Name: 使用 FBG 传感器多路复用在电线圈中分布式原位热热点监控的设计、仪器和使用协议 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-03-08T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 52 s
Description: 了解如何使用光纤布拉格光栅传感器在电线圈中实现分布式热热点原位监测。本协议涵盖传感器设计、封装安装、校准及实时温度测量，为电气设备健康监测提供可靠方法。

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本工作由英国工程与自然科学研究理事会（EPSRC）资助，属于“海上风电场能源整体运维（HOME-Offshore: Holistic Operation and Maintenance for Energy from Offshore Wind Farms）”联盟项目，资助编号 EP/P009743/1。

1. 光纤热传感器设计
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>使用标准的抗弯折单模聚酰亚胺涂层光纤，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）传感器功能正常。本应用优先选用抗弯折光纤，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。</li>
	<li>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（见图1A）为0.3米，从线圈到读出仪的选定光纤长度为1.2米，总长度为1.5米——这使得光纤可在测试线圈内充分盘绕，以确保正确建立所需的传感位置，并保证测试线圈与读出仪之间有足够的距离：图3A展示了通用的长度设计方法。 
	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，因为光纤是一种高效的单一传输载体。</li>
	<li>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：热传感位置的确定依据电动机相关热监测标准（即槽部区域设置2个FBGS，端部绕组区域设置2个FBGS）10。本研究中使用的商用读出仪设计可支持沿单根光纤同时读取最多16个FBG传感点。</li>
	<li>采用5 mm长的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头长度（如3 mm、5 mm或10 mm）。</li>
	<li>设定各个FBG传感头的光栅波长，在1529–1560 nm波段范围内间隔分布，以匹配所用商用读出仪的波长范围；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。</li>
	<li>采用FC/APC型光纤探头连接器，以与读出单元兼容。 
	注意：由于FC/APC具有较低的回波损耗，通常为FBG传感的首选连接器类型。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
2. 检测系统与传感器配置
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>从FC/APC连接器插芯上取下保护帽。</li>
	<li>使用光纤连接器清洁工具轻轻擦拭连接器端面进行清洁。 
	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。</li>
	<li>将清洁后的FBG探头连接器插入解调仪通道的连接器。 
	注意：连接连接器时，应确保键槽正确对齐。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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）。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
3. 包装准备
<ol>
	<li>对光纤阵列中刻写光纤布拉格光栅（FBG）传感头的区域进行适当的封装，以确保传感头与机械激励隔离，从而使传感器仅对热激励产生响应。此外，光纤结构较为脆弱，不宜直接嵌入线圈导体中：需要提供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。</li>
	<li>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：在包含FBG传感头的区域进行封装时，毛细管的尺寸和热学性能尤为关键。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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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，从而将FBG传感头准确置于电动机模型测试线圈中的目标位置。</li>
	<li>裁剪适当长度的商用Teflon管材以制备Teflon毛细管，确保测试线圈几何结构外的光纤段得到保护和约束。 
	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，以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。</li>
	<li>准备适当长度的热缩管，用于连接PEEK毛细管与Teflon毛细管。</li>
</ol>
4. 自由热校准
<ol>
	<li>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-波长数据点，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，以便在与封装嵌入测试线圈时相似的应变条件下进行校准。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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环境温度至170 °C，每10 °C为一个步长。针对温控箱中模拟的每个恒定温度，建立表格记录阵列中各个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。</li>
	<li>利用以10 °C为步长记录的波长偏移-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 表1 分别展示了记录的校准数据测量结果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各FBG传感头的波长偏移与温度变化之间的关系，因其可提供最优的表征效果。通过该分析计算出多项式二次回归拟合曲线的系数11。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
5. 测试线圈制备与光纤布拉格光栅（FBG）仪器化
<ol>
	<li>首先制作并安装电机定子随机绕组线圈。
	<ol>
		<li>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结构相匹配，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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>将绕线机设备的匝数计数器归零。</li>
		<li>设置绕线机以低速运行，并调节至所需的导线张力。</li>
		<li>绕制线圈一半的匝数。</li>
		<li>使用 Kapton 胶带将预先准备好的 PEEK 毛细管固定在线圈中心位置。 
		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。</li>
		<li>继续绕制剩余的线圈匝数。</li>
		<li>将 bobbin 从绕线机上取下，并拆解以取出嵌有 PEEK 毛细管的绕制线圈。</li>
		<li>将线圈安装至 motorette 框架中。 
		注：motorette 线圈绝缘系统（槽绝缘和槽楔）必须与线圈正确安装到位。</li>
		<li>准备线圈端子，并将其连接至 motorette 的端子上。</li>
		<li>使用绕组绝缘漆对 motorette 进行浸渍处理，并将其置于适当温度（150 °C）的烘箱中进行固化。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>FBG 阵列安装：
