CN115585905A - 一种碳刷温度在线监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳刷温度在线监测系统及方法，包括测温组件和解调组件；所述测温组件包括若干光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器包括陶瓷封装外壳以及封装在陶瓷封装外壳内部的光纤光栅，所述光纤光栅传感器安装在光纤光栅传感器固定夹具内，进行碳刷测温时，所述光纤光栅传感器固定夹具安装在碳刷尾端，且通过碳刷架上用于固定碳刷的恒压簧进行夹持固定；所述解调组件包括多通道解调仪、工控机和相应的软件；所述光纤光栅传感器直接或者经光分路器后与所述多通道解调仪相连接。

Description

一种碳刷温度在线监测系统及方法

技术领域

本发明属于光纤光栅传感和发电机安全在线监测技术领域，尤其涉及一种碳刷温度在线监测系统及方法。

背景技术

碳刷和滑环是水轮发电机中励磁系统的重要组成部分。发电机组运行中因碳刷电流分布不均、或者滑环与碳刷异常摩擦常常使得碳刷温度异常升高，严重时将出现环火，使滑环和碳刷装置受损，造成重大事故和经济损失。因此在线温度监测是防止故障发生，避免重大损失的必然要求。电阻温度探测器(RTD)是轴瓦和冷却系统温度在线温度监测的主要方法，然而因碳刷有强电流通过，很难适用。目前发电机组在运行期间主要采用手持红外测温仪定期巡检对集电环碳刷进行测温，但由于碳刷温度出现过高现象的时间存在不确定性，运行期间仍有因温度超高导致缩短碳刷使用寿命，进而影响设备稳定运行的事件发生。由于碳刷体积小、数量多、裸露面少、空间有限，而红外测温仪体积大，测量精度受环境和角度影响，用于大规模碳刷在线温度监测时不仅安装不便，且成本高，不便于碳刷更换、检修等工作。此外，红外测温仪需要采用电缆或者无线组网，抗电磁干扰能力差，现场环境要求高。因此目前缺乏能够用于水力发电机组大部分场合在线温度监测的传感技术。

光纤光栅传感器用于各种复杂电磁环境进行温度监测，通过不同波长串联等技术可以实现多点准分布式测量。但尚未有用于碳刷等部件在线温度监测技术报道。主要困难为：光纤光栅为接触式测温，通常采用焊接、胶粘和机械加持方式等方式安装，然而碳刷要求表面洁净，无法采用焊接和胶粘。此外碳刷被刷握包围，裸露少，空间小也很难加入复杂机械加持结构。更为重要的是碳刷与滑环摩擦面等关键部位无法直接测量，仅有尾部裸露面积大的地方能够安装传感器。因此传感器测量位置温度与真正高温部位温度存在差异。为有效避免因碳刷或转子滑环故障引发的停机事故，给企业造成较大经济损失，需要解决碳刷在线温度监测技术及传感器安装等问题，及实现多应用场在线温度监测以及大传感器容量、高鲁棒性的传感器网络。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种碳刷温度在线监测系统及方法，用于水轮发电机组碳刷部件的全天候温度监测。本发明的在线监测系统利用光纤光栅传感器代替传统电阻温度传感器及红外热成像仪，以解决水轮发电机组温度在线监测系统对传感器在绝缘、电磁干扰及耐高温方面的严苛要求。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种碳刷温度在线监测系统，包括测温组件和解调组件；

所述测温组件包括若干光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器包括陶瓷封装外壳以及封装在陶瓷封装外壳内部的光纤光栅，所述光纤光栅传感器安装在光纤光栅传感器固定夹具内，进行碳刷测温时，所述光纤光栅传感器固定夹具安装在碳刷尾端，且通过碳刷架上用于固定碳刷的恒压簧进行夹持固定；

所述解调组件包括多通道解调仪、工控机和相应的软件；

所述光纤光栅传感器直接或者经光分路器后与所述多通道解调仪相连接。

进一步地，所述光纤光栅传感器通过波分复用和多通道并行的方法组成准分布式传感网络，实现多传感器信号的采集，多个不同波长的光纤光栅传感器通过串联或并联连接至多通道解调仪的一个通道中，形成波分复用传感器组；多通道解调仪的每个通道连接一个多波长波分复用传感器组，实现解调仪连接传感器数量的倍增；不同通道间光纤光栅传感器布拉格波长相同或者不同。

