CN116363852A - 基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测*** - Google Patents
基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于电励磁无铁芯电机结构检测领域，具体涉及了一种基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***，旨在解决现有技术对人工依赖性大、效率低、检测数据准确性低，且构件故障无法自诊断和自修复的问题。本发明包括：待监测电励磁无铁芯电机包括设置有分布式光纤传感器网络的复合材料构件；光源与状态监测模块用于检测***发射光源和接收光源；传导光纤将发射光源转换为光信号并发送至光滑环转子；光滑环转子将光信号通过耦合器发送至光滑环定子；光滑环定子将光信号发送至光纤光栅解调仪进行光信号分析，获得复合材料构件状态。本发明复合材料可以进行故障自诊断和自修复，且分布式感知实现了高精度、高准确性的复合材料构件检测。
Description
技术领域
本发明属于电励磁无铁芯电机结构检测领域，具体涉及了一种基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***。
背景技术
电励磁无铁芯电机是一种新型的脉冲功率电源，是高速旋转的机电能量转换***，转子表面超声速，瞬时电流超过几百千安培，单机存储动能超过几十兆焦耳。不同于用于稳态发电的传统交流发电机，电励磁无铁芯电机利用磁通压缩原理最大化瞬时输出功率，在放电时产生功率密度极高的放电电流脉冲。由于电励磁无铁芯电机在功率密度及能量密度方面相较于其他类型的脉冲电源具有更好的平衡性，因此其具有更为广泛的应用场景，如定向能源***及聚变反应堆等。
作为复杂、造价昂贵的储能设备，在电励磁无铁芯电机的服役过程中，电励磁无铁芯电机内部复合材料构件的结构状态的健康检测意义重大，带有自动化健康检测***的电励磁无铁芯电机可以通过对温度、压力等重要的参数的感知实现电励磁无铁芯电机整体健康状况的实时自动监测。由于目前面向超高速前沿电磁装备储能与脉冲电源***小型化需求，电励磁无铁芯电机转子表面线速度越来越高，储能功率密度越来越大，所以电励磁无铁芯电机的安全、状态、可靠性就显得尤为重要。
在电励磁无铁芯电机复合材料结构运行过程中，结构的运行状态(形状、温度场、应变场等)和损伤情况(位置、严重程度、扩展趋势等)时表征结构健康状况的主要信息。由于电励磁无铁芯电机电磁干扰强、结构比较复杂以及应用环境恶劣，使用传统检测的方法已很难满足需要。
然而，传统的结构检测还存在以下不足：①检测部位有限，例如结构应力检测通常只有有限测点；②使用步骤繁琐，人工劳动量大，工作人员经验不足严重影响检测结果的可靠性；③检测周期需要根据假定存在的缺陷到达临界尺寸的时间进行保守安排；④电磁干扰环境影响了检测数据的可靠性。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术对人工依赖性大、效率低、检测数据准确性低，且构件故障无法自诊断和自修复的问题，本发明提供了一种基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***，所述检测***包括：
待监测电励磁无铁芯电机包括设置有分布式光纤传感器网络的复合材料构件，用于获取检测***发射光源经过待监测电励磁无铁芯电机复合材料构件后生成的接收光源；
光源与状态监测模块，用于检测***发射光源和接收光源；
传导光纤将所述发射光源通过传导光纤网络***转换为光信号，并发送至光滑环转子；
光滑环转子与待监测电励磁无铁芯电机的转子主轴同轴固定，将所述光信号通过耦合器发送至光滑环定子；
光滑环定子将所述光信号发送至光纤光栅解调仪进行光信号分析，获得待监测电励磁无铁芯电机复合材料构件状态。
在一些优选的实施例中，所述复合材料构件包括碳纤维复合材料护套、绕组层构件和碳纤维复合材料飞轮。
在一些优选的实施例中，所述分布式光纤传感器网络包括设定数量和方向的应变传感器以及设定数量和方向的加速度传感器；
