一种基于分布式光纤传感的电磁阀绕组测温系统及方法与流程

本发明涉及电磁元件温度测量技术领域，尤其涉及一种基于分布式光纤传感的电磁阀绕组测温系统及方法。

背景技术：

电磁阀可以配合各种控制系统来实现预期的自动化操作，作为自动电磁执行元件广泛应用在汽车自动变速器、机械加工、航空航天等领域。电磁阀在运行过程中由于过热导致绝缘层烧毁造成的短路和热膨胀造成的机械变形是电磁阀失效的主要原因，电磁阀绕组作为电磁热源，其温度往往高于其他组件，因此，测量和监控电磁阀绕组温度是保证整个自动系统可靠运行的重要因素。

目前国内外针对电磁阀内部的小型绕组温度测试主要有：通过测量绕组阻值然后根据铜线的线性电阻率曲线反求温度，此方法采样率低，无法实现实时、连续的测量，且只能获取平均温度值，无法进行绕组温度的多点测量；通过测量电磁阀外壳来间接反映绕组温度，此方法测量误差较大；通过预埋热电偶来测量绕组温度，但热电偶的相对尺寸过大会破坏电磁阀线圈绕组的结构同时在电磁环境下热电偶金属端部会由于涡流效应产生较大的测量误差。

近年来分布式光纤传感技术发展迅速，具有尺寸结构小、柔性大、抗电磁干扰、使用寿命长等优点。分布式光纤传感目前主要分为基于光时域散射原理与光频域散射原理两个技术领域。根据各自性能参数的特点应用于不同的测试测量领域。两者均是通过测量光纤中瑞利、拉曼或布里渊散射光来实现温度、应变、损耗等测量。光纤传感已经广泛应用于电力检测领域变压器等电力设备的大型绕组温度测量上。但对于电磁阀和诸如此类的自动电磁元件，与变压器绕组光纤测温存在本质区别：电磁阀绕组的尺寸和线径远小于变压器绕组，为在测温过程中不破坏电磁阀绕组的原有结构，传感光纤不能再额外用套管保护，更容易发生光纤折断等问题；此外，传感光纤在如此小而紧密的绕组空间内不可避免的会与漆包线接触，绕组的热膨胀带来的应力应变也成为测温过程中的干扰物理量。已有技术没有针对上述问题提供可行的解决方法。电磁阀绕组虽为均匀发热体，但绕组底层由于贴合线圈骨架，散热条件略有不同，现有技术方案很难得到绕组空间上更准确的温度分布，也无法将底层绕组温度与其余部分的差异也应通过测量体现出来。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于分布式光纤传感的电磁阀绕组测温系统及方法，用以解决现有电磁阀绕组温度测量误差大、测温方式对原有电磁阀绕组影响较大、无法获得电磁阀绕组连续性温度分布信息的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种基于分布式光纤传感的电磁阀绕组测温系统，所述测温系统包括与待测电磁阀绕组分布式接触设置的测温光纤、光纤传感解调仪、接收显示装置；其中：

所述与待测电磁阀绕组分布式接触设置的测温光纤，用于感知待测电磁阀绕组的温度；

所述光纤传感解调仪，与所述测温光纤连接，用于解调光信号得到所述电磁阀绕组温度；

所述接收显示装置，与所述光纤传感解调仪连接，用于接收并显示所述电磁阀绕组的温度。

本发明有益效果如下：本实施例提供的基于分布式光纤传感的电磁阀绕组测温系统，利用光纤传感解调仪测得与待测电磁阀绕组分布式接触设置的测温光纤的光信号调节曲线，进而得到电磁阀绕组的温度分布情况，测温方式对电磁阀绕组的原有结构影响较小，测量误差小。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步，所述与待测电磁阀绕组分布式接触设置的测温光纤包括轴向光纤和绕制在多层绕组内部的周向光纤；

在绕组骨架外表面设置有轴向贯通的矩形凹槽，

所述轴向光纤敷设在所述矩形凹槽中，敷设后的光纤表面与最内侧绕组内表面接触；

所述绕组骨架上绕制有多层绕组，所述周向光纤设置于任意两层绕组之间，所述周向光纤的外表面分别与两侧的绕组接触。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过在电磁阀绕组内部的多个位置设置测温光纤，能够更加准切地表征电磁阀绕组的温度分布。