进一步地，多个不同波长的光纤光栅传感器并联采用光分路器实现，光纤光栅传感器直接或者多个串联后与光分路器的输出端连接，光分路器输入端与多通道解调仪的通道连接。

进一步地，多个光纤光栅温度传感器串联通过采用在同一光纤上制备不同波长光纤光栅的方式实现或者光纤光栅之间通过活动接头连接的方式实现。

进一步地，所述多通道解调仪内含可调谐激光光源，可调谐激光光源发出激光经均匀分光后分别传输至每个通道，经传输光纤和光分路器传输至每个光纤光栅传感器处，光纤光栅传感器将与自身布拉格波长相匹配的光反射回多通道解调仪，多通道解调仪将反射回来的信号光波长进行解析获得每个光纤光栅传感器的布拉格波长值，工控机在软件控制下实时采集多通道解调仪测量得到的光纤光栅传感器的布拉格波长，并根据预设的传感器温度-波长转换系数转换成相应的温度值，软件界面具有实时光谱和温度显示面板，用于实时显示各光纤光栅传感器测量的碳刷温度。

进一步地，所述光纤光栅的尾纤套有传感器尾纤套管，所述传感器尾纤套管采用阻燃级PVC管。

进一步地，所述光纤光栅传感器固定夹具为方形槽状结构，两端为用于和传感器尾纤套管连接的圆柱状结构；所述光纤光栅传感器固定夹具开槽面紧贴碳刷尾端，另一面通过恒压簧夹紧。

进一步地，所述光纤光栅传感器与所述光纤光栅传感器固定夹具之间通过高温胶粘接固定。

一种碳刷温度在线监测方法，具体步骤包括：

S1：利用多通道解调仪测量接入多通道解调仪的光纤光栅传感器的波长值；

S2：工控机中软件读取多通道解调仪获取的光纤光栅传感器的波长值，并根据传感器温度-波长关系转换成相应的温度；

S3：测量每个碳刷摩擦面边缘温度，并记录相应的光纤光栅温度传感器测量的温度，建立碳刷尾部和摩擦面之间的热力学传导模型，获得碳刷尾部温度与摩擦面之间温度关系式；

S4：根据光纤光栅温度传感器测量的温度值利用碳刷尾部温度与摩擦面之间温度关系式计算出碳刷摩擦面温度，即将光纤光栅温度传感器测量的温度值校准为碳刷摩擦面温度，实现对碳刷摩擦面温度的无损检测和精确获取。

进一步地，所述光纤光栅传感器测量的碳刷温度与碳刷摩擦面之间的温度关系式在安装完成后现场标定，利用红外测温仪测量碳刷与滑环接触面位置温度，即碳刷摩擦面边缘温度，同时记录光纤光栅传感器测得的碳刷尾部温度，测量多次获得不同温度时的数据，并进行线性拟合获得。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明解决了大规模碳刷的在线温度监测问题，相对于红外测温等碳刷在线温度监测具有体积小、抗电磁干扰、传感器组网简洁、受环境影响小等优点。此外利用碳刷本身恒压簧固定传感器的方法解决了传感器现场安装难题，不需要采用胶粘、焊接或额外机械加持结构，具有自适应、无污染、操作简便等优点，另外通过建立碳刷的温度场模型，建立待测点与测量点间温度的关联，更加真实的反应高温发生点的温度值，提高了温度在线监测的准确性，系统健康状态和故障预报的准确性。

进一步地，本发明综合考虑碳刷等部件的更换问题，设计可拆卸式的光纤光栅传感器固定方法，采用固定碳刷本身所用的恒压簧进行固定，采用阻燃级PVC管对传输线路进行固定和保护，采用陶瓷壳体对光纤光栅进行封装，传感器夹在碳刷尾端与恒压簧之间，空间占用小，各部件连接牢固，能够在高温、电磁、水、气，振动等环境中长期稳定工作。

本发明利用波分复用技术及多通道技术提高解调仪接入光纤光栅传感器数量，综合应用活动连接及多通道解调技术组合，设计实现光纤光栅传感器准分布式传感网络，建立具有高传感器容量和高鲁棒性、低成本的传感器准分布式网络拓扑结构，降低系统成本，提高系统抵御局部传感器失效风险的能力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的发电机碳刷测温光纤光栅串并联结构多通道解调系统示意图。

