用于电动线圈分布式原位热热点监测的FBG传感器复用设计、仪器配置与使用方案

摘要

本文介绍了一种用于在随机绕制的电感线圈上集成光纤布拉格光栅（FBG）温度传感器的实验方案，旨在实现对内部热热点的分布式状态监测。

摘要

随机绕制线圈是现代工业系统中大多数电气设备的关键运行部件，包括低压电机。目前进一步提升电气设备利用率的主要瓶颈之一，是其绕组部件对运行过程中热应力的高度敏感性。在对载流随机绕制线圈进行热状态监测时，采用传统温度传感方法（如热电偶、电阻温度检测器）可能带来显著的操作限制，原因在于传感器尺寸较大、对电磁干扰敏感，以及其结构中存在导电材料。另一个重要限制存在于分布式传感应用中，通常由传统传感器引线较长的长度和较大的体积所导致。

本文报道了一种光纤布拉格光栅（FBG）的设计 传感系统 用于实现分布式内部热场的实时监测 在随机绕组线圈内进行状态监测。本文通过一项案例研究，报道了基于IEEE标准随机绕组线圈（代表电机中所用线圈）的FBG传感系统集成工艺。相关研究还介绍并讨论了FBG传感系统实施与应用中的若干关键实践与技术问题，包括FBG阵列几何结构设计、传感头与光纤封装、传感器阵列安装与标定流程，以及采用商用解调系统获取温度测量数据的方法。最后，在典型的静态与动态热工况下，验证了现场多路复用FBG传感系统在温度监测方面的性能表现。 

引言

随机绕制线圈是现代工业系统中大多数电气设备的关键设计要素，广泛应用于低压电机中。在这些应用中，绕制线圈的使用效率提升面临的主要障碍是其对运行过程中的电热应力敏感。其中，热过载尤为突出，可能导致线圈绝缘系统的破坏，最终引发整体失效¹；这种情况可能由线圈电流过高，或线圈电气故障、冷却系统失灵等其他原因引起，导致线圈结构内部产生局部热点，进而造成绝缘破坏。实现对运行中线圈内部结构的原位分布式温度监测，有助于开发更高效的使用方式和基于状态的维护策略；这将有助于深入理解并识别线圈的运行状态及任何退化过程，从而采取基于状态的纠正措施，维持其正常运行状态，并防止或减缓进一步损坏^2,3。

本文提出的方法旨在通过使用柔性且抗电磁干扰（EMI）的光纤布拉格光栅（FBG）热传感器，实现对嵌入式电感线圈结构内部热状况的原位监测。与现有电感线圈热监测技术相比，该方法具有多项功能优势：现有技术几乎均依赖热电偶（TCs）或电阻温度检测器（RTDs），而这些传感器不具备抗电磁干扰能力，由导电材料制成，且通常体积较大，因此不适用于绕组电感线圈结构内部的传感应用。采用坚固且柔性的光纤FBG热传感器在该方面实现了显著改进，其优势不仅在于传感器本身具备抗电磁干扰特性，还在于其体积小、可复用性强以及良好的柔韧性，使其能够嵌入任意结构的绕组线圈中并与其形态贴合，从而在目标结构位置实现精确的温度传感⁴。这些特性在电气设备（EM）应用中尤为突出，因为设备的热极限通常由电感线圈的热状态决定，尤其在电动交通迅速普及、电气设备使用量预计将大幅增长的背景下，该技术具有重要意义。

本文介绍了在典型的低压随机绕制线圈结构上安装热敏光纤布拉格光栅（FBG）传感器的方法，以实现对内部热点的在线监测。文中详细报告了FBG传感器的选型、设计、封装、安装、校准及使用方案，并基于IEEE标准的随机绕制线圈电动机模型系统进行展示。此外，本文还报告了在静态及非均匀热工况下对被测线圈所获得的原位热测量结果。

