1、 ：电机转子用光纤光栅温度传感器标校方法收稿日期：；修回日期：。作者简介：陈思彤（），女，博士生，主要研究方向为光纤传感技术。通信作者：黄俊斌（），男，教授，博士生导师，。陈思彤，黄俊斌，顾宏灿，姚高飞，宋文章（海军工程大学 兵器工程学院，武汉 ）摘要：针对电机转子温度实时在线监测的需求，采用不锈钢管封装聚酰亚胺涂覆的光纤光栅制作成转子温度传感器阵列。首先，研究了采样时间对传感器温度标定误差的影响，综合中心波长平均值的波动性和数据处理量，选择了用于标定的最优采样时间和中心波长平均值；然后，在 范围内开展了传感器的标定和测温精度试验。结果表明：各传感器的测温精度在 左右，温度分辨率为，能够满足电
2、机转子的温度预警要求；随着温度的升高，温度灵敏度从 增加到 ，与理论计算值较为接近。关键词：光纤光栅传感器；标校方法；温度特性；转子温度中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，（），：；随着大功率高速电机的快速发展与应用，转子因各类损耗而引起的温升效应越来越不容忽视，绕组型电机的转子面临着高温使绝缘材料失效的问题，永磁体电机的转子面临着高温导致永磁体失磁的风险。若能够对转子的温度进行实时在线监测，一方面可以根据温度的历史数据预测绝缘层老化的程度，并科学地控制电机的容量裕度，尽早地发现故障；另一方面，也为精确研究电机转子在各种运行条件下的温度场提供实测数据、为转子冷却技术的研究提供有力
3、支撑。故而，在实际应用中对电机的转子温升进行实时在线监测的需求越来越大。第 卷第期 年月 海军工程大学学报 光纤光栅（，）因体积小、重量轻、可以准分布式测量的优点，而广泛应用于各种设备的温度监测。本文设计了适用于电机转子的光纤光栅传感器阵列，采用高温水浴和油浴对传感器阵列进行了温度的标定。查阅参考文献时发现，在进行光纤光栅反射中心波长与温度关系的标定时，由于光纤光栅波长解调仪存在稳定性和重复性误差，文献 采用两次升降温过程的个中心波长的平均值进行温度的标定，文献 采用 个中心波长的平均值，文献 采用 波长数据的平均值，文献 则在光纤光栅的中心波长在一定波动范围内时，选取了一个中心波长数据进行标
4、定。这些研究采用的选取一个或对几个较为稳定的波长值取平均值的方法，很可能难以反映真实的波长平均情况，现阶段还缺乏波长数据量对标定误差影响的研究。为此，本文将采样时间作为波长数据量的度量标准，研究了解调仪稳定性对标定误差的影响，得到了某一温度下采集中心波长数据所需要的最优采样时间，优化了光纤光栅传感器的标定方法。经过对电机转子用传感器阵列的标定和修正，该传感器阵列在 范围内的测温精度可以达到，为光纤光栅温度传感器阵列应用于电机转子提供了参考。电机转子测温系统的组成为了实现对电机转子温度进行实时在线的监测，搭建如图所示的温度传感系统。图光纤光栅温度传感系统的组成 由光源发出的宽带光经光环形器和准直
5、透镜组传输到光纤光栅传感器阵列中，阵列中的各光纤光栅将反射回满足布拉格波长条件的光信号，反射光经过准直透镜组、光环形器，最终传输到光纤光栅波长解调系统中，解调系统将实时地解调出反射光的中心波长。因为各光纤光栅的反射中心波长与温度具有一一对应的关系，故而能够得到各温度测量点的实时温度。其中，准直透镜 与固定基座相连接，准直透镜跟随转子一起旋转，二者均位于转轴的轴心，这样就实现了光信号在转子和固定端之间的往返传输。传感器阵列的结构常规的光纤光栅涂覆材料为聚丙烯酸酯或环氧丙烯酸酯，它们会在 左右失效，难以应用于高温环境中。聚酰亚胺具有较高的介电常数，还可以长期耐受 的高温，故采用聚酰亚胺涂覆的光纤光
