Summary
本文提出了一种协议，用于使用光纤布拉格光栅 （FBG） 热传感器进行随机缠绕电线圈的检测，以便对内部热热点进行分布式状态监测。
Abstract
随机缠绕线圈是现代工业系统中大多数电气设备（包括低压电机）的关键操作元件。改进电气设备开发的主要瓶颈之一是其伤口部件对工作内热应力的高灵敏度。传统热传感方法（如热电偶、电阻温度检测器）在电流随机绕圈的热状态监测中应用，由于传感器尺寸、EMI，可施加相当大的操作限制灵敏度和导电材料在其结构中的存在。分布式传感应用中存在另一个重大限制，是由传统传感器布线引线的相当长和体积造成的。
本文报道了光纤FBG传感系统的设计，该系统旨在实现随机绕圈内实时分布式内部热状态监测。在一份关于电气机器使用的标准绕圈代表的IEEE标准绕圈的案例研究中，报告了FBG传感系统的随机绕体仪表程序。报告的工作还介绍和讨论了FBG传感系统实施和应用的重要实用和技术方面，包括FBG阵列几何设计、传感头和纤维封装、传感器阵列安装和校准程序以及使用商业审讯系统获取热测量。最后，在具有代表性的静态和动态热条件下，证明了原位多路复用FBG传感系统热监测性能。
Introduction
随机绕圈是现代工业系统中大多数电气设备的关键设计元件，通常用于低压电气机械。在这些应用中改进伤口线圈使用的主要障碍是它们对在职电热应力的灵敏度。热过载在这方面特别相关，因为这些可能导致绝缘线圈绝缘系统故障，并最终其总故障1;这可能是由于线圈电流水平过高，或其他原因，如线圈电气故障或冷却系统故障，其中局部热点在线圈结构中诱发导致绝缘故障。启用对维修线圈内部结构的现场分布式热监测，可以开发改进利用率和基于条件的维护程序;它可以使先进的理解和识别线圈的操作状态和任何降解过程，从而基于条件的纠正措施，以保持操作状态，防止或减缓进一步损害2，3。
该方法旨在通过灵活电磁干扰免疫（EMI）光纤布拉格磨碎光热传感器，对电线圈结构嵌入式热条件进行现场监测。与电动线圈中使用的现有热监测技术（几乎无一例外）使用热电偶 （TC） 或电阻温度检测器 （RTD）（RTD）一视其为，该方法具有许多功能优势;它们由导电材料制成;它们通常相当笨重，因此不适合在缠绕电线圈结构内的传感应用。使用坚固和灵活的光纤FBG热传感器提供了许多相当大的改善，在这方面，不仅由于传感器EMI抗扰性，而且由于其小尺寸，多路复用能力和灵活性，这使得他们嵌入和符合任意伤口线圈架构，以实现热感应与所需的结构位置4的精确度。这些功能在电机 （EM） 应用中特别有吸引力，在这些应用中，设备热限由电线圈热条件定义，并且特别相关，因为随着电动运输的激增，EM 使用预计将大幅增长。
本文介绍了用热FBG传感器检测典型低压随机缠绕线圈结构的方法，以便对内部热点进行在线监控。报道了FBG传感器选择、设计、包装、仪器仪表、校准和使用的详细协议。这在 IEEE 标准随机绕圈电机系统上显示。本文还报告了在经检查的试验线圈的静态和非均匀热运行条件下获得的原位热测量。
FBG通过"光栅"光纤芯的过程形成，以产生周期性的纵向印记（在FBG传感应用中通常称为传感头）;当含有FBG的纤维暴露在紫外线下时，每个现有的FBG头都会使其折射率周期性地调制5。传感头反射波长将受到光纤暴露于的热和机械条件的影响，从而使磨碎光纤在充分设计和应用的情况下能够作为热传感器或机械传感器应用。
FBG 技术对分布式传感应用特别有吸引力：它允许将单个光纤磨碎，以包含多个 FBG 传感头，其中每个磁头都用独特的布拉格波长进行编码，并充当不同的传感点。这种类型的基于FBG的传感装置被称为FBG阵列传感器6，其操作概念如图1所示。宽带光用于激发阵列，从而产生与每个包含 FBG 头的不同反射波长;在这里，每个头都反射一个定义的波长（即布拉格波长），其光栅设计符合其光栅设计，并且还取决于头部位置（即感应）位置的当前热和机械条件。需要一个询问器装置，以便用光激发阵列光纤，并检测反射光谱，以检测包含局部热和/或机械条件信息的不同布拉格波长。