光纤布拉格光栅（FBG）是通过在光纤纤芯上进行“刻栅”处理，形成周期性纵向印记而制成的（在FBG传感应用中通常称为传感头）；当含有FBG的光纤暴露于紫外光下时，每个已存在的FBG传感头都会导致其折射率发生周期性调制⁵。传感头反射的波长会受到光纤所处热学和力学条件的影响，因此在设计和应用得当的情况下，可将这种刻栅光纤用作热学或力学传感器。

光纤布拉格光栅（FBG）技术在分布式传感应用中尤为具有吸引力：它允许在单根光纤上刻写多个FBG传感单元，每个单元具有不同的布拉格波长，作为独立的传感点。这种基于FBG的传感装置被称为FBG阵列传感器⁶，其工作原理如图1所示。使用宽带光源激发该阵列，每个FBG传感单元会反射出特定的波长；其中，每个单元反射的波长（即布拉格波长）由其光栅设计决定，同时受该传感单元所在位置的热力和机械环境影响。需要使用解调仪设备来实现对光纤阵列的光激发，并检测反射光谱中包含的各个布拉格波长，从而获取局部热力和/或机械状态的信息。

FBG温度传感器应用中的一个特别重要方面是减轻热-机械交叉敏感效应，以尽可能获得纯粹的温度读数⁷。由于FBG本身具有热-机械交叉敏感的特性，因此在设计仅用于温度或仅用于力学传感的FBG传感器时必须谨慎考虑。在涉及温度传感的应用中，有效降低FBG对机械激励敏感性的方法之一是使用适合特定应用材料制成的封装毛细管将传感头隔离；在本研究探讨的线圈嵌入式温度传感应用中，这种方法不仅有助于减少交叉敏感性问题，还能保护脆弱的传感光纤结构免受来自底部的、可能造成破坏的机械应力⁸。

图2A 展示了本文用作演示载体的随机绕组电枢线圈测试试样。该线圈依据IEEE标准⁹设计，用于随机绕组线圈绝缘系统的热性能评估；所构成的测试系统如图2B所示，称为“小电机模型”（motorette）系统，可代表低压电机中绕组及其绝缘系统。在本案例研究中，将在motorette中集成一个包含四个测温点的光纤布拉格光栅（FBG）阵列温度传感器，以模拟实际电机应用中常见的局部热点，这些热点通常出现在线圈端部绕组和槽部区域。为进行校准和性能评估，嵌入FBG的motorette将通过商用热循环箱和直流电源进行热激励。

方案

1. 光纤热传感器设计

1. 首先根据目标线圈结构和读出系统特性确定传感器的设计和规格。本研究中使用的测试线圈具有典型的电机绕组线圈椭圆形几何结构（如图1A所示）。在确定各个传感位置之前，需做出设计决策，以确保光学传感光纤能够在嵌入式绕组线圈应用常见的机械和热环境中正常工作。
2. 使用标准的弯曲不敏感型聚酰亚胺涂层单模光纤，该光纤通常可在高达约300 °C的温度下运行；因此适用于本研究中常规电机所用绕组线圈的应用。
   注意：所选光学光纤可确保在典型随机绕制线圈运行的热环境中（如本研究中使用的F级和H级电机，额定温度分别为155 °C和180 °C¹⁰）传感器功能的正常实现。本应用优先选用弯曲不敏感光纤，因其设计允许较小的弯曲半径并具有较低的弯曲损耗，从而使传感器能够有效贴合目标线圈结构和传感位置，同时对传感功能产生最小的不利影响。
3. 将光纤长度设定为1.5 m。
   注意：光纤长度应根据待安装的目标绕组线圈的几何形状以及到读出单元的期望距离来确定。测试线圈的周长（如图1A所示）为0.3米，从线圈到读出单元的光纤长度为1.2米，总长度为1.5米——该长度足以在测试线圈内部进行光纤绕环，确保传感位置的合理布置，并保证测试线圈与读出单元之间有足够的距离：图3A展示了总体长度设计思路。
   注意：光纤布拉格光栅传感器（FBGS）可位于距离读出单元数公里远的位置，这是因为光纤是一种高效的单一传输载体。
4. 设计包含四个光纤布拉格光栅（FBG）传感头（5 mm）的FBG阵列，以实现线圈结构内的分布式传感，其中两个传感位置位于线圈直线段，另两个位于线圈端部。
   注意：热传感位置的确定基于电机相关热监测标准（即槽部区域设置2个FBGS，端部绕组区域设置2个FBGS）¹⁰。本研究中所用的商用读出单元设计可支持沿单根光纤同时读取最多16个FBG传感点。
5. 采用5 mm长度的FBG传感头；该长度被认为足以实现载流随机绕制线圈中局部热点的监测。
   注意：若传感应用需要不同的传感点尺寸，也可选用其他商用规格的FBG传感头长度（如3 mm、5 mm或10 mm）。
6. 设定各个FBG传感头的光栅波长，在1529–1560 nm波段范围内进行波长间隔分布，以匹配所用商用读出单元的波长范围；这可避免FBG波长偏移之间的干扰。
   注意：FBG传感头的波长、预期波长偏移范围以及应用中的温度变化范围，均需处于读出单元宽带光源的波长范围内，以确保传感系统能够正常运行。
7. 采用FC/APC型光纤探头连接器，以与读出单元保持一致。
   注意：由于回波损耗较低，FC/APC通常是FBG传感应用中的首选连接器类型。
8. 将传感器的设计和规格提供给商用FBG制造商——图3B展示了本研究中所用FBG阵列设计的最终示意图。