图2为本发明实施例提供的发电机碳刷及测温传感器在待测发电机组的分布及走线固定示意图；

图3(a)为本发明实施例提供的发电机碳刷测温所用的单端光纤光栅接头式传感器示意图；

图3(b)为本发明实施例提供的发电机碳刷测温所用的双端光纤光栅接头式传感器示意图；

图4为本发明实施例提供的光纤光栅传感器固定方法示意图；

图5为本发明实施例涉及的单个区域中光纤光栅传感器串联布线结构示意图；

图6(a)为本发明实施例涉及的发电机碳刷测温中同区域2个碳刷时所用的一种光栅串传感器示意图；

图6(b)为本发明实施例涉及的发电机碳刷测温中所用同区域3个碳刷时所用的一种光栅串传感器的示意图。

附图标记：

碳刷-1；走线管机械夹具-2；走线管-3；传感器尾纤套管-4；活动接头-5；光纤光栅传感器固定夹具-6；恒压簧-7；光纤光栅传感器-8；光纤光栅-9；陶瓷封装外壳-10。

具体实施方式

本发明一种碳刷温度在线监测系统，包括测温组件和解调组件；所述测温组件包括光纤光栅传感器8，所述光纤光栅传感器8安装在光纤光栅传感器固定夹具6内，进行碳刷测温时，所述光纤光栅传感器固定夹具6安装在碳刷1尾端，且通过碳刷架上用于固定碳刷的恒压簧7进行夹持固定；所述解调组件包括多通道解调仪、工控机和相应的软件；所述光纤光栅传感器8直接或者经光分路器后与所述多通道解调仪相连接。

本发明还一种碳刷温度在线监测方法，利用上述碳刷温度在线监测系统，具体步骤如下：利用多通道解调仪测量接入多通道解调仪的光纤光栅传感器8的波长值；工控机中软件读取多通道解调仪获取的光纤光栅传感器8的波长值，并根据传感器温度-波长关系转换成相应的温度；利用红外测温仪测量每个碳刷摩擦面边缘温度，并记录相应的光纤光栅温度传感器8测量的温度值，建立碳刷尾部和摩擦面之间的热力学传导模型，获得碳刷尾部温度与摩擦面之间温度关系式；利用光纤光栅温度传感器8测量的温度值，通过碳刷尾部温度与摩擦面之间温度关系式计算出碳刷摩擦面温度，实现对碳刷摩擦面温度的无损检测和精确获取。

为了详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式及附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅为本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参照图1至图6，本发明实施例的一种碳刷温度在线监测系统，包括测温组件和解调组件，所述测温组件为光纤光栅传感器8，光纤光栅传感器装入设计的光纤光栅传感器固定夹具6中，利用耐高温胶将光纤光栅传感器8与光纤光栅传感器固定夹具6粘接，将光纤光栅传感器固定夹具6安装在碳刷1尾端，且通过碳刷架上用于固定碳刷的恒压簧7进行夹持固定；所述光纤光栅传感器8为采用陶瓷封装外壳10封装的光纤光栅9，有单端和双端输出两种类型，光纤光栅尾纤利用传感器尾纤套管4进行保护，传感器尾纤套管4为耐高温PVC管，光纤光栅尾纤末端集成活动接头5实现活动连接。

所述光纤光栅传感器8通过波分复用和多通道并行的方法组成准分布式传感网络，实现多传感器信号的采集，多个不同波长的光纤光栅传感器8通过串联或并联连接至多通道解调仪的一个通道中，形成波分复用传感器组；多通道解调仪的每个通道连接一个多波长波分复用传感器组，实现解调仪连接传感器数量的倍增；不同通道间光纤光栅传感器布拉格波长相同或者不同；多个不同波长的光纤光栅传感器8并联采用光分路器实现，光纤光栅传感器8直接或者多个串联后与光分路器的输出端连接，光分路器输入端与多通道解调仪的一个通道连接；多个光纤光栅传感器8串联通过采用在同一光纤上制备不同波长光纤光栅的方式实现或者光纤光栅之间通过活动接头连接的方式实现。本发明具有耐高压、抗电磁干扰、高传感器容量、高鲁棒性、成本低的特点，提高了系统抵御局部传感器失效风险能力。