FBG热传感器实现的一个特别重要的方面是减轻热力学交叉灵敏度效应，以获得尽可能接近纯热读数7。热力学交叉灵敏度的FBG固有特性要求精心设计FBG传感器，专门用于热或机械仅感应应用。在热传感方面，一种有效缓解FBG机械激励灵敏度的方法是用适合特定应用的材料制成的包装毛细管来分离传感头;在本文所检查的线圈嵌入式热传感应用中，这不仅减少了交叉灵敏度问题，而且有助于保护脆弱的传感纤维结构不受底面和潜在破坏性机械应力的影响。
图2A显示了本文作为演示载体的随机缠绕电线圈试验样。线圈是按照IEEE标准9设计的，用于随机绕圈绝缘系统的热评价程序;图2B所示的测试系统称为电机系统，是低压电机中绕组及其绝缘系统的代表。在所述案例研究中，电机将配备由四个热感应点组成的 FBG 阵列热传感器，以模拟在实际机器应用中感兴趣的典型热感应热点，这些热点往往在线圈端绕组和槽部分进行本地化。对于校准和性能评估，FBG 嵌入式电机将使用商用热室和直流电源进行热激发。
Protocol
1. 光纤热传感器设计
- 首先根据目标线圈结构和检测系统特点确定传感器设计和规格。本作品中使用的测试线圈具有典型的电机线圈的椭圆形几何形状（如图 1A所示）。在确定单个传感位置之前，请做出设计决策，以确保光纤在嵌入式绕圈应用的典型机械和热环境中保持运行。
- 使用标准弯曲不敏感的聚酰胺涂层单模光纤，通常已知能够在高达 300 °C 的温度下工作;因此，这种纤维适用于传统电机中使用的伤口线圈。
注：所选光纤可确保在电机中运行的典型随机缠绕线圈的热环境中的传感器功能，例如本工作中使用的 F 类和 H 类，额定温度分别为 155 和 180°C10。弯敏纤维是本应用的首选，因为它的设计允许小弯曲半径，具有更低的弯曲损耗。这使得传感器能够有效地符合所需的线圈结构和感应位置，对传感功能的有害影响最小。 - 将光纤长度设置为 1.5 m。
注：光纤长度根据要检测的目标绕圈的几何形状和与询问装置的所需距离进行设置。测试线圈周长（如图1A所示）为0.3米，从线圈中选择的光纤长度为1.2米，总长度为1.5米，这允许在测试线圈内循环足够的光纤长度，以确保适当的传感位置得到适当建立，并且测试线圈与询问器之间有适当的距离：图3A说明了一般长度设计方法。
注：FBGS 可以位于距离审讯单位几公里的位置。这是因为光纤是一个高效的单载波。 - 将 FBG 阵列设计为由四个 FBG 磁头（5 mm）组成，以便在线圈结构内实现分布式感应，使两个感应位置位于线圈侧，两个位于线圈端。
注：热传感位置根据电机的相关热监测标准（即槽段2 FBGS和端绕段2个）10确定。本工作中使用的商业询问器设计可同时侦听单个光纤下多达 16 个 FBG 传感点。 - 使用 FBG 感应头长度为 5 mm;这被认为足以在携带随机缠绕线圈的电流中实现局部热点监测。
注：如果传感应用需要不同的传感点尺寸，也可以使用 FBG 头长（3 mm、5 mm 或 10 mm）的替代商业值。 - 指定单个 FBG 磁头以不同的波长进行磨碎，其带宽为 1529–60 nm，以匹配使用的商业询问器额定值;这可确保防止 FBG 移动波长干扰。
注：FBG 磁头波长、预期波长偏移带宽和应用温度变化需要存在于检测单元宽带光带宽内，以确保传感系统能够正常运行。 - 使用 FC/APC 光纤探头连接器类型，该连接器与询问器单元一致。
注：FC/APC 通常是 FBG 传感的首选，因为回报损耗较低。 - 向商业 FBG 制造商提供传感器的设计和规格 -图 3B显示了本工作中使用的 FBG 阵列设计的最终草图。
2. 审讯系统和传感器配置
- 检查并配置设计和制造的 FBG 阵列传感器，以便使用商业审讯系统进行操作。
- 从 FC/APC 连接器法网上拆下保护盖。
- 使用光学连接器清洁剂轻轻擦拭接头端面，清洁接头端面。
注： 强烈建议在每次传感器连接到询问器时执行此步骤。这项工作使用了克莱托普的商业系列光学清洁剂。 - 将清洁的 FBG 探头连接器插入询问器通道连接器。
注：确保配合接头时钥匙道正确对齐。 - 打开审讯人员。
注：询问器通过 RJ45 连接器和互联网电缆连接到 PC。 - 运行配置软件。
注：询问器软件是审讯器制造商提供的基于 LabVIEW 的专有软件包，旨在启用询问器硬件单元操作。 - 在仪器设置选项卡上观察 FBG 阵列探头的反射波长光谱（对于本工作中使用的 FBG 阵列设计，应在相关通道频谱中观察到四个峰值）。