2. 检测系统与传感器配置

1. 检查并配置设计和制造的光纤布拉格光栅（FBG）阵列传感器，使其与商用解调系统配合使用。
2. 从FC/APC连接器插芯上取下保护帽。
3. 使用光纤连接器清洁工具轻轻擦拭连接器端面以进行清洁。
   注意：强烈建议每次将传感器连接至解调仪时均执行此步骤。本研究中使用了Cletop-s系列商用光学清洁器。
4. 将清洁后的FBG探头连接器插入解调仪通道连接器。
   注意：连接连接器时，应确保键槽正确对齐。
5. 打开解调仪电源。
   注意：解调仪通过RJ45接口和网线与计算机连接。
6. 运行配置软件。
   注意：解调仪软件是由解调仪制造商提供的基于LabVIEW的专有软件包，用于实现解调仪硬件单元的操作。
7. 在仪器设置选项卡中，观察来自FBG阵列探头的反射波长光谱（在本研究使用的FBG阵列设计中，应在相应通道光谱中观察到四个峰值）。
   注意：反射光强度取决于FBG的特性（高于50%即视为可接受）。
8. 将采样频率设置为10 Hz。该值直接决定了在给定1秒时间段内提供的温度读数数量。
   注意：所用解调系统可支持最高达2.5 kHz的采样频率；然而，针对本研究中监测的载流线圈的热动态特性，10 Hz被视为足够充分的数据采集速率。
9. 在测量设置中，将FBG传感器命名为FBG1、FBG2、FBG3和FBG4。选择波长作为当前阶段图形化显示的物理量。FBG阵列现已配置完成，可进入校准步骤。