	<ol>
		<li>首先将 FBG 阵列连接至解调仪；启动解调仪软件，在安装过程中实时监测 FBG 的反射波长。</li>
		<li>将光纤穿过预先准备好的热缩管。</li>
		<li>小心地将光纤（传感区域）插入 PEEK 毛细管中，直至特氟龙毛细管与 PEEK 毛细管的末端相互接触。</li>
		<li>移动热缩管使其覆盖毛细管两端，并适当加热，直至达到理想的收缩贴合状态。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. 原位校准与评估
<ol>
	<li>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光纤布拉格光栅（FBG）阵列在受控静态热条件下的性能。</li>
	<li>将嵌入了FBG热传感阵列的电机模型放入热烘箱中。 
	注：可使用传统的热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。</li>
	<li>重复步骤4.3和4.4。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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，可利用步骤6.4中记录的测量数据更新校准参数。</li>
	<li>将电机模型从热烘箱中取出；此时已准备就绪，可用于测试。</li>
</ol>
7. 测试
<ol>
	<li>进行静态热条件测试。
	<ol>
		<li>将电机试样连接至直流电源。</li>
		<li>将FBG阵列连接至解调仪；监测并记录其FBG温度测量值。</li>
		<li>控制直流电源，向电机试样注入直流电流。 
		注：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温度；这可实现对原型线圈的非破坏性测试。</li>
		<li>当电机试样线圈达到热平衡时，停止记录测量数据。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>进行非均匀热条件测试。
	<ol>
		<li>在选定的测试线圈段上缠绕包含20匝的外部线圈。</li>
		<li>将外部线圈连接至独立的直流电源。</li>
		<li>使用步骤7.1.3中施加的直流电流激励电机试样。</li>
		<li>当达到热平衡后，开始记录温度测量数据。</li>
		<li>对外部线圈施加直流电流，通过在测试线圈上提供局部热激励，产生非均匀热条件。</li>
		<li>当再次达到热平衡时，停止记录测量数据。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Stone, G. C., Boulter, E. A., Culbert, I., Dhirani, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrical+insulation+for+rotating+machines-design%2C+evaluation%2C+aging%2C+testing%2C+and+repair-Book+Review%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Electrical+Insulation+Magazine%22%5BJournal%5D)">Electrical insulation for rotating machines-design, evaluation, aging, testing, and repair-Book Review.</a> IEEE Electrical Insulation Magazine. 20 (3), 65-65 (2004).</li>
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<li>Mohammed, A., Djurović, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((FBG+array+sensor+use+for+distributed+internal+thermal+monitoring+in+low+voltage+random+wound+coils%5BTitle%5D)+AND+%222017+6th+Mediterranean+Conference+on+Embedded+Computing+%28MECO%29%22%5BJournal%5D)">FBG array sensor use for distributed internal thermal monitoring in low voltage random wound coils.</a> 2017 6th Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO). , Bar, Montenegro. 1-4 (2017).</li>
<li>Rao, Y. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In-fibre+Bragg+grating+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Measurement+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">In-fibre Bragg grating sensors.</a> Measurement Science and Technology. 8 (4), 355(1997).</li>
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<li>Lu, P., Men, L., Chen, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Resolving+cross+sensitivity+of+fiber+Bragg+gratings+with+different+polymeric+coatings%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Resolving cross sensitivity of fiber Bragg gratings with different polymeric coatings.</a> Applied Physics Letters. 92 (17), 171112(2008).</li>
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<li>Mohammed, A., Djurović, S., Smith, A. C., Tshiloz, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((FBG+sensing+for+hot+spot+thermal+monitoring+in+electric+machinery+random+wound+components%5BTitle%5D)+AND+%222016+XXII+International+Conference+on+Electrical+Machines+%28ICEM%29%22%5BJournal%5D)">FBG sensing for hot spot thermal monitoring in electric machinery random wound components.</a> 2016 XXII International Conference on Electrical Machines (ICEM). , Lausanne. 2266-2272 (2016).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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，采用光纤布拉格光栅（FBG）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，必须小心操作，以准确定位各个封装段在相应的传感位置。此外，若需观测高度动态的热条件，则优化毛细管几何结构也至关重要。
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，是一种良好的实践做法。
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。