所述应变传感器用于检测所述复合材料构件设定方向的应力变化；
所述加速度传感器用于检测所述复合材料构件设定载荷方向的加速度变化。
在一些优选的实施例中，所述分布式光纤传感器网络中的光纤传感器均匀内埋于所述复合材料构件中，预埋的光纤传感器的光纤滑环转子端光纤熔焊为一体，定子端连接至所述光纤光栅解调仪。
在一些优选的实施例中，在待监测电励磁无铁芯电机运行过程中，基于光纤光栅波分/时分复用传感网络技术，通过调整时分复用的时间间隔增加单根光纤上的传感器数量，并通过波分复用将多根光纤并联，获得分布式光纤传感器网络。
在一些优选的实施例中，所述光信号，通过光纤旋转连接器在所述光滑环转子和所述光滑环定子之间以空间对接方式进行双向传输。
在一些优选的实施例中，所述光纤旋转连接器包括转子、实心光锥、定子和波分复用器；
通过所述转子上的多个不同波长光纤准直器与多个光纤接口构成光纤旋转输入端，用于输入所述光信号，所述准直器多路光信号；
定子上的实心光锥分别定位在转子和定子上，所述多路光信号通过所述实心光锥的大端接收，并在所述实心光锥内部传输，通过所述实心光锥的小端输出；
将所述实心光锥的小端输出的多路光信号输入所述波分复用器中，通过所述波分解复用器将不同波长的多路光信号分开，并分别通过定子上的光纤接口输出。
在一些优选的实施例中，所述检测***，其光路传递路径为：
光纤光栅解调仪的光源发射光源；
发射光源经过合束器进行合波后，发送至光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器；
光纤光栅温度、压力传感器通过光纤光栅测量获得与温度信息、压力信息相关的波长信号；
将与温度信息、压力信息相关的波长信号返回至光纤光栅解调仪。
在一些优选的实施例中，所述待监测电励磁无铁芯电机复合材料，其构件状态包括振动结构状态参量、温度结构状态参量、应力结构状态参量和应变结构状态参量的分布式动态检测结果。
在一些优选的实施例中，所述检测***具备自诊断和自修复功能；
当待监测电励磁无铁芯电机复合材料构件损坏时，光纤出现裂缝或断裂，光功率出现损耗，所述检测***通过收集光功率变化数据，并进行数据分析获取复合材料构件损坏所受的外力大小、外力方向、受损位置以及受损程度信息，完成待监测电励磁无铁芯电机复合材料构件的自诊断；
在待监测电励磁无铁芯电机复合材料构件的光纤中设置快速凝固的凝胶，当光纤出现裂缝或断裂，凝胶渗出并填充光纤的裂缝以及构件的损坏处，完成待监测电励磁无铁芯电机复合材料构件的缺陷自修复。
本发明的有益效果：
(1)本发明基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***，传感器网络基于布里渊散射型光纤传感网络构建，可实现电励磁无铁芯电机***运行过程中关键性复合材料构件的电机应变、温度、载荷、振动、压力、扭矩、位移等信息的实时检测。
(2)本发明基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***，结合复合材料自诊断技术和分布式感知技术，依据复合材料构件的应变监测模块、温度监测模块、振动监测模块等所监测的结构信息和故障诊断做出修正处理，帮助电励磁无铁芯电机能够正确、及时、有效恢复正常状态，保证电励磁无铁芯电机正常工作。
(3)本发明基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***，可以克服现有电机结构检测装置抗电磁干扰能力差、人工劳动量大、引线多、寿命不能与机体同寿、控制方法复杂，及现有多通道信号采集仪通信复杂、集成度低的问题。该自动化结构健康检测***不影响电励磁无铁芯电机正常工作，能够在高温环境下工作，且抗电磁干扰，结构稳定。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***的结构示意图；
图2是本发明基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***一种实施例的碳纤维复合材料护套示意图以及对应的光纤光栅传感网络分布***示意图；