所述解调组件采用多通道解调仪，利用不同波长光纤光栅波分复用技术及多通道技术提高解调仪接入传感器数量；利用耐高温走线管3对各通道的传输光纤进行保护，利用走线管机械夹具2及螺栓夹持固定走线管3；

所述多通道解调仪内含可调谐激光光源，可调谐激光光源发出激光经均匀分光后分别传输至每个通道，经传输光纤和光分路器传输至每个光纤光栅温度传感器处，光纤光栅温度传感器将与自身布拉格波长相匹配的光反射回多通道解调仪，多通道解调仪将反射回来的信号光进行解析获得每个光纤光栅温度传感器的布拉格波长值，工控机在软件控制下实时采集多通道解调仪测量得到的光纤光栅传感器的布拉格波长，并根据预设的传感器温度-波长转换系数转换成相应的温度值，软件界面具有实时光谱和温度显示面板，用于实时显示各光纤光栅传感器测量的碳刷温度。

进一步地，所述光纤光栅传感器8为利用陶瓷封装外壳10封装的光纤光栅9，光纤光栅传感器8包括单端和双端两种输出类型，输出部分的尾纤利用耐高温PVC管进行保护，末端集成活动接头5，方便连接和更换。

进一步地，所述光纤光栅传感器8分布在发电机组的每一个碳刷1和恒压簧7之间，碳刷1共有上下层，每层分为八区，除一个区仅有1个碳刷外，其它每区包含2～3个碳刷1，每层同区的2～3个光纤光栅传感器采用串联的方式，所述的串联方式包括单根光纤上的多个布拉格光栅串或者利用活动接头5进行连接，相邻传感器的连接部分利用耐高温软管(传感器尾纤套管4)进行保护，利用耐高温胶将软管两端固定在光纤光栅传感器固定夹具6的两端。

进一步地，每个区所有串联光纤光栅传感器作为一路输出，利用传输光纤将每一路输出通过并联的方式连接到1*4PLC光分路器的输出端，每4个区的传感器连接到同一个PLC，再经PLC的输入端连接到解调仪的一个通道。所述传输光纤利用走线管3进行保护，所述走线管3利用走线管机械夹具2及螺栓进行夹持和固定，采用这种拓扑网络结构实现准分布式传感。

进一步地，由于碳刷高温点在其摩擦面，无法利用温度传感器直接进行在线测量，一般情况下探测点往往距离高温区有一定的距离，因此存在温度差异。通过利用碳刷的温度场模型建立待测点与测量点间温度的关联，更加真实的反应高温发生点的温度值。碳刷的温度场模型建立的具体方法为：利用多通道解调仪测量接入多通道解调仪的光纤光栅传感器8的波长值；工控机中软件读取多通道解调仪获取的光纤光栅传感器8的波长值，并根据传感器温度-波长关系转换成相应的温度；测量每个碳刷摩擦面边缘温度，并记录相应的光纤光栅温度传感器测量的温度结果，建立碳刷尾部和摩擦面之间的热力学传导模型，获得碳刷尾部温度与摩擦面之间温度关系式(即碳刷的温度场模型)，从而提高温度在线监测的准确性，提高统健康状态和故障预报的准确性。

本发明实施例提供的碳刷温度在线监测系统是利用光纤光栅传感器测量碳刷尾部温度，红外测温仪测量碳刷与滑环摩擦面温度，或者理论模拟，获得碳刷尾部温度与摩擦面之间温度关系式，建立碳刷尾部和摩擦面之间的热力学传导模型。利用碳刷尾部温度与摩擦面之间温度关系式对光纤光栅温度传感器测量的碳刷尾部温度值进行修正，从而得到实际高温发生点碳刷摩擦面温度。本发明提高了温度在线监测的准确性、系统健康状态和故障预报的准确性。

本发明实施例还提供一种碳刷温度在线监测方法，具体包括以下步骤：

步骤一：利用陶瓷壳体10对光纤光栅9进行封装保护，两端尾纤用阻燃级的PVC管进行保护，经过壳体两端延伸出来，尾部采用活动接头，将封装好的传感器装入夹具中，利用耐高温胶进行固定；