进一步，所述轴向光纤为特种聚酯涂覆的单模裸光纤。

采用上述进一步方案的有益效果是：敷设在靠近绕组底层的骨架矩形凹槽内的测温光纤选用单模光纤，成本低，传输容量大

进一步，所述周向光纤为特种聚酯涂覆的多模裸光纤。

采用上述进一步方案的有益效果是：绕曲在绕组内部的测温光纤选用弯曲不敏感多模光纤，可有效降低弯曲损耗，满足工作环境温度要求。

进一步，所述光纤传感解调仪包括基于瑞利光频域反射的光纤传感解调仪，用于测量与所述轴向光纤接触的最内层电磁阀绕组底部的多点温度。

进一步，所述光纤传感解调仪还包括基于拉曼光时域反射的光纤传感解调仪，用于测量所述电磁阀绕组内部的多点温度。

在本发明的另一实施例中，提供了一种基于分布式光纤传感的电磁阀绕组测温方法，所述方法利用上述的测温系统实现，步骤如下：

分布式设置与电磁阀绕组接触的测温光纤；

将分布式设置有测温光纤的绕组封装在电磁阀内；

将光纤传感解调仪与所述电磁阀引出的测温光纤连接，并将所述光纤传感解调器与接收显示装置连接；

启动所述光纤传感解调仪和所述接收显示装置，利用所述光纤传感解调仪向所述电磁阀引出的测温光纤发射信号，所述光纤传感解调仪接收并处理所述测温光纤反馈的光信号，得到电磁阀绕组温度信号，并将所述电磁阀绕组温度信号发送至接收显示装置，由接收显示装置显示。

本发明有益效果如下：本实施例提供的基于分布式光纤传感的电磁阀绕组测温方法，利用光纤传感解调仪测得与待测电磁阀绕组分布式接触设置的测温光纤的光信号调节曲线，进而得到电磁阀绕组的温度分布情况，测温方式对电磁阀绕组的原有结构影响较小，测量误差小。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步，所述光纤传感解调仪包括基于瑞利光频域反射的光纤传感解调仪，用于测量与所述轴向光纤接触的最内层电磁阀绕组底部的多点温度。

进一步，所述光纤传感解调仪还包括基于拉曼光时域反射的光纤传感解调仪，用于测量所述电磁阀绕组内部的多点温度。

进一步，所述测温光纤的一端通过熔融方式连接到相应的光纤传感解调仪，另一端均手工盘绕一圈浸入匹配液中。

采用上述进一步方案的有益效果是：有效消除镜面反射对测量结果的影响。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中基于分布式光纤传感的电磁阀绕组测温系统；

图2为本发明实施例中测温光纤在绕组内部位置布置示意图；

图3为本发明实施例中测温光纤绕组封装进被测电磁阀结构示意图；

图4为本发明实施例中基于分布式光纤传感的电磁阀绕组测温方法。

附图标记：

1-电磁阀；2-多模裸光纤；3-单模裸光纤；4-匹配液；5-基于拉曼光时域反射的光纤传感解调仪；6-基于瑞利光频域反射的光纤传感解调仪；7-接收显示装置；8-光纤引出槽；9-测温光纤左极限位置；10-测温光纤右极限位置；11-漆包线；12-绕组骨架；13-绕组；14-电磁阀外壳。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种基于分布式光纤传感的电磁阀绕组测温系统，如图1所示，所述测温系统包括：与待测电磁阀(1)绕组分布式接触设置的测温光纤、光纤传感解调仪、接收显示装置(7)；其中：

所述与待测电磁阀绕组分布式接触设置的测温光纤，用于感知待测电磁阀绕组的温度；

所述光纤传感解调仪，与所述测温光纤连接，用于解调光信号得到所述电磁阀绕组温度；

所述接收显示装置，与所述光纤传感解调仪连接，用于接收并显示所述电磁阀绕组温度。

实施时，将光纤传感解调仪通过熔接方式与测温光纤连接，同时将光纤传感解调仪与接收显示装置连接，由光纤传感解调仪向测温光纤发射信号，同时接收并处理测温光纤反馈的光信号，得到电磁阀绕组温度信号，并将所述电磁阀绕组温度信号发送至接收显示装置，由接收显示装置显示。