注：反射光强度取决于FBG特性（接受超过50%）。 - 将采样频率设置为 10 Hz。这直接决定了给定 1 s 期间提供的温度读数数。
注：使用的审讯系统可在采样频率高达 2.5 kHz 时工作;但是，对于本工作中监测的电流承载线圈的热动力学，10 Hz 被认为是足够的采集速率。 - 在测量设置中，将 FBG 磁头命名为 FBG1、FBG2、FBG3 和 FBG4。选择波长作为在此阶段以图形方式呈现的数量类型。FBG 阵列已配置完毕，可为校准步骤做好准备。
3. 包装准备
- 将 FBG 磁头在阵列光纤中压印（即磨碎）的区域适当包装，以确保感应头与机械激励隔离，从而产生完全热激发响应传感器。此外，纤维结构易碎，不宜将其直接嵌入线圈导体中：它需要大量的机械保护来保持完整性。在这项工作中，包含四个嵌入线圈结构中的FBG头的传感区域与聚二酯酮 （PEEK） 一起包装，其余纤维由铁氟龙保护 - 如图3C所示。
- 以窄圆毛细管的形式设计包装，使传感纤维能够通过，从而受到毛细管的保护。
注：在涉及含有FBG传感头的区域的包装时，毛细管尺寸和热性能尤为重要。通常，最好确保相对狭窄的壁厚，并使用不导电但提供合理导热性的材料。这项工作中使用的PEEK毛细管的外径为0.8毫米，其壁厚为0.1毫米。 - 通过切割足够的商业 PEEK 管长度（目标线圈结构的长度加几厘米，允许纤维插入和铁氟龙到 PEEK 毛细管接头准备），准备 PEEK 毛细管。
注：FBG 阵列的原位检测要求首先安装包装，然后用感应光纤插入。必须小心确保平滑和清洁毛细管端开口。 - 仔细测量 FBG 阵列和 PEEK 毛细管，以准确识别 PEEK 毛细管外表面的传感位置。这使得 FBG 传感头能够定位到电机测试线圈中的目标位置。
- 通过切割足够长度的商业特氟龙管来准备铁氟龙毛细管，以确保测试线圈几何体外的纤维部分得到保护和包含。
注：非传感阵列部分的外部包装材料需要有足够的刚度，以提供足够的机械保护，但也具有灵活性，以便实际连接到询问器;这种材料在此应用中对 EMI 免疫也是可取的。特氟龙在这项研究中提供了令人满意的性能，但可以应用替代材料。 - 准备适当的收缩管长度，使PEEK和特氟龙毛细血管之间的接头。
4. 免费热校准
- 通过将封装的 FBG 阵列传感器插入热室以提取其离散温度与波长点，校准其封装的 FBG 阵列传感器。
注：优选感应区域的形状与目标线圈结构的应力水平相匹配，在应变水平下提供校准，类似于封装嵌入测试线圈中的应变水平。 - 将磨碎光纤连接到询问器，并启动预配置的询问器软件例程。
- 将热室烤箱设置为在热稳定状态点序列下运行 - 这些温度范围为 170°C，并且在这项工作中每 10 度一步。根据阵列中每个持续温度的测量反射波长创建表。
注：在校准测试期间，必须留出足够的时间，以便在每个经过检查的稳定状态热点达到热平衡。 - 在 10°C 步长中使用记录的偏移波长与温度测量，以确定每个 FBG 的最佳温度波长移位拟合曲线及其系数。图 4和表 1分别显示了记录的校准数据测量值和计算拟合曲线。
注：本文通过多位二次回归分析阵列中FBG磁头的波长偏移和温度变化之间的关系，因为发现这可提供最佳表征。通过此分析计算多项二次回归拟合曲线系数11。 - 在查询器软件的相关设置中输入计算系数，以便从 FBG 阵列进行在线温度测量。
5. 测试线圈构建和FBG仪器
- 首先构建和检测电机随机缠绕线圈。
- 设计一个绕组式短管，以适应风机设备。
注： bobbin 几何形状旨在匹配线圈所需的转向几何形状，并确保所需的绕圈尺寸。鲍宾设计很容易拆卸，便于直接拆卸伤口线圈，而不会损坏其绝缘层。 - 将所选釉质铜线卷筒放入风控装置中，并通过风辊和张力控制器拉铜线。
注：本工作使用 F 类釉质铜线。 - 将风机设备转数计数器设置为零。
- 将风机设置为低速运行，并控制所需的导线张力。
- 线圈的一半转动。
- 使用 Kapton 胶带将准备好的 PEEK 毛细管安装在线圈中心。
注：必须小心确保 PEEK 毛细管上的索引位于目标位置。 - 风卷的其余部分转动。
- 从风机中取出空子并拆卸以释放嵌入 PEEK 毛细管的伤口线圈。
- 将线圈放在电机架中。