步骤二：将装入夹具6中的光纤光栅传感器8夹在碳刷1尾端与恒压簧7之间，同区域中相邻两个传感器利用活动接头5实现串联连接，利用耐高温PVC软管(传感器尾纤套管4)对尾纤及连接处进行保护，软管两端用耐高温胶固定在光纤光栅传感器固定夹具6的两端；

步骤三：将每一路串联光纤光栅传感器的一端，利用光纤引至光分路器的输出端，实现并联，利用耐高温走线管3保护传输部分的光纤，利用走线管机械夹具2及螺栓对走线管3进行固定；

步骤四：将所有光纤光栅传感器分别通过光分路器接入多通道解调仪。

通过步骤一至步骤四完成碳刷温度在线监测系统的搭建。

步骤五：利用多通道解调仪测量接入多通道解调仪的光纤光栅传感器波长值；

步骤六：工控机中软件读取多通道解调仪获取的光纤光栅传感器的波长值，并根据每个传感器温度-波长关系转换成相应的温度；

步骤七：利用红外热成像测温仪测量每个碳刷摩擦面边缘温度，并记录相应的光纤光栅温度传感器测量的温度结果，建立碳刷尾部和摩擦面之间的热力学传导模型，获得碳刷尾部温度与摩擦面之间温度关系式；

步骤八：根据碳刷尾部温度与摩擦面之间温度关系式，计算出碳刷摩擦面温度，将光纤光栅温度传感器测量的温度值校准为碳刷摩擦面温度，实现对碳刷摩擦面温度的无损检测和精确获取。

通过步骤五至步骤八，实现对碳刷待测温度的无损监测和精确获取。

将本实施例应用到电厂的发电机组上，发电机碳刷测温装置包括测温组件和传输解调组件。测温组件为图3所示的光纤光栅传感器，安装在碳刷上时先放入图4所示固定组件中，再由恒压簧7固定在碳刷尾部。每一区域内光纤光栅传感器通过连接线串联到光分路器输出端上，利用光纤将光分路器不同输出端连接传感器信号传输到图1所示解调组件中，传感器测量点处温度变化会导致光纤光栅9的波长变化，根据多通道光纤光栅解调仪测量的光纤光栅9的波长及温度-波长关系计算，即可得到光纤光栅传感器所测量点的实时温度；通过测量光纤光栅传感器测量点位置与碳刷摩擦面的温度建立碳刷热力学传导模型及两者温度关系式，进一步利用传感器测量点温度与碳刷摩擦面温度关系及传感器实时测量的温度可以精确碳刷摩擦面温度。

图3(a)与图3(b)分别显示了单端和双端两种不同输出方式的光纤光栅传感器，发电机组的碳刷1依照机组结构分为上下两层，每层对应八个区域，其中七个区域每个区域中的碳刷数量为2个和3个间隔分布，余下一个区仅有1个碳刷，同层每相邻4个区域中为一个通道，。

对两个碳刷1的区，采用一个单端和一个双端输出的光纤光栅传感器，其中单端光纤光栅传感器和双端光纤光栅传感器的一端利用活动接头5进行串联，双端传输的光纤光栅传感器另一端通过传输光纤连接至光分路器中。

对有三个碳刷1的区，采用一个单端和两个双端输出的光纤光栅传感器，其中单端光纤光栅传感器放置在两边任一碳刷1尾端，通过连接头将三个光纤光栅传感器串联后传输到光分路器中。

每一区的光纤光栅传感器经过串联之后需要利用传输光纤连接至光分路器中，为了避免机组运转对传输线路的影响，对所有通道串联部分和传输部分走线进行保护。

如图5所示，每一区光纤光栅传感器之间用活动接头5串联，利用耐高温的传感器尾纤套管4对其进行保护。

对传感器尾纤套管4进行塑形以便能更好地与光纤光栅传感器固定夹具6进行固定。如图5所示，先将单通道中左边一个光纤光栅传感器放入光纤光栅传感器固定夹具6中，光纤光栅传感器固定夹具6为槽状结构，两端为圆柱状；将光纤光栅传感器装入光纤光栅传感器固定夹具6中，利用耐高温胶进行粘接固定，光纤光栅传感器的传输尾纤通过狭槽延伸出来，以便与中间的光纤光栅传感器进行连接。