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。与现有用于电感线圈的热监测技术相比，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，且由导电材料制成，通常体积较大，因此并不理想地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热传感器在这一方面带来了显著改进，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贴合其形状，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，尤其在电动交通日益普及、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）传感器以实现内部热点在线监测的方法学。报告了FBG传感器的选型、设计、封装、安装、校准及使用方法的详细方案，并在IEEE标准的随机绕制线圈电机模型系统上进行了展示。本文还报告了在静态及非均匀热工况下对被测线圈进行的原位热测量结果。
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编码，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，同时受该传感点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温度传感器应用中一个尤为重要的方面是抑制热-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传感器时必须格外谨慎。在温度传感应用中，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制定子线圈试样。该线圈依据IEEE标准9设计，用于评估随机绕制定子线圈绝缘系统的耐热性能；所构成的测试系统如图2B所示，称为“小型电机模型”（motorette）系统，可代表低压电机中绕组及其绝缘系统的典型结构。在本案例研究中，将在该motorette系统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传感器的motorette将通过商用热循环箱和直流电源进行热激励。

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

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

Design, Instrumentation and Usage Protocols for Distributed In Situ Thermal Hot Spots Monitoring in Electric Coils using FBG Sensor Multiplexing

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。当前在提高电气设备利用率方面的主要瓶颈之一，是其绕组部件对运行过程中的热应力高度敏感。采用传统温度传感方法（如热电偶、电阻温度检测器）对载流的随机绕制线圈进行热状态监测时，由于传感器尺寸、电磁干扰（EMI）敏感性以及其构造中存在导电材料，可能带来显著的操作限制。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&#160;传感系统&#160;用于实现分布式内部热场的实时监测&#160;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（代表电气设备中所用线圈）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。&#160;

图5展示了在静态热测试中由阵列传感器测得的温度。四个由相应线圈位置上的阵列FBG探头测得的内部温度读数在所考察的测试条件下基本一致，符合预期；各独立测量值之间存在微小差异，观测到的平均热点温度约为75.5 °C，彼此差异小于≈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。图中首先显示了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，引起局部附加热激发，导致测量结果出现明显变化：距离外部线圈最近的传感点（即FBG4）测得最高热水平（≈128.6 °C），而最远的传感点测得最低值（≈117.6 °C）；位于两者之间的FBG温度传感器则报告了介于其间且彼此接近的温度值（≈122.7 °C和≈121.6 °C）。观测到的读数明显与所考察测试线圈几何结构中各个传感头的分布位置相关。此外，结果明确验证了嵌入线圈的阵列传感器在监测和识别随机绕制线圈内部分布式热热点分布方面的功能能力。
<img alt="光纤布拉格光栅示意图；宽带光相互作用；波长反射；光纤。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图1"> 
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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看本图的放大版本。</a>
<img alt="电磁线圈组件示意图，突出显示随机绕制线圈、连接器和绝缘系统。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 2"> 
图 2. IEEE 标准电机模型线圈组件。（A）随机绕制的电磁线圈；参见 IEEE 标准9。（B）组装并涂覆清漆的 IEEE 标准电机模型。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="带有 FC/APC 连接器、抗弯光纤、聚四氟乙烯、聚醚醚酮毛细管装置的光纤布拉格光栅示意图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 3"> 
图 3. FBG 温度传感器阵列设计。（A）FBG 阵列光纤长度，（B）阵列结构中 FBG 头部的位置，（C）FBG 阵列封装设计。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="FBG传感器的波长与温度关系图；光学分析，不同条件下的稳定性。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图4"> 
图4. 封装后的阵列传感器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。本图改编自之前发表的研究4。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="温度随时间变化图；FBG传感器数据，显示趋于稳定；FBG1-4的数据点。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图5"> 
图5. 在稳态热条件测试中获得的FBG阵列热测量结果。 FBG阵列传感器报告的各个测点热测量结果如图所示，其中插图为稳态测量的详细视图。本图改编自先前发表的研究4。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="显示FBG传感器数据的温度与时间关系图；包含四条曲线及平均温度。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59923/59923fig6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图6"> 
图6. 非均匀热条件测试中的温度测量结果。 本图改编自先前发表的研究4。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59923/59923fig6large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1">
	<tbody>
		<tr>
			<td></td>
			<td colspan="2">截距</td>
			<td colspan="2">B1</td>
			<td colspan="2">B2</td>
			<td>统计量</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>数值</td>
			<td>标准误</td>
			<td>数值</td>
			<td>标准误</td>
			<td>数值</td>
			<td>标准误</td>
			<td>校正 R²</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FBG1</td>
			<td>1555.771</td>
			<td>0.0137</td>
			<td>0.00855</td>
			<td>2.85E-04</td>
			<td>1.50E-05</td>
			<td>1.34E-06</td>
			<td>0.99978</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FBG2</td>
			<td>1547.669</td>
			<td>0.0112</td>
			<td>0.00851</td>
			<td>2.34E-04</td>
			<td>1.41E-05</td>
			<td>1.10E-06</td>
			<td>0.99985</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FBG3</td>
			<td>1539.852</td>
			<td>0.0101</td>
			<td>0.00871</td>
			<td>2.11E-04</td>
			<td>1.30E-05</td>
			<td>9.90E-07</td>
			<td>0.99988</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FBG4</td>
			<td>1531.768</td>
			<td>0.0131</td>
			<td>0.00808</td>
			<td>2.72E-04</td>
			<td>1.67E-05</td>
			<td>1.28E-06</td>
			<td>0.9998</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1：计算得到的二次多项式拟合曲线参数。 包含计算得到的参数标准误差及各个探头校正系数；在四个测试的光纤布拉格光栅（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。本表经由先前发表的文献4修改而来。

