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

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。 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。