注：电体线圈绝缘系统（槽绝缘和槽楔）必须与线圈一起适当安装。 - 准备线圈端子并将其连接到电机端子。
- 使用绕组清漆对电机进行清漆，并在适当的温度（150°C）下放入烤箱进行固化。
- 设计一个绕组式短管，以适应风机设备。
- FBG 阵列检测：
- 首先将 FBG 阵列连接到询问器;启动询问器软件，在安装时监控 FBG 反射波长。
- 将纤维通过准备好的收缩管。
- 小心地将纤维（感应区域）插入PEEK毛细管中，直到铁氟龙和PEEK毛细血管的末端开口接触。
- 移动收缩管以覆盖毛细血管末端并适当加热，直到达到所需的配合。
6. 原位校准和评估
- 嵌入后在步骤 4 中验证获得的热校准，并在需要时进行校正。该测试还允许评估 FBG 阵列在受控静态热条件下的性能。
- 将嵌入 FBG 热阵列的电机放入热烤箱中。
注：传统的热传感器可用于性能比较目的。此处使用安装在电机线圈表面的热电偶。 - 重复步骤 4.3 和 4.4。
- 重复步骤 4.5，包括 FBG 磁头根据步骤 4 中的校准拟合测量的温度。
- 评估和比较 FBG 阵列温度测量值与参考温度。如果测量误差高，步骤 6.4 中记录的测量可用于更新校准。
- 将电机从热烤箱中拿出来;它已经准备好进行测试了。
7. 测试
- 执行静态热条件测试。
- 将电机连接到直流电源。
- 将 FBG 阵列连接到询问器;监控并记录其 FBG 温度测量值。
- 控制直流电源，为电机注入直流电流。
注：所选直流电流水平必须确保线圈内部热热点中的 T 上升小于允许的绝缘温度;这允许对原型线圈进行无损测试。 - 达到电机线圈热平衡时停止记录测量值。
- 执行非均匀的热条件测试。
- 旋转包含 20 个外部线圈，绕一个选定的测试线圈部分旋转。
- 将外部线圈连接到单独的直流电源。
- 在 7.1.3 中应用直流电流时为电机通电。
- 达到热平衡后开始记录热测量值。
- 通过直流电流为外部线圈通电，通过在测试线圈上提供局部热激励，提供非均匀的热条件。
- 达到热平衡后停止记录测量值。
Representative Results
图 5显示了阵列传感器在静态热测试中测量的温度。在相应线圈位置由各阵列 FBG 磁头采集的四个内部温度读数与检查测试条件通常预期非常接近;在观测到的平均热点温度为±75.5°C之间，报告的平均温度小于 ±1.5 °C 的单独测量值之间略有差异。
图 6报告在非均匀的热条件测试中获得的阵列传感器测量值。这些在外部线圈中没有激发（前 +75s）表示与预期一样紧密均匀的测量热水平的期间首先显示。然后，外部线圈受到兴奋，从而产生额外的局部热激发：这导致观测测量值发生明显变化，感应点最接近外部线圈（即 FBG4），测量最高热水平 （±128.6 °C），最远的距离最低 （±117.6 °C）;位于这些报告中间温度和非常相似温度水平（±122.7和+121.6°C）之间的 FBG 温度传感器。所观察到的读数与经检查的测试线圈几何形状中的单个感应头分布明显有关。此外，该结果还明确证明了线圈嵌入式阵列传感器在随机绕圈内内部分布式热热点分布的监测和识别功能能力。
图 1.FBG 阵列传感器操作概念。此图已从以前的出版物4修改。请点击此处查看此图形的较大版本。
图 2.IEEE 标准电机线圈组件。（A） 随机缠绕电线圈;参见 IEEE 标准9。（B） 组装和涂漆的 IEEE 标准电机。请点击此处查看此图形的较大版本。
图 3.FBG 热传感器阵列设计。（A） FBG 阵列光纤长度， （B） FBG 头位置在阵列结构中， （C） FBG 阵列封装设计.请点击此处查看此图形的较大版本。
图 4.封装的阵列传感器 FBG 磁头校准特性。这些特性来自阵列自由热校准测试中获得的数据。此图已从以前的出版物4修改。请点击此处查看此图形的较大版本。
图 5.FBG阵列热测量在稳态热条件测试中获得。FBG 阵列传感器报告的单个头部热测量值以内位细节稳定状态测量视图显示。此图已从以前的出版物4修改。请点击此处查看此图形的较大版本。
图 6.非均匀的热条件测试中的热测量。此图已从以前的出版物4修改。请点击此处查看此图形的较大版本。
| 拦截 | B1 | B2 | 统计 | ||||
