده، فناوری ارتباطی فیبر نوری به استفاده از مزایای منحصر به فرد خود ادامه خواهد داد و پشتیبانی قوی برای توسعه سیستم‌های ارتباطی الکترونیکی خودرو فراهم خواهد کرد. در عین حال، با پیشرفت مداوم و نوآوری فناوری و بهبود مستمر مقیاس، هزینه ارتباطات فیبر نوری در کاربردهای خودرو کاهش می‌یابد، راه‌حل‌ها بالغ‌تر می‌شوند و به راه‌حل ترجیحی برای رفع نیازهای ارتباطی پرسرعت در توسعه وسایل نقلیه هوشمند تبدیل می‌شود.

4. نتیجه گیری

توسعه وسایل نقلیه هوشمند نیاز به سیستم های ارتباطی دارد که به سرعت بالا، تلفات کم و مقاومت در برابر تداخل قوی نیاز دارد. در مقایسه با سیم‌های مسی خودرو، سیم‌های ارتباطی فیبر نوری مزایای متعددی دارند. این مقاله به طور خلاصه سناریوهای کاربردی بسته‌های فیبر نوری و راه‌حل‌های مربوطه را تحلیل می‌کند. با توسعه وسایل نقلیه هوشمند، فیبر نوری خودرو به طور گسترده ای در خودروها استفاده خواهد شد.
(منبع: [1] Automotive Knowledge. 2024, 24 (11), نویسنده: Jian Zhongjian, Liu Zhiqiang, Wang Dengke. موسسه تحقیقاتی مهندسی خودرو گروه GAC
[2] سیم کشی چین. 2026، 5)