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。

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

随机绕线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。其中……

监测电圈内部的热热点在电力传输领域至关重要，因为它有助于更深入地了解设备的健康状况、剩余寿命以及与设计极限的接近程度。本研究所提出的方法基于光纤传感技术，实现了对电气线圈结构内部热热点的系统化监测，该技术具备多路复用、抗电磁干扰以及无需外部供电等优势。本视频中所描述的先进光纤光栅（FPG）传感性能具有独特性，远非传统的传感器（如热电偶）或基于电阻的温度估测技术所能比拟。FBG 传感器本质上对热和机械激励敏感，且较为脆弱。因此，将其应用于与电热线圈结构紧密接触的热传感时，需要采用一种特殊操作流程，本方案对此进行详细说明。首先，根据目标线圈结构和解调系统特性，确定传感器的设计和参数规格。此处所示的测试线圈是典型的IEEE H类电动机定子，常见于电机线圈。在设计传感屏蔽层时，需确保光学传感光纤在绕组线圈传感应用常见的热力和机械环境中仍能正常工作。采用标准的抗弯折聚酰胺单模光纤可保证传感器在超过200摄氏度的温度下正常运行，并具备足够的机械性能，可弯曲以适应所需的线圈几何形状。在此应用中，需在四个测试线圈横截面中心位置安装四个温度传感点。各个传感位置的确定依据电气设备潜在的热监测标准。传感探头之间的距离取决于线圈几何形状及所选定的传感位置。接下来，指定各个光纤布拉格光栅（FBG）传感单元的长度为5毫米，并按不同波长进行梯度分布，波长范围覆盖1529至1560纳米，以匹配所用商用解调仪的波长范围，并避免波长偏移造成的干扰。此处，光纤总长度设定为1.5米，其中前1.2米以聚四氟乙烯（Teflon）封装，用于连接外部解调仪设备。额外的3米长度包含四个未封装的传感头。本视频中展示的是 commercially manufactured 的指定阵列传感器。首先，从FC/APC连接器公头上去除保护帽。然后使用光纤连接器清洁器轻轻擦拭，清洁连接器端面。接着确保键槽正确对齐，并将清洁后的光纤布拉格光栅（FBG）探头连接器插入解调仪通道连接器中。打开解调仪并运行配置软件。在仪器设置选项卡中，观察来自光纤布拉格光栅阵列探头的反射波长光谱。在相应的通道光谱中应观察到四个峰值。在软件中，将采样频率设置为 10 赫兹，并在 FBG 之间设置光谱边界，以防止测量干扰。然后，在测量设置中，将光纤布拉格光栅传感器的探头命名为 FBG-1、FBG-2、FBG-3 和 FBG-4。选择波长作为此阶段需以图形形式呈现的物理量。使用聚醚醚酮（peek）毛细管对光纤阵列中印刻有 FBG 探头的传感区域进行适当的封装。这将保护玻璃纤维，并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。使用商用peek管材，根据目标线圈结构的长度裁剪适当长度，额外留出几厘米以便光纤插入，并覆盖特氟龙到peek毛细管的连接处。接下来，仔细测量FBG阵列和peek毛细管，以准确定位peek毛细管外表面的传感位置。这使得能够将光纤布拉格光栅（FBG）传感头定位在电动机测试线圈内的目标位置。然后，准备一段尺寸合适的热缩管以备后续使用。