| 价值 | 标准错误 | 价值 | 标准错误 | 价值 | 标准错误 | Adj. R-Square | |
| 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：计算多聚级聚位拟合曲线参数。计算参数标准误差和个体头部修正系数包括;为四个经过测试的FBG头，观察到良好的线性和超过0.999的强积系数。此表已从以前的出版物4进行了修改。
Discussion
本文演示了在低压缠绕线圈中设计、校准和测试原位FBG热传感器所需的程序。这些传感器为电流承载伤口线圈结构中的原位传感应用提供了许多优势：它们完全 EMI 免疫，具有灵活性，可符合任意所需的几何形状，可提供任意所需的传感点位置精度高，可在单个传感器上提供大量传感点。虽然采用热电偶或电阻温度检测器的传统热监测技术可以实现伤口线圈内的热感应，但FBG的应用显示出许多有吸引力的功能优势。
适当包装FBG阵列传感器是有效利用它的关键。必须适当包装单个传感头或整个光纤传感区域，以确保 FBG 磁头与刚性且灵活的导热毛细管中的机械激励隔离。毛细血管最好采用非导电材料设计，这样可确保在电流承载线圈的 EMI 富环境特性下获得最佳性能。
在将毛细管安装包装到线圈中时，需要小心，以准确定位封装段在其相应的传感位置。在观测高度动态的热条件时，优化毛细管几何结构也至关重要。
确保线圈嵌入式传感器的精确表征至关重要。最好在伤口线圈几何形状内安装之前进行自由封装的传感器校准。虽然原位封装提供机械激励的防护，但安装过程可能导致由于应变灵敏度而导致波长偏移。如果仔细执行，这可以忽略不计;但是，最好在可能的情况下在原地校准测试中确定这一点。
FBG在伤口线圈中的这种应用是相对较新的，为改进电机的设计、利用、监测和健康诊断提供了许多机会。需要进一步的工作来降低成本，并使它们成为电动机械大规模应用的可信可行选择。
Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项工作得到了英国工程和物理科学研究委员会（EPSRC）HOME-离岸：海上风电场联盟授予EP/P009743/1的能源整体运营和维护的支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Cletop-S | Fujikura | 14110601 | Commercial optic connector cleaner |
| Copper wire AWG24 | RS | 357-744 | Commercial insulated copper wire |
| DC power supply | TTi | CPX400SP | Commercial 420W DC power supply |
| FBG sensors | ATGratings | NA | Commerically manufactured FBG array to design spec |
| Heat Shrink Tubing | RS | 700-4532 | Heat Shrink Tubing 3mm Sleeve Dia. x 10m |
| Kapton masking tape | RS | 436-2762 | Orange Masking Tape Tesa 51408 |
| PEEK tubing | Polyflon | 4901000060 | Commercial PEEK tubing |
| SmartScan04 | Smartfibres UK | S-Scan-04-F-60-U-UK | Commercial interrogator system |
| Thermal Oven | Lenton | WHT6/30 | Commercial thermal oven |
| Winder machine | RS | 244-2636 | Commercial winder machine |
References
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