CN113465775A - 一种基于fbg的嵌入式电机温度磁场传感器 - Google Patents

一种基于fbg的嵌入式电机温度磁场传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FBG的嵌入式电机温度磁场传感器，包括硅钢片基体、温度敏感支和磁场敏感支，温度敏感支和磁场敏感支相邻设置，多组温度敏感支和磁场敏感支呈中心对称分布在两片硅钢片基体间；温度敏感支包括第一光纤、第一焊接金属包层和第一感应金属包层，第一焊接金属包层通过焊接埋入硅钢片基体内，第一光纤上设有第一光纤光栅，磁场敏感支包括第二光纤、第二焊接金属包层和第二感应金属包层，第二焊接金属包层通过焊接埋入硅钢片基体内，第二光纤上设有第二光纤光栅，本发明的目的是提供一种抗电磁干扰、结构简单、容易嵌入部件形成结构一体化检测温度与磁场的传感器。

Description

一种基于FBG的嵌入式电机温度磁场传感器
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种基于FBG的嵌入式电机温度磁场传感器。
背景技术
电机的运行状况与其绝缘***的状况密切相关，定子铁芯及绕组绝缘破坏将造成严重的电机故障。现有技术中，为了防止电机被严重破坏，通常通过检测相关参数的趋向，得到对电机状态的判断，在电机故障情况恶化之前可以及时停机维修。然后，由于电机内部结构紧凑，且在运行过程中涉及高频电磁场能量转换，以及温度场的耦合，普通传感器因体积和电磁干扰不能满足电机温度与磁场的测量条件，因此需要一种抗电磁干扰、结构简单、容易嵌入部件形成结构一体化检测温度与磁场的传感器。
发明内容
根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于FBG的嵌入式电机温度磁场传感器。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于FBG的嵌入式电机温度磁场传感器，其特征在于：包括硅钢片基体、温度敏感支和磁场敏感支，所述温度敏感支和所述磁场敏感支相邻设置，多组所述温度敏感支和磁场敏感支呈中心对称分布在两片所述硅钢片基体间；
所述温度敏感支包括第一光纤、第一焊接金属包层和第一感应金属包层，所述第一光纤前段镀有第一焊接金属包层，后段镀有第一感应金属包层，所述第一焊接金属包层通过焊接埋入所述硅钢片基体内，所述第一感应金属包层设在所述第一焊接金属包层一侧，所述第一感应金属包层向所述硅钢片基体内侧露出，所述第一光纤上设有第一光纤光栅；
所述磁场敏感支包括第二光纤、第二焊接金属包层和第二感应金属包层，所述第二光纤前段镀有第二焊接金属包层，后段镀有第二感应金属包层，所述第二焊接金属包层通过焊接埋入所述硅钢片基体内，所述第二感应金属包层设在所述第二焊接金属包层一侧，所述第二感应金属包层向所述硅钢片基体内侧露出，所述第二光纤上设有第二光纤光栅。
进一步地，所述第一焊接金属包层由金属铜制成，且使用化学镀以及电镀技术包覆于所述第一光纤表面并通过焊接埋入硅钢片基体。
进一步地，所述第一感应金属包层由金属铜制成，且使用化学镀以及电镀技术包覆于所述第一光纤表面，所述第一感应金属包层内的所述第一光纤光栅通过热膨胀效应致使中心波长漂移，进而检测温度变化。
进一步地，所述第二焊接金属包层由金属铜制成，且使用化学镀以及电镀技术包覆于所述第二光纤表面并通过焊接埋入硅钢片基体。
进一步地，所述第二感应金属包层由金属镍及其合金制成，且使用化学镀以及电镀技术包覆于所述第二光纤表面，所述第二感应金属包层内的所述第二纤光栅通过磁致伸缩效应使中心波长漂移，进而检测磁场强度变化。
进一步地，一片所述硅钢片基体切割有多个凹槽，每一所述温度敏感支和每一所述磁场敏感支分别焊接在一个所述凹槽内。
进一步地，所述硅钢片基体上的多个槽齿被切除，所述凹槽设在所述硅钢片基体被切除的槽齿处，每一所述第一焊接金属包层和每一第二焊接金属包层分别焊接在一个所述凹槽内，所述第一感应金属包层和第二感应金属包层向所述硅钢片基体内侧露出。
进一步地，第一焊接金属包层和第二焊接金属包层的厚度为150～250μm，