图3是本发明基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***一种实施例的绕组层构件示意图以及对应的光纤光栅传感网络分布***示意图；
图4是本发明基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***一种实施例的碳纤维复合材料飞轮示意图以及对应的光纤光栅传感网络分布***示意图；
图5是本发明基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***一种实施例的光纤旋转连接器结构示意图；
图6是本发明基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***一种实施例的复合材料构件在线原位监测模块示意图；
图7是本发明基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***一种实施例的光纤光栅解调仪工作原理示意图；
图8是本发明基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***一种实施例的光纤传感原理示意图；
图9是本发明基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***一种实施例的传统传感器和光纤传感器的***结构对比图；
图10是本发明基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***一种实施例的叠绕组结构以及采用叠绕组结构的绕组层构件示意图；
图11是本发明基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***一种实施例的表面开槽绕组结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明的一种基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***，所述检测***包括：
待监测电励磁无铁芯电机包括设置有分布式光纤传感器网络的复合材料构件，用于获取检测***发射光源经过待监测电励磁无铁芯电机复合材料构件后生成的接收光源；
光源与状态监测模块，用于检测***发射光源和接收光源；
传导光纤将所述发射光源通过传导光纤网络***转换为光信号，并发送至光滑环转子；
光滑环转子与待监测电励磁无铁芯电机的转子主轴同轴固定，将所述光信号通过耦合器发送至光滑环定子；
光滑环定子将所述光信号发送至光纤光栅解调仪进行光信号分析，获得待监测电励磁无铁芯电机复合材料构件状态。
本发明所述的复合材料构件设置于电机中，所述的电机包括但不限于脉冲发电机、航空发电机等。
为了更清晰地对本发明基于光纤传感的电励磁无铁芯电机复合材料构件进行说明，下面结合附图对本发明实施例中各模块展开详述。
本发明第一实施例的基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***，包括待监测电励磁无铁芯电机、光源与状态监测模块、传导光纤、光滑环和光纤光栅解调仪，各模块详细描述如下：
待监测电励磁无铁芯电机包括设置有分布式光纤传感器网络的复合材料构件，用于获取检测***发射光源经过待监测电励磁无铁芯电机复合材料构件后生成的接收光源。
如图1所示，为本发明基于光纤传感的电机复合材料构件原位检测***的结构示意图，其中的传感器网络基于布里渊散射型光纤传感网络构建，可实现待监测电励磁无铁芯电机***运行过程中关键性复合材料构件的电机应变、温度、载荷、振动、压力、扭矩、位移等信息的实时检测。本发明的优势在于复合材料自诊断技术和分布式感知，依据复合材料构件的应变监测模块、温度监测模块、振动监测模块等所监测的结构信息和故障诊断做出修正处理，帮助待监测电励磁无铁芯电机能够正确、及时、有效恢复正常状态，保证待监测电励磁无铁芯电机正常工作。