3. 包装准备

1. 对光纤阵列中光纤布拉格光栅（FBG）传感头的刻写区域进行适当的封装，以确保传感头与机械激励隔离，从而获得仅对热激励有响应的传感器。此外，光纤结构较为脆弱，不宜直接嵌入线圈导体中：需要足够的机械保护以维持其完整性。在本研究中，嵌入线圈结构内的包含四个FBG传感头的传感区域采用聚醚醚酮（PEEK）进行封装，其余部分光纤则由聚四氟乙烯（Teflon）保护——如图3C所示。
2. 将封装设计为细长的圆形毛细管形式，使传感光纤可穿行其中，从而受到毛细管的保护。
   注意：在对包含FBG传感头的区域进行封装时，毛细管的尺寸和热学特性尤为关键。通常应确保管壁相对较薄，并选用不导电但具有适当热导率的材料。本研究中所用PEEK毛细管的外径为0.8 mm，壁厚为0.1 mm。
3. 通过裁剪适当长度的商用PEEK管材来制备PEEK毛细管（长度应等于目标线圈结构长度，并额外增加几厘米，以便于光纤插入以及Teflon与PEEK毛细管接头的制备）。
   注意：原位安装FBG阵列时，需先安装封装结构，再将传感光纤插入其中。必须确保毛细管两端开口平滑且清洁。
4. 仔细测量FBG阵列与PEEK毛细管的相对位置，以精确定位PEEK毛细管外表面的传感区域。这有助于将FBG传感头准确置于电动机测试线圈内的目标位置。
5. 裁剪适当长度的商用聚四氟乙烯（Teflon）管材，制备Teflon毛细管，以保护测试线圈几何结构外的光纤部分，并实现有效包覆。
   注意：非传感区域的外部封装材料需具备足够的刚性以提供充分的机械保护，同时具有一定的柔韧性，便于与解调仪实现实际连接；此外，该材料在本应用中最好具备抗电磁干扰（EMI）能力。本研究发现Teflon材料表现令人满意，但也可采用其他替代材料。
6. 准备适当长度的热缩管，用于连接PEEK毛细管与Teflon毛细管。

4. 自由热校准

1. 通过将封装的光纤布拉格光栅（FBG）阵列传感器插入温控箱中，获取其离散的温度-波长对应点，以完成校准。
   注意：建议将传感区域的形状设计为与目标线圈结构相匹配，以便在与封装体嵌入测试线圈时相近的应变条件下进行校准。
2. 将刻有光栅的光纤连接至解调仪，并启动预配置的解调仪软件程序。
3. 设置温控箱以一系列热稳态温度点运行——本研究中温度范围为室温至170 °C，每10 °C为一个步长。针对温控箱模拟的每一恒定温度，建立表格记录阵列中每个独立FBG的实测反射波长。
   注意：在校准测试过程中，必须为每个测试的稳态温度点预留足够时间，以确保达到热平衡。
4. 利用以10 °C为间隔记录的波长偏移-温度测量数据，确定每个FBG的最佳温度-波长偏移拟合曲线及其系数。图4 和 Table 1 分别展示了记录的校准数据测量值和计算得到的拟合曲线。
   注意：本研究采用多项式二次回归分析阵列中FBG传感头的波长偏移与温度变化之间的关系，因其可实现最优表征效果。通过该分析计算出多项式二次回归拟合曲线的系数¹¹。
5. 将计算得到的系数输入解调仪软件的相应设置中，以实现对FBG阵列的在线温度测量。

5. 测试线圈制作与光纤布拉格光栅（FBG）仪器化

1. 首先制作并安装电动机模型的随机绕线线圈。
   1. 设计一个可安装到绕线机设备上的绕线 bobbin。
      注：bobbin 的几何形状需与线圈所需的匝数几何形状相匹配，以确保获得期望的绕制线圈尺寸。bobbin 应设计为易于拆卸，以便在不损坏线圈绝缘的情况下顺利取出绕制完成的线圈。
   2. 将选定的漆包铜线卷安装至绕线机设备中，并将铜线穿过绕线机的滚轮和张力控制器。
      注：本研究中使用的是 F 级漆包铜线。
   3. 将绕线机设备的匝数计数器归零。
   4. 设置绕线机以低速运行，并调节至所需的导线张力。
   5. 绕制线圈一半的匝数。
   6. 使用 Kapton 胶带将预先准备好的 PEEK 毛细管固定在线圈中心。
      注：必须小心操作，确保 PEEK 毛细管上的定位标记处于目标位置。
   7. 继续绕制剩余的线圈匝数。
   8. 将 bobbin 从绕线机上取下，并拆开以取出嵌有 PEEK 毛细管的绕制线圈。
   9. 将线圈安装至电动机模型框架中。
      注：电动机模型线圈的绝缘系统（槽绝缘和槽楔）必须与线圈正确安装到位。
   10. 准备线圈端子，并将其连接至电动机模型的端子上。
   11. 使用绕组绝缘漆对电动机模型进行浸渍处理，并将其置于适当温度（150 °C）的烘箱中固化。
2. FBG 阵列安装：
   1. 首先将 FBG 阵列连接至解调仪；启动解调仪软件，以便在安装过程中实时监测 FBG 的反射波长。
   2. 将光纤穿过预先准备好的热缩管。
   3. 小心地将光纤（传感区域）插入 PEEK 毛细管中，直至特氟龙和 PEEK 毛细管的末端开口相互接触。
   4. 移动热缩管使其覆盖毛细管末端，并适当加热，直至达到理想的密封效果。