进一步地，第一感应金属包层和第二感应金属包层的厚度为150～250μm，长度为4～6mm。
进一步地，令温度敏感支光纤光栅的中心波长λ1，磁场敏感支光纤光栅的中心波长λ2，则温度敏感支光纤光栅和磁场敏感支光纤光栅的中心波长变化为：
Δλ1＝Kε1Δε1+KT1ΔT
Δλ2＝Kε2Δε2+KT2ΔT
其中：Kε1为温度敏感支传感应变敏感系数；Kε2为磁场敏感支传感应变敏感系数；KT1为温度敏感支传感温度敏感系数；KT2为磁场敏感支传感温度敏感系数；Δε1和Δε2分别为温度敏感支光纤光栅和磁场敏感支光纤光栅的应变变化；ΔT为温度敏感支与磁场敏感支所在位置温度变化。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明提供了一种基于FBG的嵌入式温度磁场传感器，能在不扰动电机电磁场，不影响电机性能的前提下实时检测电机定子绕组端部的温度大小及磁场强度，反应电机端部区域实际情况，为解决电机漏磁损耗以及绕组短路等故障问题提供相关信息。
2、本发明提出了一种基于FBG的嵌入式温度磁场传感器，将具有金属包层的光纤埋入电机最外层铁芯硅钢片中，一体化的结构设计温度磁场传感器，结构简单、体积小，金属包层通过化学镀及电镀加工工艺形成，便于加工与安装，且不改变电机的装配结构与尺寸。
3、本发明提出了一种基于FBG的嵌入式温度磁场传感器，提供的温度及磁场强度传感器传感原理利用应变及光谱中心波长变化间的关系检测参量，能在多物理场耦合的电机当中使用，不受除温度及磁场以外的其他参量的耦合影响，且传感器的温度敏感支起到电磁场与温度的解耦作用，使磁场检测不受温度影响。
附图说明
图1为电机中嵌入式温度磁场传感器安装示意图；
图2为传感器埋入硅钢片结构简图；
图3为温度敏感支部位硅钢片基体径向截面图；
图4为磁场敏感支部位硅钢片基体径向截面图。
其中：1、温度敏感支；11、第一焊接金属包层；12、第一感应金属包层；13、第一光纤；14、第一光纤光栅；2、磁场敏感支；21、第二焊接金属包层；22、第二感应金属包层；23、第二光纤；24、第二光纤光栅；3、硅钢片基体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
现有技术中，由于电机内部结构紧凑，且在运行过程中涉及高频电磁场能量转换，以及温度场的耦合，普通传感器因体积和电磁干扰不能满足电机温度与磁场的测量条件。本申请提出一种基于FBG的嵌入式电机温度磁场传感器，抗电磁干扰、结构简单、容易嵌入部件形成结构一体化。
一种基于FBG的嵌入式电机温度磁场传感器，参照图1-图4所示，包括硅钢片基体3、温度敏感支1和磁场敏感支2，温度敏感支1和磁场敏感支2相邻设置，多组温度敏感支1和磁场敏感支2呈中心对称分布在两片硅钢片基体3间。
嵌入式与电机定子硅钢片结合，温度敏感支1与磁场敏感支2组合相互解耦，能够同时检测温度与磁场强度。
参照图1、图2和图3所示，温度敏感支1包括第一光纤13、第一焊接金属包层11和第一感应金属包层12，第一光纤13前段镀有第一焊接金属包层11，后段镀有第一感应金属包层12，第一焊接金属包层11通过焊接埋入硅钢片基体3内，第一感应金属包层12设在第一焊接金属包层11一侧，第一感应金属包层12向硅钢片基体3内侧露出，第一光纤13上设有第一光纤光栅14。
参照图1、图2和图4所示，磁场敏感支2包括第二光纤23、第二焊接金属包层21和第二感应金属包层22，第二光纤23前段镀有第二焊接金属包层21，后段镀有第二感应金属包层22，第二焊接金属包层21通过焊接埋入硅钢片基体3内，第二感应金属包层22设在第二焊接金属包层21一侧，第二感应金属包层22向硅钢片基体3内侧露出，第二光纤23上设有第二光纤光栅24。
本传感器为两根带有金属包层的FBG，传感器中的第一光纤13和第二光纤23对电磁场绝缘，第一焊接金属包层11、第一感应金属包层12、第二焊接金属包层21和第二感应金属包层22均厚度较小，涂层长度较短，故带来的涡流损失可以忽略不记，因此不扰动电机电磁场；且本传感器整体体积微小，由于电机定子由几百片硅钢片基体3组成，因此安装传感器所需要切除替换的电机定子最外层硅钢片基体3的部分占电机整个定子硅钢片基体3的百分比不到0.001％，对电机性能的影响可以忽略不记。