如图1所示，本发明通过在待监测电励磁无铁芯电机关键复合材料结构中部署传感器，构建用于脉冲电机复合材料结构监测的传感器网络，实现对结构损伤、疲劳、冲击等工况的实时监测；利用数据处理***对采集到的数据进行分析处理，实现对脉冲电机复合材料结构载荷及振动数据显示和结构健康状态的评估。该监测***实现飞在着陆过程中对脉冲电机复合材料结构完整性、受力变形情况进行实时监测，并进行结构损伤判断，脉冲电机复合材料结构材料件是否达到使用极限，以此达到确保待监测电励磁无铁芯电机运行状态安全的目的。
所述复合材料构件包括碳纤维复合材料护套、绕组层构件和碳纤维复合材料飞轮，如图2、图3和图4所示，分别为本发明基于光纤传感的电机复合材料构件原位检测***一种实施例的碳纤维复合材料护套、绕组层构件和碳纤维复合材料飞轮示意图，图2的左图为碳纤维复合材料护套的骨架示意，图2的右图为碳纤维复合材料护套内光纤光栅传感网络分布***示意图，图3的左图为绕组层构件的骨架示意，图3的右图为绕组层构件内光纤光栅传感网络分布***示意图，可以看出，绕组层构件环绕设置于碳纤维复合材料护套的内层，图4的左图为碳纤维复合材料飞轮的骨架示意，图4的右图为碳纤维复合材料飞轮内光纤光栅传感网络分布***示意图，可以看出，碳纤维复合材料飞轮环绕设置于绕组层构件的内层，即碳纤维复合材料飞轮、绕组层构件和碳纤维复合材料护套，沿电励磁无铁芯电机的转动轴从内至外层层环绕设置。
绕组层构件的绕组网络的布置有两种方法：叠绕组结构和表面开槽绕组结构。
对于叠绕组结构，由于工艺可以采用缠绕方式进行制备，所以可以按照径向叠加方向埋设光纤传感网络，如图10所示，为本发明基于光纤传感的电机复合材料构件原位检测***一种实施例的叠绕组结构以及采用叠绕组结构的绕组层构件示意图，图10左图为叠绕组结构的示意图，图10右图为采用叠绕组结构的绕组层构件示意图。
对于金属线绕组的同心式绕组，可以采用表面开槽方式进行铺设光纤传感网络，如图11所示，为本发明基于光纤传感的电机复合材料构件原位检测***一种实施例的表面开槽绕组结构示意图，可以看出传导光纤外侧的扁导线与包裹层的位置关系。
所述分布式光纤传感器网络中的光纤传感器均匀内埋于所述复合材料构件中，预埋的光纤传感器的光纤滑环转子端光纤熔焊为一体，定子端连接至所述光纤光栅解调仪。
所述检测***具备自诊断和自修复功能：
当待监测电励磁无铁芯电机复合材料构件损坏时，光纤出现裂缝或断裂，光功率出现损耗，所述检测***通过收集光功率变化数据，并进行数据分析获取复合材料构件损坏所受的外力大小、外力方向、受损位置以及受损程度信息，完成待监测电励磁无铁芯电机复合材料构件的自诊断。
在传导光纤内埋工艺阶段，本发明通过光纤自诊断技术，将空心光纤植入以上复合材料构件中，当构件受到外力的挤压而遭到损坏时，光纤会出现裂缝甚至断裂，光功率出现损耗，通过收集光功率变化数据，经分析后得到复合材料构件损坏所受到外力大小、外力方向、受损位置、受损程度等信息。
光功率变化数据分析方法包括损伤匹配法、应力-应变法、声发射法和剪断法等等，在应用中可以根据需要选择相应的方法，本发明在此不一一详述。
在待监测电励磁无铁芯电机复合材料构件的光纤中设置快速凝固的凝胶，当光纤出现裂缝或断裂，凝胶渗出并填充光纤的裂缝以及构件的损坏处，完成待监测电励磁无铁芯电机复合材料构件的缺陷自修复。
由于光纤内部呈中空状，将能快速凝固的凝胶注入光纤内，一旦光纤破损，凝胶漏出即可迅速填充构件的缝隙，修复构件缺陷。光纤传感器植入复合材料之后，不仅可以监测构件的缺陷，还可以对构件进行修复，是复合材料自诊断传感器中最具有研发潜力的传感器之一。
所述分布式光纤传感器网络包括设定数量和方向的应变传感器以及设定数量和方向的加速度传感器：
所述应变传感器用于检测所述复合材料构件设定方向的应力变化；
所述加速度传感器用于检测所述复合材料构件设定载荷方向的加速度变化。