将中间的光纤光栅传感器与左侧的光纤光栅传感器利用活动接头5进行连接，再将连接好的光纤光栅传感器穿过塑形的传感器尾纤套管4，将中间的光纤光栅传感器装入传感器固定夹具6中，利用耐高温胶进行粘接固定。将传感器尾纤套管4套在中间光纤光栅传感器夹具和左侧光纤光栅传感器夹具的圆柱端，同时用耐高温胶进行粘接固定；

用同样的方式连接中间光纤光栅传感器和右侧光纤光栅传感器，并用传感器尾纤套管4保护。将同一通道内固定在传感器固定夹具6中的光纤光栅传感器串联完成后放在碳刷1尾端和恒压簧7之间，利用恒压簧7的弹力将光纤光栅传感器固定在碳刷1的尾端。需要注意的是，传感器固定夹具6的开槽面紧贴碳刷尾端，以便光纤光栅传感器与碳刷1直接接触；

每一区的光纤光栅传感器串联后经过传输光纤连接至光分路器中，由于光纤光栅传感器位于碳刷1尾端且测温组件的数量较多，加上不同区与光分路器距离不同，大量布线会给机组运行带来安全隐患且不美观，利用走线管3对所有布线进行整理和保护。

如图2所示，发电机组的碳刷1依照机组结构分为上下两层，每层分为八个区域，其中七个区域有2～3个碳刷分布，一个区域仅1个碳刷。每个区域为一路，每路光纤光栅传感器串联后安装一个走线管3，相邻两个走线管3之间利用走线管机械夹具2和螺栓进行夹持和固定，各层走线管3之间保持联通。最终每路光纤光栅传感器经传输光纤连接至光分路器中，形成并联。

在本实施例中，如图1所示，解调组件包括多通道解调仪，传感器实时光谱及在线温度显示面板。由于测温组件的光纤光栅传感器数量较多，通过串联和并联的方式形成准分布式传感系统，同层每四个区的四路传输信号并联至光分路器连接至一个通道，上下两层传感器共形成四个通道，同通道内的光纤光栅传感器波长不同，利用不同波长光纤光栅波分复用技术及多通道并行传输技术将光纤光栅连接到多通道解调仪，多通道解调仪对传输信号同时进行解调，提高了传感器接入数量及解调效率。工控机用于采集多通道光纤光栅解调仪测量得波长数据并转换为相应的温度。工控机软件可以将每一通道中的每个光纤光栅传感器的信息实时显示在在线温度显示面板上，包括波长、光谱及传感温度显示。通过测量传感器测量位置与碳刷摩擦面待测点温度点之间的线性关系，工控机软件可以由光纤光栅测量点的温度计算出碳刷摩擦面温度，实现碳刷摩擦面温度的检测。这样，通过多通道解调仪实时采集光纤光栅传感器的信号以及工控机软件实时解调分析，实现对发电机组的碳刷1的实时温度监测。

在本实施例中，通过走线管机械夹具2、螺栓以及耐高温胶和传感器尾纤套管4对光纤光栅传感器8及连接和传输线路进行固定和保护，减少或避免安装过程对机组构件物理状态的改变；组件全部采用非金属结构，避免电磁干扰对机组运行的影响，采用光纤传输，减小信号传输损耗，不影响机组的正常运行并保障作业安全。改变人工巡检模式，实时掌握每一个碳刷的温度，为发电机组运行安全提供有力的信息支撑。

请参阅图6(a)和6(b)，本发明实施例的一种碳刷温度在线监测系统，具体为：

发电机组的碳刷1依照机组结构分为两层，每层八个区域，其中七个区域每个区域有2～3碳刷分布余下1个区域仅有1个碳刷，每个区域中的一层即为一路，相邻区中的碳刷1数量为2个和3个间隔分布，最后一个区域1个碳刷；图6(a)和图6(b)分别显示了不同通道中光纤光栅传感器的串联方式，直接在同一根光纤上制备不同波长的光栅串，利用陶瓷封装外壳10对光纤光栅9进行封装保护，耐温不低于200℃，尾纤用阻燃级的PVC管(传感器尾纤套管4)进行保护，经过壳体延伸出来，尾部采用活动接头，将封装好的光纤光栅传感器装入光纤光栅传感器固定夹具6中，利用耐高温胶进行固定；