将光纤传感区域插入peek毛细管中，并使用聚酰亚胺胶带固定peek与聚四氟乙烯（Teflon）的连接部分。通过将封装好的光纤布拉格光栅（FBG）阵列传感器插入温控箱中，获取其离散的温度-波长数据点，从而完成校准。FBG阵列的传感区域根据线圈几何结构形成。随后，将锥度光纤连接至解调仪，并启动预设的解调仪软件程序。按一系列热稳态点操作烘箱，根据阵列中每个光纤布拉格光栅（FBG）测得的反射波长生成表格。在每个恒定温度下，在温控腔室中模拟该温度。然后，利用记录的波长偏移量与温度测量数据，确定每个FBG的最佳温度-波长偏移拟合曲线及其系数。将计算得到的系数输入解调仪软件的相关设置中，以实现从光纤布拉格光栅（FBG）阵列进行在线温度测量。首先，构建并制作电机定子随机绕线线圈。具体操作为：将选定的H级漆包铜线卷安装至绕线装置上，并以低速缠绕线圈一半的匝数。然后，使用聚酰亚胺胶带将制备好的 peek 毛细管固定在线圈中心。正确放置后，缠绕线圈的其余部分。将完成的线圈放入电机定子框架中。接下来，固定电机线圈和绕组。在将光纤光栅（FBG）阵列连接至解调仪后，小心地将传感区域的光纤插入peek毛细管，直至特氟龙和peek毛细管的末端相互接触。移动热缩管以覆盖毛细管两端，并适当加热，直至达到理想的贴合状态。开始静态测试时，将电机试样连接至直流电源，并通过直流电源向电机试样注入直流电流。持续记录测量数据，直至电机试样线圈达到热平衡状态。接下来，进行非均匀热条件测试。进行此测试时，首先将含有20匝的外部线圈缠绕在选定的测试线圈段上。将外部线圈连接至独立的直流电源，使用与静态测试相同的直流电流为电机模型通电。当达到热平衡后，开始记录热测量数据。最后，通过向外部线圈施加直流电流，对测试线圈施加局部热激励，从而提供非均匀的热条件。当达到热平衡后，停止记录测量数据。在此具有代表性的静态热测试过程中，四个内部温度读数分别由对应位置的阵列光纤布拉格光栅（FBG）传感器测得。各次读数非常接近，记录的单个测量值之间的差异略小于约1.5摄氏度。当外部20匝线圈被激励以模拟线圈结构内非均匀线圈条件时，温度测量结果出现明显变化，线圈内部温度发生重新分布。最靠近外部线圈的传感点FBG4测得最高温度值，而距离最远的传感点FBG2测得最低温度值。观测到的读数明显与各个传感头的分布以及所检测的测试线圈几何结构的变化相关。这表明嵌入线圈的阵列传感器具备监测和识别随机绕制线圈中热热点分布的功能能力。在本视频中，我们展示了如何利用基于光纤布拉格光栅（FBG）技术的单根光纤，实现对电机线圈结构内部热热点的分布式测量。使用传统传感器实现这一目标将极具挑战性。为确保测量准确，需特别注意封装、安装和校准程序。这些步骤对于减轻热-机械对光纤布拉格光栅（FBG）的交叉敏感性、保护光纤以及获得可靠的温度读数至关重要。该报道的技术为开发专用的原位热监测应用提供了新的机遇，适用于传统传感器难以应对的能量转换装置中。

design-instrumentation-usage-protocols-for-distributed-situ-thermal

Research

科研

JoVE Journal

Engineering

工程

使用 FBG 传感器多路复用在电线圈中分布式原位热热点监控的设计、仪器和使用协议

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