分布式感知通过波分复用、时分复用、空分复用、频分复用及相干复用等多路复用技术，以及上述技术的混合使用，能够组建分布式传感网络。波分复用技术利用光栅反射波长的不同实现测点的定位，受光源的光谱带宽限制，多路复用的数量有限。时分复用技术利用光栅反射波在时间上的间隔，可以实现成千上万个弱光栅的多路复用。空分复用利用空间的分离实现多个测点的复用，但解调装置复杂，测点数量受限。频分复用通过调制频率来定位不同的测点，随着测点数量的增多，***功率的利用率会降低，采样频率也随之下降。单独的复用技术难以发挥光纤光栅传感器大规模组网的能力，将多种复用技术相结合，能够充分发挥各类复用技术的优势，极大提高光纤光栅传感网络的容量，降低传感***成本。
光纤传感器是一种通过传光特性的检测来感测外部环境变化的一种装置，如图8所示，为本发明基于光纤传感的电机复合材料构件原位检测***一种实施例的光纤传感原理示意图，光纤传感器的工作原理是将光源入射的光束(入射光特征参数：振幅、偏振态、相位、频率等)经由光纤送入调制器，在调制器内与外界被测参数(外界因素：温度、压力、应变、磁场等)的相互作用，使光的光学性质发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件，经解调器解调后获得被测参数。
如图9所示，为本发明基于光纤传感的电机复合材料构件原位检测***一种实施例的传统传感器和光纤传感器的***结构对比图，图9的上图为传统传感器的***结构图，传感器置于测试场中，通过导线连接电源，信号通过导线传递给信号接收端，信号接收端将信号传递给信号处理端，信号处理端进行信号处理后，发送显示端进行结果显示；图9的下图为光纤传感器的***结构图，传感器同样置于测试场中，通过光纤连接电源，信号通过光纤传递给光电检测端，光电检测端将信号传递给信号处理端，信号处理端进行信号处理后，发送显示端进行结果显示。
基于传统传感器和光纤传感器的区别，本发明的优势鲜明，光纤传感器具有灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰的优势，可实现不带电的全光型探头，动态范围大、体积小、质量轻、耗能少，并且为非侵入性的传感器，易于实现***的遥测和控制等，进而可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等恶劣环境。具体表现如下：
(1)不受电磁场的干扰。这是光纤传感器要优于传统传感器的特性之一。光纤传感器的电绝缘性使得传感探头不会出现短路或其他用电安全问题。由于光纤传感器不吸收电磁辐射,所以辐射不会出现读数混乱现象。
(2)传感器的小型化、体积尺寸小、安全。大部分的光纤传感器的测头产生光信号或由光纤传导激励光，因无须电源，在恶劣的环境下不会产生电火花等引起安全问题。这使得光纤传感器在极端环境的应用更具吸引力，特别适用于易燃易爆的高危险场合。
(3)光纤元件本身既是探测元件又是传输元件，具有遥测功能。传感器的这一特性使得被测物体可以离传感器有一定的距离。实现大范围的测量、标定的简化，获得令人满意的精度等。
(4)传统检测方法中人工安置传感器步骤十分繁琐，人工操作既不能保证工作的一致性和稳定性，又不具备准确判断、灵巧操作，并赋以较大作用力的特性，所以实验数据常因为技术操作不当等原因出现偏差，造成误判，而光纤传感网络可在工艺过程中预埋入待测复合材料构件中，减少了传统检测中需要人工操作的步骤，大大的提高了数据的准确性。
待监测电励磁无铁芯电机光纤分布式在线监测***技术具有本征防爆与抗电磁干扰的特性，本发明将光纤光栅应变传感器和光纤光栅加速度传感器串联在一起进行组网。
在待监测电励磁无铁芯电机运行过程中，通过光纤光栅波分/时分复用传感网络技术，通过时分复用设置的时间间隔τ可以增加单根光纤上的传感器数量，再采用波分复用将多根光纤并联进统一的大型传感网络，在发射端的使用过程中，波分复用器分析得出所有信息中的不同波长光载波信号，通过复用器来耦合不同的光载波信号，运用波分复合器、收光机，对所收集到的信息数据进行有效分析。***光路中，光纤光栅解调仪光源出射的光讲过合束器进行合波后进入光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器，光纤光栅温度、压力传感器通过光纤光栅测量获得于温度、压力(深度)信息相关的波长信号并将其返回至光纤光栅解调仪。