对有两个碳刷1的区域，采用一个具有两个不同波长的光栅串，如图6(a)所示，传感器的输出端通过传输光纤连接至光分路器中；

对有三个碳刷1的区域，采用一个具有三个不同波长的光栅串，如图6(b)所示，传感器的输出端通过传输光纤连接至光分路器中；

每一区的光纤光栅传感器经过串联之后需要利用传输光纤连接至PLC光分路器集线盒中实现波分复用，为了避免机组运转对多通道线路的影响，对所有通道串联部分和传输部分走线进行保护。

如图5所示，每一区光纤光栅传感器之间用活动接头5串联，利用传感器尾纤套管4对其进行保护。

对传感器尾纤套管4进行塑形以便能更好地与光纤光栅传感器固定夹具6进行固定。如图5所示，先将单通道中左边一个光纤光栅传感器放入光纤光栅传感器固定夹具6中，光纤光栅传感器固定夹具6为槽状结构，两端为圆柱状；将光纤光栅传感器装入光纤光栅传感器固定夹具6中，利用耐高温胶进行粘接固定，光纤光栅传感器的传输尾纤通过狭槽延伸出来以便与中间的光纤光栅传感器进行连接。

将中间的光纤光栅传感器与左侧的光纤光栅传感器利用活动接头5进行连接，再将连接好的光纤光栅传感器穿过塑形的传感器尾纤套管4，将中间的光纤光栅传感器装入传感器固定夹具6中，利用耐高温胶进行粘接固定。将传感器尾纤套管4套在中间光纤光栅传感器夹具和左侧光纤光栅传感器夹具的圆柱端，同时用耐高温胶进行粘接固定；

用同样的方式连接中间光纤光栅传感器和右侧光纤光栅传感器，并用传感器尾纤套管4保护。将同一区内固定在传感器固定夹具6中的光纤光栅传感器串联完成后放在碳刷1尾端和恒压簧7之间，利用恒压簧7的弹力将光纤光栅传感器固定在碳刷1的尾端。需要注意的是，传感器固定夹具6的开槽面紧贴碳刷尾端，以便光纤光栅传感器与碳刷1直接接触；

每一区的光纤光栅传感器串联后经过传输光纤连接至光分路器中，由于光纤光栅传感器位于碳刷1尾端且测温组件的数量较多，加上不同通道与光分路器距离不同，大量布线会给机组运行带来安全隐患且不美观，利用走线管3对所有布线进行整理和保护。

本发明实施例还提供的一种碳刷温度在线监测方法，综合应用光纤光栅串联及并联方式组成光纤光栅传感器准分布式传感网络，通过光纤光栅传感器波长与温度之间的对应关系，利用波分复用技术及多通道解调获得任意时刻测量点碳刷的温度；通过建立碳刷的温度场模型，建立碳刷摩擦面与传感器测量点之间温度传递的关系，从而得到碳刷摩擦面的温度值。

本发明的测温组件及解调组件无需在碳刷室内进行焊接等动火作业来固定设备，实施过程更加安全快捷，同时减少或避免安装过程对机组构件物理状态的改变，不影响机组的正常运行并保障作业安全；通过对所有碳刷同时进行温度监测，从而更加全面准确的判断碳刷的温度异常情况。本发明具有高传感器容量和高鲁棒性、响应快、成本低的特点；实现了在线测温，改变了人工巡检模式，提高了碳刷温度异常发现的及时性，系统抵御局部传感器失效风险能力，温度在线监测的准确性，系统健康状态和故障预报的准确性，为发电机组运行安全提供有力的信息支撑。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种碳刷温度在线监测系统，其特征在于，包括测温组件和解调组件；

所述测温组件包括若干光纤光栅传感器(8)，所述光纤光栅传感器包括陶瓷封装外壳(10)以及封装在陶瓷封装外壳(10)内部的光纤光栅(9)，所述光纤光栅传感器(8)安装在光纤光栅传感器固定夹具(6)内，进行碳刷测温时，所述光纤光栅传感器固定夹具(6)安装在碳刷(1)尾端，且通过碳刷架上用于固定碳刷的恒压簧(7)进行夹持固定；