与现有技术相比，本实施例提供的基于分布式光纤传感的电磁阀绕组测温装置，利用光纤传感解调仪测得与待测电磁阀绕组分布式接触设置的测温光纤的光信号调节曲线，进而得到电磁阀绕组的温度分布情况，测温方式对电磁阀绕组的原有结构影响较小，测量误差小。

为了更加准确地表征电磁阀绕组的温度分布，与待测电磁阀绕组分布式接触设置的测温光纤包括轴向光纤和绕制在多层绕组内部的周向光纤；

在绕组骨架(12)外表面设置有轴向贯通的矩形凹槽，所述矩形凹槽的尺寸为所述测温光纤直径的1.1-1.2倍；

所述轴向光纤敷设在所述矩形凹槽中，敷设后的光纤表面与最内侧绕组内表面接触；

所述绕组骨架上绕制有多层绕组(13)，所述周向光纤设置于任意两层绕组之间，所述周向光纤的外表面分别与两侧的绕组接触。

所述测温光纤两端各留有长度为30-50cm的余量。

所述的被测电磁阀绕组为漆包线(11)，漆包线线径小于0.5mm，绕组直径不超过50mm，高度不超过35mm的小型线圈绕组。

优选地，所述轴向光纤为特种聚酯涂覆的单模裸光纤(3)；所述周向光纤为特种聚酯涂覆的多模裸光纤(2)。

敷设在靠近绕组底层的骨架矩形凹槽内的轴向测温光纤选用单模光纤，成本低，传输容量大；绕曲在绕组内部的周向测温光纤选用弯曲不敏感多模光纤，可有效降低弯曲损耗，筛选张力100kpsi。两种测温光纤均采用特种聚酯涂层，满足工作环境温度要求，涂层直径245±10μm。

将单模裸光纤敷设于矩形凹槽后，两端各留有长度为30-50cm的光纤余量；当通过所述自动绕线机绕制完成一层多模裸光纤后，为有效避免后续绕组绕制时压断进出口处光纤，将该多模裸光纤通过该光纤引出槽(8)引出，两端各留有长度为30-50cm的光纤余量。

在电磁阀外壳(14)上下表面分别设置有与矩形凹槽同轴的通孔，用于引出矩形凹槽内的单模裸光纤；在电磁阀外壳侧面同样设置分别与骨架上下端同一高度的通孔，用于引出在电磁阀绕组上绕制一层的多模裸光纤的两端，以上通孔直径均为2-3mm，。

如图2为测温光纤在绕组内布置位置示意图。从图2可以看出骨架表面具有轴向矩形凹槽，本实施例选取的矩形凹槽尺寸为0.3mm*0.3mm，矩形凹槽的尺寸略大于放置其中的单模光纤的直径，在图2中示出了测温光纤左极限位置(9)和测温光纤右极限位置(10)。具有此结构的骨架普通加工方法加工困难、成本过高。故采用sla增材制造技术一次成型，得到的骨架表面细腻，精度高。

将所选单模裸光纤敷设于矩形凹槽内，用胶水固定两端防止轴向窜动。如图2所示，略大于光纤涂层直径的矩形凹槽，既使测温光纤处于自由态、有效消除应力影响，同时能够尽可能减小热通量对测量结果的影响。

本发明可利用人工控制绕线拉力的自动绕线机完成绕组绕制，中途紧密绕制一层多模裸光纤，绕纤拉力应小于多模光纤筛选张力，以防止多模裸光纤发生断裂，光纤通过渐进式光纤引出槽引出可有效避免后续绕组绕制时压断进出口处光纤。采用机器绕曲的布置方法可大大增加测温光纤传感长度，弥补对应解调设备空间分辨率低，测量点少的缺点。