具体地，第一焊接金属包层11和第一感应金属包层12厚度为150～250μm，第二焊接金属包层21和第二感应金属包层22厚度为150～250μm，第一感应金属包层12和第二感应金属包层22长度为4-6mm，第一焊接金属包层11和第二焊接金属包层21长度根据硅钢片基体3尺寸决定，约为硅钢片基体3外圆直径减内圆直径。
在电机定子中，硅钢片基体3一片的厚度在0.35mm-0.5mm不等。本发明实施例中，温度敏感支1与磁场敏感支2夹在最外层两片硅钢片基体3中间，第一光纤光栅14和第二光纤光栅24位于硅钢片基体3被切除的槽齿处，切除硅钢片基体的槽齿的齿顶约5mm长度部分。本传感器温度敏感支1与磁场敏感支2埋入硅钢片基体3的部分长度根据硅钢片尺寸决定，温度敏感支1与磁场敏感支2通过超声波焊接固定在硅钢片基体4内。
参照图3所示，第一焊接金属包层11由金属铜制成，且使用化学镀以及电镀技术包覆于第一光纤13表面并通过焊接埋入硅钢片基体3。
参照图3所示，第一感应金属包层12由金属铜制成，且使用化学镀以及电镀技术包覆于第一光纤13表面，第一感应金属包层12内的第一光纤光栅14通过热膨胀效应致使中心波长漂移，进而检测温度变化。
参照图4所示，第二焊接金属包层21由金属铜制成，且使用化学镀以及电镀技术包覆于第二光纤23表面并通过焊接埋入硅钢片基体3。
参照图4所示，第二感应金属包层22由金属镍及其合金制成，且使用化学镀以及电镀技术包覆于第二光纤23表面，第二感应金属包层22内的第二纤光栅通过磁致伸缩效应使中心波长漂移，进而检测磁场强度变化。
第一感应金属包层12铜用于检测温度变化，第二感应金属包层22镍及其合金用于检测磁场强度变化。第一光纤光栅14和第二光纤光栅24随着包层应变的变化而改变透射光波波长，通过波长的变化测得温度以及磁场强度。
参照图2所示，为了不影响电机定子工作，硅钢片基体3切割有多个凹槽，每一温度敏感支1和每一磁场敏感支2分别焊接在一个凹槽内。
一片硅钢片基体3上的多个槽齿被切除，凹槽设在硅钢片基体3被切除的槽齿处，每一第一焊接金属包层11和每一第二焊接金属包层21分别焊接在一个凹槽内，第一感应金属包层12和第二感应金属包层22向硅钢片基体3内侧露出。
在对电机温度和磁场测量的过程中，两支FBG的涂覆层不同，使得它们对温度和应变的敏感程度不同，在求解温度和应变时可以有两个方程组联合求解。
具体地，令温度敏感支1光纤光栅的中心波长λ1，磁场敏感支2光纤光栅的中心波长λ2，则温度敏感支1光纤光栅和磁场敏感支2光纤光栅的中心波长变化为：
Δλ1＝Kε1Δε1+KT1ΔT
Δλ2＝Kε2Δε2+kT2ΔT
其中：Kε1为温度敏感支1传感应变敏感系数；
Kε2为磁场敏感支2传感应变敏感系数；
KT1为温度敏感支1传感温度敏感系数；
KT2为磁场敏感支2传感温度敏感系数；
Δε1和Δε2分别为温度敏感支1光纤光栅和磁场敏感支2光纤光栅的应变变化；
ΔT为温度敏感支1与磁场敏感支2所在位置温度变化。
Kε1和Kε2根据应力应变标定实验求得，KT1和KT2根据温度标定实验求得。
由于温度敏感支1为悬臂梁结构固定，且不受任何应力作用，故其应变变化Δε1为0。磁场敏感支2光纤光栅应变由感应金属及其合金包层在磁场的作用下引起，变化量Δε2与磁场强度间的函数关系根据磁场标定实验求得。
本发明的工作过程为：
如图1所示，将本发明基于FBG的嵌入式温度磁场传感器安装在电机定子最外层硅钢片基体3处，传感器中的焊接埋入最外两层硅钢片之间，传感器感应段位于硅钢片定子齿处，光纤伸出段穿过电机端盖向外部解调设备传输检测光波信号。