所述解调组件包括多通道解调仪、工控机和相应的软件；

所述光纤光栅传感器直接或者经光分路器后与所述多通道解调仪相连接。

2.根据权利要求1所述的一种碳刷温度在线监测系统，其特征在于，所述光纤光栅传感器(8)通过波分复用和多通道并行的方法组成准分布式传感网络，实现多传感器信号的采集，多个不同波长的光纤光栅传感器(8)通过串联或并联连接至多通道解调仪的一个通道中，形成波分复用传感器组；多通道解调仪的每个通道连接一个多波长波分复用传感器组，实现解调仪连接传感器数量的倍增；不同通道间光纤光栅传感器布拉格波长相同或者不同。

3.根据权利要求2所述的一种碳刷温度在线监测系统，其特征在于，多个不同波长的光纤光栅传感器(8)并联采用光分路器实现，光纤光栅传感器(8)直接或者多个串联后与光分路器的输出端连接，光分路器输入端与多通道解调仪的通道连接。

4.根据权利要求2所述的一种碳刷温度在线监测系统，其特征在于，多个光纤光栅温度传感器(8)串联通过采用在同一光纤上制备不同波长光纤光栅的方式实现或者光纤光栅之间通过活动接头(5)连接的方式实现。

5.根据权利要求1所述的一种碳刷温度在线监测系统，其特征在于，所述多通道解调仪内含可调谐激光光源，可调谐激光光源发出激光经均匀分光后分别传输至每个通道，经传输光纤和光分路器传输至每个光纤光栅传感器(8)处，光纤光栅传感器(8)将与自身布拉格波长相匹配的光反射回多通道解调仪，多通道解调仪将反射回来的信号光波长进行解析获得每个光纤光栅传感器(8)的布拉格波长值，工控机在软件控制下实时采集多通道解调仪测量得到的光纤光栅传感器(8)的布拉格波长，并根据预设的传感器温度-波长转换系数转换成相应的温度值，软件界面具有实时光谱和温度显示面板，用于实时显示各光纤光栅传感器(8)测量的碳刷温度。

6.根据权利要求1所述的一种碳刷温度在线监测系统，其特征在于，所述光纤光栅(8)的尾纤套有传感器尾纤套管(4)，所述传感器尾纤套管(4)采用阻燃级PVC管。

7.根据权利要求6所述的一种碳刷温度在线监测系统，其特征在于，所述光纤光栅传感器固定夹具(6)为方形槽状结构，两端为用于和传感器尾纤套管(4)连接的圆柱状结构；所述光纤光栅传感器固定夹具(6)开槽面紧贴碳刷(1)尾端，另一面通过恒压簧(7)夹紧。

8.根据权利要求1所述的一种碳刷温度在线监测系统，其特征在于，所述光纤光栅传感器(8)与所述光纤光栅传感器固定夹具(6)之间通过高温胶粘接固定。

9.一种碳刷温度在线监测方法，其特征在于，基于权利要求1-8任一项所述的一种碳刷温度在线监测系统，具体步骤包括：

S1：利用多通道解调仪测量接入多通道解调仪的光纤光栅传感器(8)的波长值；

S2：工控机中软件读取多通道解调仪获取的光纤光栅传感器(8)的波长值，并根据传感器温度-波长关系转换成相应的温度；

S3：测量每个碳刷摩擦面边缘温度，并记录相应的光纤光栅温度传感器测量的温度，建立碳刷尾部和摩擦面之间的热力学传导模型，获得碳刷尾部温度与摩擦面之间温度关系式；

S4：根据光纤光栅温度传感器测量的温度值利用碳刷尾部温度与摩擦面之间温度关系式计算出碳刷摩擦面温度，即将光纤光栅温度传感器测量的温度值校准为碳刷摩擦面温度，实现对碳刷摩擦面温度的无损检测和精确获取。

10.根据权利要求9所述的一种碳刷温度在线监测方法，其特征在于，所述光纤光栅传感器测量的碳刷温度与碳刷摩擦面之间的温度关系式在安装完成后现场标定，利用红外测温仪测量碳刷与滑环接触面位置温度，即碳刷摩擦面边缘温度，同时记录光纤光栅传感器测得的碳刷尾部温度，测量多次获得不同温度时的数据，并进行线性拟合获得。

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