6、栅能够适应电机的高温和电磁环境。此外，裸光纤光栅在常温下的温度灵敏度为 ，聚 酰 亚 胺 涂 覆 光 纤 光 栅 在 范 围 内 的 平 均 温 度 灵 敏 度 约 为 ；在常温下，镀层厚度为 的镀镍光纤光栅的温度灵敏度为 ，镀层厚度为 的镀铜光纤光栅的温度灵敏度为 。相比之下，聚酰亚胺涂覆光纤光栅的温度灵敏度与裸光纤光栅非常接近，这既可以对光纤光栅起到保护作用，又保证了传感器具有较大的动态测温范围，能够满足电机转子准分布式测温的需求。考虑到电机转子结构的紧凑性和动平衡性能，采用飞秒光刻技术在一条光纤上刻制多个布拉格光栅，然后将其封装在外径仅为 的 不锈钢管内，并保证光纤的一端呈自由状态，阵列
7、的结构如图所示。文献 对 毛细管封装的光纤光栅进行了电机振动敏感性测试，嵌入载流线圈的光纤光栅传感器阵列在常温试验和加热试验中均表现出振动的不敏感性，这说明采用毛细管封装光纤光栅减小了光纤光栅对转子表面应变的耦合，表现出较强的抗振动性能。综合看来，该传感器阵列具有体积小、重量轻、耐高温的特点，安装过程对转子本身的性能影响也较小。图光纤光栅温度传感器阵列的结构示意图 第期陈思彤 等：电机转子用光纤光栅温度传感器标校方法封装完成的光纤光栅温度传感器阵列如图所示。不锈钢管外径为，壁厚为，其内部设置有个光纤光栅，它们在常温下反射中心 波 长 大 约 为 、，依次将各光纤光栅命名为号传感器。图弯折后的光
8、纤光栅传感器阵列 传感器的温度标定标定系统的组成采用恒温水槽和油槽对温度与光纤光栅中心波长的关系进行标定，以下采用水槽进行标定，（含）以上采用油槽进行标定。由于恒温槽内部的空间较小，而传感器阵列的长度很长，为了使其不触碰到槽壁和搅拌器，只能将传感器阵列弯折成如图所示的多匝方型线圈，弯折点需与光纤光栅保持较大的距离。标定系统由恒温槽、标准铂电阻、铂电阻的电阻解调模块、光纤光栅温度传感阵列、光纤光栅波长解调模块、温度显示软件等组成。据产品说明书介 绍，恒 温 油 槽 和 恒 温 水 槽 的 均 匀 性 为 ，恒温水槽的波动性为 ，恒温油槽的波动性为 ，标准铂电阻温度测量系统符合国家二级标准。光纤光
9、栅波长解调模块基于扫描激光器原理，波长检测范围为 ，波长分辨率为、波长稳定性为、采样频率为 。为保证铂电阻与光纤光栅感知的温度尽可能地接近，将标准铂电阻与传感器阵列中的光纤光栅尽量放置在槽内的同一高度上。在每个温度点下，等待标准铂电阻测温系统的读数变化不超过 ，人工记录下铂电阻的温度值，同时采集光纤光栅反射光的中心波长。采样时间的选择由于基于扫描激光器原理的光纤光栅波长解调系统存在稳定性和重复性误差，所以在每个温度点下采集的中心波长是波动的。通过对采集的波长数据取平均值，能够较为准确地建立起温度与中心波长的对应关系，而标定关系的准确性将严重影响到传感器的测量精度。本节研究了解调仪的波长波动性对
10、标定准确性的影响，以及某一温度下采集中心波长数据所需要的最优采样时间。温度标定的范围为 ，温度间隔为，采样间隔为 。当标准铂电阻的读数变化小于 时，近似认为两种传感器感知的温度是相同的，并采集 的波长数据。首先，任意选取一个温度点（），研究中心波长随采样时间的变化情况（见图）。可见，随着采样时间的增加，各传感器的中心波长呈现波动状态，最大波动可以达到近 ；、和 采样时间对应的中心波长平均值之间的差异较小，这是因为每 就采集了 个中心波长值，较大的采样数据量确保了中心长波平均值的稳定性。为了进一步观察中心波长的极值和平均值随采样时间的变化规律，将各传感器的中心波长峰峰值的变化绘制成图（见图），平
11、均值的变化如表所示。由图可见，在一定温度的条件下，随着采样时间的增加，最大波长与最小波长的差值不断增加，内的峰峰值为 。这说明解调仪的波长稳定性一般，根据裸光纤光栅的温度灵敏度大概在 ，若选取任意时刻的中心波长值或者求少数极值的平均值来进行温度标定，那么标定误差很可能大于。由表可知：不同采样时间导致波长平均值的最大差异为 ，除了传感器和传感器，采样时间与 采样时间对应的波长平均值之间的差值（）均大于 采样时间与 采样时间对应的波长平均值之间的差值（）。这说明从趋势上看，随着采样时间的增加，波长平均值的变化量在减小，即采样时间越长越有利于获得稳定的波长平均值。海军工程大学学报第 卷图各传感器在