6. 原位校准与评估

1. 在封装后验证第4步中获得的热校准结果，并在需要时进行修正。该测试还可用于评估FBG阵列在受控静态热条件下的性能。
2. 将嵌入FBG热阵列的电机模型放入热烘箱中。
   注：可使用传统温度传感器进行性能对比。此处采用安装在电机模型线圈表面的热电偶。
3. 重复步骤4.3和4.4。
4. 重复步骤4.5，包括基于第4步中校准拟合结果的FBG传感头测得的温度。
5. 评估并比较FBG阵列的温度测量结果与参考温度。如果测量误差较大，可使用步骤6.4中记录的测量数据更新校准参数。
6. 将电机模型从热烘箱中取出；此时已准备就绪，可用于测试。

7. 测试

1. 进行静态热条件测试。
   1. 将电机试样连接至直流电源。
   2. 将光纤布拉格光栅（FBG）阵列连接至解调仪；监测并记录其FBG温度测量值。
   3. 控制直流电源，向电机试样注入直流电流。
      注意：所选直流电流水平必须确保线圈内部热热点的温升低于绝缘材料允许的最高温度；这可实现对原型线圈的非破坏性测试。
   4. 当电机试样线圈达到热平衡时，停止记录测量数据。
2. 进行非均匀热条件测试。
   1. 将包含20匝的外部线圈缠绕在选定的测试线圈段上。
   2. 将外部线圈连接至独立的直流电源。
   3. 使用步骤7.1.3中施加的直流电流激励电机试样。
   4. 当达到热平衡后，开始记录温度测量数据。
   5. 对外部线圈施加直流电流，通过在测试线圈上施加局部热激励，产生非均匀热条件。
   6. 当再次达到热平衡时，停止记录测量数据。

结果

图5展示了阵列传感器在静态热测试中测得的温度。由各个阵列FBG探头在相应线圈位置测得的四个内部温度读数，在所考察的测试条件下表现出高度相似性；观测到的热点平均温度约为75.5 °C，各独立测量值之间的差异略小于≈1.5 °C。

图6展示了在非均匀热条件测试中获得的阵列传感器测量结果。首先显示的是外部线圈未施加激励时的阶段（前约75秒），此时测得的热水平接近均匀，符合预期。随后对外部线圈施加激励，导致局部区域产生额外的热激发，测量结果出现明显变化：距离外部线圈最近的传感点（即FBG4）测得最高温度（≈128.6 °C），而最远的传感点测得最低温度（≈117.6 °C）；位于两者之间的FBG温度传感器则报告了介于中间且相近的温度值（≈122.7 °C和≈121.6 °C）。观测到的读数明显与各传感头在所测试线圈几何结构中的分布位置相关。此外，实验结果清楚地证明了嵌入线圈的阵列传感器具备监测和识别随机绕制线圈内部分布式热热点分布的功能能力。

图 1. FBG 阵列传感器的工作原理。 本图改编自先前发表的研究⁴。请点击此处查看此图的放大版本。

图 2. IEEE 标准电动机模型线圈组件。（A）随机绕线电磁线圈；参见 IEEE 标准⁹。（B）已组装并涂覆清漆的 IEEE 标准电动机模型。请点击此处查看此图的放大版本。