本发明可以克服现有电机结构检测装置抗电磁干扰能力差、人工劳动量大、引线多、寿命不能与机体同寿、控制方法复杂，及现有多通道信号采集仪通信复杂、集成度低的问题。该自动化结构健康检测***不影响待监测电励磁无铁芯电机正常工作，能够在高温环境下工作，且抗电磁干扰，结构稳定。
在待监测电励磁无铁芯电机运行过程中，基于光纤光栅波分/时分复用传感网络技术，通过调整时分复用的时间间隔增加单根光纤上的传感器数量，并通过波分复用将多根光纤并联，获得分布式光纤传感器网络。
即本发明待监测电励磁无铁芯电机结构状态信息的获取不通过传统电学传感器技术(如电阻应变片测量技术或频率响应技术等)，而采用不易受电磁干扰影响、控制方法简单且可实现传感器微型化、可将传感器植入到被测机械件内部进行直接测量满足现实需求的分布式光纤传感技术。所述传导光纤在生产环节以环形均匀布置于复合材料飞轮护套层中，整机装配时布置在转轴上开的传感器装配腔内，光纤耦合器布置在转轴和轴承外部，光纤传感***还包括通过传导光纤与光纤传感器相连的转轴光传感信号耦合装置，通过传导光纤与光纤耦合器相连的轴承光传感信号耦合装置；转轴运行过程中，转轴光传感信号耦合装置与轴承光传感信号耦合装置之间通过信号耦合方式实现光传感信号传输。
不同于现有无损检测技术线缆量大、检测速度慢，无法适应实时数据采集要求的问题，本发明在待监测电励磁无铁芯电机服役过程中，通过分析经光纤传感调制后的光信号特征(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)的变化来获取被测参数(应变、温度、振动等)。基于光纤传感器开发了待监测电励磁无铁芯电机复合材料结构在线感知技术，本发明可通过对待监测电励磁无铁芯电机复合材料构件的运行状态多参量监测，实现在电磁、热、应力等多场耦合恶劣环境中对结构内部健康状况及剩余寿命的预测，例如将光纤光栅与非本征光纤法布里珀罗干涉仪串联，实现碳纤维复合材料结构温度和应变的同时测量，也可以通过一线多点的分布式FBG传感器获取在待监测电励磁无铁芯电机在励磁、放电等运行过程中的应变响应图，以此反映待监测电励磁无铁芯电机复合材料结构在服役状态下的应变响应，并以此来反映复合材料构件的疲劳损伤程度。光纤传感的无源、分布式、实时动态数据采集以及对恶劣环境的适应性、复杂结构的易匹配性等可为待监测电励磁无铁芯电机结构状态的整体和深度精准感知提供强有力的技术支持。
在待监测电励磁无铁芯电机的分布式多物理量光纤复合传感器***中，光纤光栅温度传感器、光纤光栅压力传感器分别用于复合材料构件温度、深度测量；光纤光栅解调仪用于光纤光栅温度、压力传感器信号解调。
光源与状态监测模块，用于检测***发射光源和接收光源。
传导光纤将所述发射光源通过传导光纤网络***转换为光信号，并发送至光滑环转子。
光滑环转子与待监测电励磁无铁芯电机的转子主轴同轴固定，将所述光信号通过耦合器发送至光滑环定子。
光滑环定子将所述光信号发送至光纤光栅解调仪进行光信号分析，获得待监测电励磁无铁芯电机复合材料构件状态。
所述待监测电励磁无铁芯电机复合材料，其构件状态包括振动结构状态参量、温度结构状态参量、应力结构状态参量和应变结构状态参量的分布式动态检测结果。
所述光信号，通过光纤旋转连接器在所述光滑环转子和所述光滑环定子之间以空间对接方式进行双向传输。
光纤光栅应变传感器和光纤光栅加速度传感器于工艺环节中环形均匀内埋于复合材料护套层中，并将预埋的光纤传感器于光纤滑环转子端光纤熔焊为一体，将定子端连接光纤解调仪，同时监测各个方向的应力变化和三个载荷方向的加速度变化，如图1所示，通过光纤旋转连接器，光信号可以在转子和定子之间通过空间对接方式进行双向传输，完成旋转状态下的信号传输，并保证传输光信号的连续性、稳定性和实时性，进行包括构件振动、温度、应力、应变等多种结构状态参量的分布式动态检测。
基于实心光锥的光纤旋转连接器，可实现多个不同波长光信号的旋转式连接，如图5所示为本发明基于光纤传感的电机复合材料构件原位检测***一种实施例的光纤旋转连接器结构示意图，光纤旋转连接器包括转子、实心光锥、定子和波分复用器：
通过所述转子上的多个不同波长光纤准直器与多个光纤接口构成光纤旋转输入端，用于输入所述光信号，所述准直器多路光信号；