12、时中心波长随采样时间的变化情况 表在 时各采样时间对应的中心波长平均值的差值 （）传感器传感器传感器传感器传感器传感器（）（）.注：（）为 内中心波长的平均值与 内的中心波长的平均值之间的差值；（）为 内中心波长的平均值与 内的中心波长的平均值之间的差值。综上，选取、或 采样时间所引起的标定温度差异应该在 以内，综合波长平均值随采样时间的变化和数据处理量，最终选择采样时间为 的中心波长平均值来完成传感器的标定。图各传感器在 时中心波长峰峰值随采样时间的变化 标定的结果首先，从 按照 的温升间隔，对温度传感器阵列进行标定，每个温度下的采样时间为，并对这 的中心波长数据取平均值，结果如表所示。将各
13、传感器的中心波长漂移量与温度的关系绘制到二维坐标系中，得到图。由图可见，各传感器温度特性的一致性较好。图各光纤光栅传感器的中心波长变化量与温度的拟合曲线 将各传感器的平均波长值和温度值绘制到坐标系中，并采用二次函数进行拟合。经查看各拟合公式的校正决定系数以及残差平方和，发现所有拟合曲线的校正决定系数 .均在 以上，并且残差平方和最大为 ，这说明采用二次函数对中心波长与温度的关系进行拟合的效果较好。第期陈思彤 等：电机转子用光纤光栅温度传感器标校方法表各光纤光栅的中心波长平均值与温度 传感器传感器传感器传感器传感器传感器.测温精度试验及标定公式的修正测温精度试验为了研究上述的标定公式对未标定温度
14、点的测温误差，下面进行传感器的测温精度试验。试验过程类似传感器的标定，从 每间隔 采 集 光 纤 光 栅 的 测 温 结 果，采 样 间 隔 为 ，并对内光纤光栅的测温结果取平均值，将光纤光栅的测温结果与铂电阻的测温结果做差值，结果如图所示。图光纤光栅与铂电阻测温结果的差值 由图可见：在 范围内，有多个光纤光栅传感器的测温结果与铂电阻的存在较大差异，最大相差约为，而这一情况在 以上均有明显的改善；在 范围内，号传感器与铂电阻测温结果的差异最大，在 时约为，其余传感器的差异在 以内。可见，油槽中标定的数据和测温精度试验的重复性较好。经推测，在水槽中标定时光纤光栅传感器阵列放置的位置距离水面较近，
15、很可能光纤光栅所处位置的温度场的波动性和均匀性已经超出了仪器的指标范围，而这个操作在后续过程中已被更严格地控制，故而推测低温区域测温精度较差的原因是水槽中标定的不准确导致的。为了验证这一想法，再次选取一个温度校准点，并且这个校准点与标定时的一个温度点相同（），重新采用恒温水槽采集 时的中心波长和温度数据，并严格地控制传感器阵列的放置深度以及与标准铂电阻的相对位置，将采集的波长数据与第章温度标定时的数据进行了对比，结果如表所示。表在标定和校准 时各光纤光栅的中心波长值 传感器序号传感器 .传感器 .传感器 .传感器 .传感器 .传感器 .注：为传感器在标定 时的中心波长值；为传感器在校准 时的中
16、心波长值；为标定与校准 时传感器中心波长的差值。在第章中，标定时的温度为 ，本节校准时的温度为 ，并且两次铂电阻的温度变化都小于 ，故认为标定和校准时的温度场是相同的。通过比较各光纤光栅的中心波长数据，发现除了号传感器外，其余个传感器在标定时的波长值均小于校准时的，并且以号、号、号传感器最为明显。这说明在标定的过程中，光纤光栅处的温度值低于铂电阻处的温度值，那么用标准铂电阻的温度读数和光纤光栅的中心波长拟合得到的标定公式，其温度测量值便高于真实值。这些解释了图中在低温区域内光纤光栅传感器与铂电阻测温结果的差异，说明了水槽中标定的数据存在较大的误差，的标定数据应该被剔除，而校准点所反映的规律与测温精度试验的一致性较好，说明测温精度试验的数据较为可靠。对于各光纤光栅与铂电阻测温结果差异的大海军工程大学学报第 卷小因光纤光栅的编号和温度点而异，分析其原因为：拟合曲线在不同的标定点处本身就存在着不同的拟合残差；根据标定的温度点所建立起的波长与温度的关系不一定能很好地反映未标定温度点的，这也说明了采用更多的数据点能建立起更加准确的标定公式。从总体上看，水槽中的标定数据存在着较大的误差、应该被剔除