绕组绕制完成后，用脱胶剂解除单模裸光纤其中一端的固定，防止测温光纤受热膨胀带来的应力影响。如图3所示，将设置好的测温光纤的绕组封装在电磁阀内。

按照上述方式布置的电磁阀绕组，能够保证采集到的电磁阀绕组温度更加准确地表征电磁阀绕组的温度分布，底层绕组温度与内部绕组温度的差异也可以通过测量体现出来。

优选地，所述光纤传感解调仪包括基于瑞利光频域反射的光纤传感解调仪(6)，用于测量与所述轴向光纤接触的最内层电磁阀绕组底部的多点温度；所述光纤传感解调仪还包括基于拉曼光时域反射的光纤传感解调仪(5)，用于测量所述电磁阀绕组内部的多点温度。

基于光频域反射技术的光纤传感解调仪是超高精度光纤传感设备，通过内置激光器将线性扫频光发射到测温光纤中，光纤中的瑞利散射反射光返回与参考光发生拍频干涉。现有技术空间分辨率小于1mm，传感精度±0.2℃，想要精确显示电磁阀绕组温度分布，该类型设备和光频域反射技术作为优先级首选，但绕组内部存在的热膨胀导致测温光纤受不均匀挤压，返回的瑞利散射光信号存在干扰物理量无法消除，故应用于绕组底层温度测量。

所述的基于光时域反射技术的光纤传感解调仪，是利用反斯托克斯光强与斯托克斯光强的特性，经波分复用器和光电检测器采集带有温度信息的背向拉曼散射光信号，经信号处理可以解调出实时的温度信息。现有技术空间分辨率大于0.1m，传感精度≤±1℃，但是由于返回光信号只受温度影响，故可以深入绕组内部进行测量。

在本发明的另一具体实施例中，提供了一种基于分布式光纤传感的电磁阀绕组测温方法，所述方法利用上述实施例所述的测温系统实现，如图4所示，步骤如下：

步骤s1：分布式设置与电磁阀绕组接触的测温光纤；

步骤s2：将分布式设置有测温光纤的绕组封装在电磁阀内；

步骤s3：将光纤传感解调仪与所述电磁阀引出的测温光纤连接，并将所述光纤传感解调器与接收显示装置连接；

步骤s4：启动所述光纤传感解调仪和所述接收显示装置，利用所述光纤传感解调仪向所述电磁阀引出的测温光纤发射信号，所述光纤传感解调仪接收并处理所述测温光纤反馈的光信号，得到电磁阀绕组温度信号，并将所述电磁阀绕组温度信号发送至接收显示装置，由接收显示装置显示。

优选地，所述光纤传感解调仪包括基于瑞利光频域反射的光纤传感解调仪，用于测量与所述轴向光纤接触的最内层电磁阀绕组底部的多点温度；所述光纤传感解调仪还包括基于拉曼光时域反射的光纤传感解调仪，用于测量所述电磁阀绕组内部的多点温度。

优选地，电磁阀引出的测温光纤，一端通过熔融方式连接到相应的光纤传感解调仪，另一端均手工盘绕一圈浸入匹配液(4)中，消除镜面反射影响。

在实际测温过程中，从电磁阀引出的测温光纤一端通过熔接连接到对应的光纤测温设备上，另一端均手工盘绕一圈浸入匹配液中消除镜面反射影响。光纤测温设备通过对测温光纤返回光信号的解调与处理得到实时的电磁阀绕组温度信息，并送接收显示装置显示，通过不断采集参考曲线观察测量值的稳定性确保测温光纤状态已经稳定后即可开始正式的电磁阀绕组温度测量和数据采集。

本发明提供的系统和方法，解决了传统电磁阀绕组测温所存在的连续性差，测量点局限，测温误差大等问题，将整个布设在绕组内的测温光纤作为传感器，实现了电磁阀绕组内部和底层温度的多点测量，测温系统简单，光纤布置方法合理，操作容易，测量值可靠性高。

上述系统实施例和方法实施例，基于相同的原理，其相关之处可相互借鉴，且能达到相同的技术效果。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过接收显示装置程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于接收显示装置可读存储介质中。其中，所述接收显示装置可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。