温度敏感支1与磁场敏感支2的传感器感应段分别由光纤光栅以及金属包层组成，金属包层采用化学镀及电镀工艺将铜、镍以及镍基合金包覆至光纤光栅表面。温度敏感支1金属包层为铜，其对温度响应敏感，对磁场无响应，当温度发生变化时金属包层沿光纤光栅轴向方向发生形变，带动光纤光栅发生轴向方向的长度变化，从而引起光纤光栅中心波长漂移，通过计算温度与中心波长间的相关关系检测电机绕组端部温度。磁场敏感支2金属包层为镍及其合金，其对磁场强度响应敏感，对温度有响应，当磁场强度或温度发生变化时金属包层沿光纤光栅轴向方向发生形变，带动光纤光栅发生轴向方向的长度变化，从而引起光纤光栅中心波长漂移，通过计算磁场与中心波长间的相关关系，并联合温度敏感支1解耦温度对磁场敏感支2的影响，检测电机绕组端部磁场强度。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于FBG的嵌入式电机温度磁场传感器，其特征在于：包括硅钢片基体、温度敏感支和磁场敏感支，所述温度敏感支和所述磁场敏感支相邻设置，多组所述温度敏感支和磁场敏感支呈中心对称分布在两片所述硅钢片基体间；
所述温度敏感支包括第一光纤、第一焊接金属包层和第一感应金属包层，所述第一光纤前段镀有第一焊接金属包层，后段镀有第一感应金属包层，所述第一焊接金属包层通过焊接埋入所述硅钢片基体内，所述第一感应金属包层设在所述第一焊接金属包层一侧，所述第一感应金属包层向所述硅钢片基体内侧露出，所述第一光纤上设有第一光纤光栅；
所述磁场敏感支包括第二光纤、第二焊接金属包层和第二感应金属包层，所述第二光纤前段镀有第二焊接金属包层，后段镀有第二感应金属包层，所述第二焊接金属包层通过焊接埋入所述硅钢片基体内，所述第二感应金属包层设在所述第二焊接金属包层一侧，所述第二感应金属包层向所述硅钢片基体内侧露出，所述第二光纤上设有第二光纤光栅。
2.根据权利要求1所述的基于FBG的嵌入式电机温度磁场传感器，其特征在于：所述第一焊接金属包层由金属铜制成，且使用化学镀以及电镀技术包覆于所述第一光纤表面并通过焊接埋入硅钢片基体。
3.根据权利要求1所述的基于FBG的嵌入式电机温度磁场传感器，其特征在于：所述第一感应金属包层由金属铜制成，且使用化学镀以及电镀技术包覆于所述第一光纤表面，所述第一感应金属包层内的所述第一光纤光栅通过热膨胀效应致使中心波长漂移，进而检测温度变化。
4.根据权利要求1所述的基于FBG的嵌入式电机温度磁场传感器，其特征在于：所述第二焊接金属包层由金属铜制成，且使用化学镀以及电镀技术包覆于所述第二光纤表面并通过焊接埋入硅钢片基体。
5.根据权利要求1所述的基于FBG的嵌入式电机温度磁场传感器，其特征在于：所述第二感应金属包层由金属镍及其合金制成，且使用化学镀以及电镀技术包覆于所述第二光纤表面，所述第二感应金属包层内的所述第二纤光栅通过磁致伸缩效应使中心波长漂移，进而检测磁场强度变化。
6.根据权利要求1所述的基于FBG的嵌入式电机温度磁场传感器，其特征在于：所述硅钢片基体切割有多个凹槽，每一所述温度敏感支和每一所述磁场敏感支分别焊接在一个所述凹槽内。
7.根据权利要求6所述的基于FBG的嵌入式电机温度磁场传感器，其特征在于：一片所述硅钢片基体上的多个槽齿被切除，所述凹槽设在所述硅钢片基体被切除的槽齿处，每一所述第一焊接金属包层和每一第二焊接金属包层分别焊接在一个所述凹槽内，所述第一感应金属包层和第二感应金属包层向所述硅钢片基体内侧露出。
8.根据权利要求7所述的基于FBG的嵌入式电机温度磁场传感器，其特征在于：第一焊接金属包层和第二焊接金属包层的厚度为150～250μm。
9.根据权利要求7所述的基于FBG的嵌入式电机温度磁场传感器，其特征在于：第一感应金属包层和第二感应金属包层的厚度为150～250μm，长度为4～6mm。
10.根据权利要求1所述的基于FBG的嵌入式电机温度磁场传感器，其特征在于：令温度敏感支光纤光栅的中心波长λ1，磁场敏感支光纤光栅的中心波长λ2，则温度敏感支光纤光栅和磁场敏感支光纤光栅的中心波长变化为：
Δλ1＝Kε1Δε1+KT1ΔT
Δλ2＝Kε2Δε2+KT2ΔT
其中：Kε1为温度敏感支传感应变敏感系数；Kε2为磁场敏感支传感应变敏感系数；KT1为温度敏感支传感温度敏感系数；KT2为磁场敏感支传感温度敏感系数；Δε1和Δε2分别为温度敏感支光纤光栅和磁场敏感支光纤光栅的应变变化；ΔT为温度敏感支与磁场敏感支所在位置温度变化。
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