定子上的实心光锥分别定位在转子和定子上，所述多路光信号通过所述实心光锥的大端接收，并在所述实心光锥内部传输，通过所述实心光锥的小端输出；
将所述实心光锥的小端输出的多路光信号输入所述波分复用器中，通过所述波分解复用器将不同波长的多路光信号分开，并分别通过定子上的光纤接口输出。
上述光纤旋转连接器的工作原理：基于光波导传输理论，光束能够在一定折射率的光波导内进行传输。由转子、实心光锥、定子、波分复用器和多个不同波长光纤准直器构成的光纤旋转连接器，能符合上述光波导传输的要求。该装置由转子上的多个不同波长光纤准直器与多个光纤接口构成光纤旋转输入端，定子上的实心光锥分别定位在转子和定子上，准直器输出的多路光信号被实心光锥的大端接收，且在实心光锥内部传输，并通过实心光锥的小端输出，然后送入波分复用器中。波分解复用器将不同波长的多路光信号分开，最后通过定子上的光纤接口输出。
分布式光纤传感***是同时利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质，利用光波在光纤中传输的特性，可沿光纤长度方向连续的传感被测量(如温度、压力、应力和应变等)，包括基于后向瑞利散射、拉曼效应、布里渊效应等多种不同原理的***。优点在于可在很大的空间范围内连续地进行传感，传感部分结构简单、使用方便，同时信息获取成本大大降低，性价比高。采用分布式传感器不需要对光纤进行刻蚀，在全程范围内具有感知功能，随着空间分辨率和采样速率的提升，在结构应变场、温度场、结构损伤的监测中具有重要应用价值。光纤传感器是复合材料结构健康监测最有潜力的传感器，具有质量轻、尺寸小(类似头发丝)、长寿命、高可靠性等优点，可安装或内埋于材料结构中，与复合材料实现完美匹配。分布式光纤侧重连续应变场的监测，光纤光栅侧重对复杂部件关键应力点的监测，两者互补。
如图6所示，为本发明基于光纤传感的电机复合材料构件原位检测***一种实施例的复合材料构件在线原位监测模块示意图，光纤光栅传导网络接收光源，并通过多通道光滑环将光信号传递至光纤光栅解调仪，然后通过以太网将数据传递至极端及数据处理模块的在线监测模块，由在线监测模块对应力、温度和结构损伤进行在线监测。
所述检测***，其光路传递路径为：
光纤光栅解调仪的光源发射光源；
发射光源经过合束器进行合波后，发送至光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器；
光纤光栅温度、压力传感器通过光纤光栅测量获得与温度信息、压力信息相关的波长信号；
将与温度信息、压力信息相关的波长信号返回至光纤光栅解调仪。
如图7所示，为本发明基于光纤传感的电机复合材料构件原位检测***一种实施例的光纤光栅解调仪工作原理示意图，光纤环形器接收宽谱光源后，通过光子集成色散解复用模块进行复用，再经过光电转换和滤波与放大后，通过多路模块进行转换，最终由数字信号处理模块进行波长解算。
需要说明的是，上述实施例提供的基于光纤传感的电机复合材料构件原位检测***，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块的名称，仅仅是为了区分各个模块，不视为对本发明的不当限定。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***，其特征在于，所述检测***包括：
待监测电励磁无铁芯电机包括设置有分布式光纤传感器网络的复合材料构件，用于获取检测***发射光源经过待监测电励磁无铁芯电机复合材料构件后生成的接收光源；
光源与状态监测模块，用于检测***发射光源和接收光源；
传导光纤将所述发射光源通过传导光纤网络***转换为光信号，并发送至光滑环转子；
光滑环转子与待监测电励磁无铁芯电机的转子主轴同轴固定，将所述光信号通过耦合器发送至光滑环定子；
光滑环定子将所述光信号发送至光纤光栅解调仪进行光信号分析，获得待监测电励磁无铁芯电机复合材料构件状态。
2.根据权利要求1所述的基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***，其特征在于，所述复合材料构件包括碳纤维复合材料护套、绕组层构件和碳纤维复合材料飞轮。