图3. FBG热传感器阵列设计。（A）FBG阵列光纤长度，（B）阵列结构中FBG探头的位置，（C）FBG阵列封装设计。请点击此处查看该图的放大版本。

图4. 封装阵列传感器FBG探头的校准特性。 这些特性源自阵列自由热校准测试中获得的数据。本图改编自先前发表的研究⁴。 请点击此处查看此图的放大版本。

图5. 稳态热条件下FBG阵列获得的热测量结果。 图中显示了FBG阵列传感器报告的各个测点的热测量数据，并附有稳态测量结果的局部放大视图。本图改编自先前发表的研究⁴。请点击此处查看此图的高清版本。

图6. 非均匀热条件测试中的热测量结果。本图改编自先前发表的研究⁴。请点击此处查看此图的放大版本。

	截距		B1		B2		统计量
	数值	标准误	数值	标准误	数值	标准误	调整后 R 方
FBG1	1555.771	0.0137	0.00855	2.85E-04	1.50E-05	1.34E-06	0.99978
FBG2	1547.669	0.0112	0.00851	2.34E-04	1.41E-05	1.10E-06	0.99985
FBG3	1539.852	0.0101	0.00871	2.11E-04	1.30E-05	9.90E-07	0.99988
FBG4	1531.768	0.0131	0.00808	2.72E-04	1.67E-05	1.28E-06	0.9998

表1：计算得到的多项式二次拟合曲线参数。 包含计算得到的参数标准误差及各个探头校正系数；在四个测试的FBG探头中均观察到良好的线性关系，且校正因子系数超过0.999。本表格改编自先前发表的研究⁴。

讨论

本文展示了设计、校准和测试低压绕组线圈中原位光纤布拉格光栅（FBG）温度传感器所需的步骤。这类传感器在载流绕组线圈结构内的原位传感应用中具有多项优势：完全不受电磁干扰（EMI）影响，柔韧性强，可适应任意期望的几何形状，从而高精度地实现任意期望的传感点定位，并且可在单个传感器上提供大量传感点。尽管绕组线圈内的温度监测可通过传统的热电偶或电阻温度检测器等热监测技术实现，但研究表明，应用FBG技术具有多项显著的功能优势。

正确封装FBG阵列传感器是其有效使用的关键。必须对单个传感头或光纤的整个传感区域进行适当的封装，以确保FBG传感头被隔离在一种刚性 yet 柔韧且具有热导性的毛细管中，从而避免机械激励的影响。理想情况下，该毛细管应采用非导电材料制成，以确保在载流线圈所产生的强电磁干扰（EMI）环境中实现最佳性能。

在将毛细管安装封装到线圈的过程中，必须注意准确地将封装段定位在其相应的传感位置。此外，如果需要观测高度动态的热条件，则必须优化毛细管的几何结构。

确保对嵌入式线圈传感器进行准确表征至关重要。最佳方法是在将其安装到绕线线圈结构内之前，先对未封装的传感器进行校准。尽管原位封装可为传感器提供高度的机械激励防护，但安装过程可能因应变敏感性而导致波长偏移。若操作谨慎，这种偏移可忽略不计；然而，尽可能通过原位校准测试来确认该影响，是一种良好的实验实践。

将光纤布拉格光栅（FBGs）应用于绕组线圈是一种相对较新的技术，为改进电机的设计、使用、监测及健康诊断提供了诸多机遇。未来还需进一步研究以降低其成本，使其成为在电动机械中大规模应用的切实可行的方案。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Cletop-S	Fujikura	14110601	商用光纤连接器清洁器
铜线 AWG24	RS	357-744	商用绝缘铜线
直流电源	TTi	CPX400SP	商用 420W 直流电源
FBG 传感器	ATGratings	NA	按设计规格 commercially manufactured 的 FBG 阵列
热缩管	RS	700-4532	热缩管 3mm 套管直径 × 10m
聚酰亚胺胶带	RS	436-2762	橙色遮蔽胶带 Tesa 51408
PEEK 管	Polyflon	4901000060	商用 PEEK 管
SmartScan04	Smartfibres UK	S-Scan-04-F-60-U-UK	商用解调系统
热风烘箱	Lenton	WHT6/30	商用热风烘箱
绕线机	RS	244-2636	商用绕线机