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

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。