3.根据权利要求1或2所述的基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***，其特征在于，所述分布式光纤传感器网络包括设定数量和方向的应变传感器以及设定数量和方向的加速度传感器；
所述应变传感器用于检测所述复合材料构件设定方向的应力变化；
所述加速度传感器用于检测所述复合材料构件设定载荷方向的加速度变化。
4.根据权利要求3所述的基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***，其特征在于，所述分布式光纤传感器网络中的光纤传感器均匀内埋于所述复合材料构件中，预埋的光纤传感器的光纤滑环转子端光纤熔焊为一体，定子端连接至所述光纤光栅解调仪。
5.根据权利要求4所述的基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***，其特征在于，在待监测电励磁无铁芯电机运行过程中，基于光纤光栅波分/时分复用传感网络技术，通过调整时分复用的时间间隔增加单根光纤上的传感器数量，并通过波分复用将多根光纤并联，获得分布式光纤传感器网络。
6.根据权利要求1所述的基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***，其特征在于，所述光信号，通过光纤旋转连接器在所述光滑环转子和所述光滑环定子之间以空间对接方式进行双向传输。
7.根据权利要求6所述的基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***，其特征在于，所述光纤旋转连接器包括转子、实心光锥、定子和波分复用器；
通过所述转子上的多个不同波长光纤准直器与多个光纤接口构成光纤旋转输入端，用于输入所述光信号，所述准直器多路光信号；
定子上的实心光锥分别定位在转子和定子上，所述多路光信号通过所述实心光锥的大端接收，并在所述实心光锥内部传输，通过所述实心光锥的小端输出；
将所述实心光锥的小端输出的多路光信号输入所述波分复用器中，通过所述波分解复用器将不同波长的多路光信号分开，并分别通过定子上的光纤接口输出。
8.根据权利要求1所述的基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***，其特征在于，所述检测***，其光路传递路径为：
光纤光栅解调仪的光源发射光源；
发射光源经过合束器进行合波后，发送至光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器；
光纤光栅温度、压力传感器通过光纤光栅测量获得与温度信息、压力信息相关的波长信号；
将与温度信息、压力信息相关的波长信号返回至光纤光栅解调仪。
9.根据权利要求1所述的基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***，其特征在于，所述待监测电励磁无铁芯电机复合材料，其构件状态包括振动结构状态参量、温度结构状态参量、应力结构状态参量和应变结构状态参量的分布式动态检测结果。
10.根据权利要求1所述的基于光纤传感的电机复合材料构件原位监测***，其特征在于，所述检测***具备自诊断和自修复功能；
当待监测电励磁无铁芯电机复合材料构件损坏时，光纤出现裂缝或断裂，光功率出现损耗，所述检测***通过收集光功率变化数据，并进行数据分析获取复合材料构件损坏所受的外力大小、外力方向、受损位置以及受损程度信息，完成待监测电励磁无铁芯电机复合材料构件的自诊断；
在待监测电励磁无铁芯电机复合材料构件的光纤中设置快速凝固的凝胶，当光纤出现裂缝或断裂，凝胶渗出并填充光纤的裂缝以及构件的损坏处，完成待监测电励磁无铁芯电机复合材料构件的缺陷自修复。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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