CN101963653B - 光纤atr传感器检测铅酸蓄电池剩余容量的方法及装置 - Google Patents
光纤atr传感器检测铅酸蓄电池剩余容量的方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种光纤ATR传感器检测铅酸蓄电池剩余容量的方法,首先用腐蚀纤芯制作光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂,并安装在正极板上,光束通过光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂后进入光电探测器,利用来计算得出铅酸蓄电池剩余容量。同时还公开了一种检测铅酸蓄电池剩余容量的装置。本发明利用光纤ATR传感臂对蓄电池正极板表面折射率进行在线测量;同时利用半导体砷化镓膜对近红外光的吸收特性,以及金膜对红外光的全反射和耐氧化性酸的特点,采用双层镀膜方法设计了光纤ATR温度补偿臂,实现了电解液温度的同步测量,消除温度对待测信号的影响,提高了传感器的测量准确度和精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测铅酸蓄电池容量的方法及装置,尤其涉及光纤ATR传感器检测铅酸蓄电池剩余容量的方法及装置。
背景技术
铅酸蓄电池广泛应用于汽车、电力等行业,为确保电池性能,延长电池的使用寿命,必需对电池的剩余容量进行在线、准确的测量。因此,研究设计实用的铅酸蓄电池容量在线检测传感器,有着十分重要的意义。
目前,蓄电池剩余容量测量方法有离线法检测方法和在线检测方法。离线方法:核对放电法、电解液比重法和开路电压法。在线法有:电阻抗法,电量累积法,放电电流法和光吸收法。离线检测法的缺点是:必须中断电池的充放电过程,不能对电池容量进行原位测量;同时测量过程耗时,容易携带杂质进入电解液,腐蚀电池极板。目前,在线检测法的缺点是:电阻抗法、电量累积法、放电电流法属于间接检测法,对***要求高,安装不方便,同样不能实现电池容量的原位测量。
铅酸蓄电池在充放电过程正、负极板表面电化学反应方程式:
② 放电过程电化学总反应方程:
负极:
从充放电过程正极板表面反应方程式可以看出:在充电过程中,正极板表面减少,和离子增多,电解液折射率发生正向变化;在放电过程中,正极板表面和离子减少,并有生成,电解液折射率发生负向变化。如果在正极板表面通入一束光,通过测量输入光强的衰减情况,可实现电解液折射率的测量。因为电解液折射率与电池剩余容量有一一对应关系,知道折射率的大小,即知道铅酸蓄电池的剩余容量。
光学法是通过测量电解液折射率的变化量来测量电池的容量,光纤法为最有前途的方法,因为光学法能实现电池容量的在线原位测量。但也有文献中介绍的光学法,在测量过程中并未考虑电解液温度变化对测量过程的影响。中国发明专利ZL 200610095382公布的“在线测量铅酸电池容量的光纤传感器”,该发明虽然考虑到了温度对待测信号的影响,并采用蒸馏水作为温度补偿臂的参考液。但是蒸馏水导热系数较小,不能实现蒸馏水与待测电解液温度变化的同步性。同时,感器探头尺寸较大,只能通过测量电池表面电解液浓度的变化来估计蓄电池的剩余容量,因此传感器测量精度较低。有关温度测量方法,目前能用于腐蚀环境温度测量的方法主要有光纤Bragg光栅方法、长周期光纤光栅方法、半导体光吸收法方法等。光纤Bragg光栅方法和长周期光纤光栅方法测温精度较高,但是光纤光栅传感器解调设备比较昂贵。半导体(GaAs)光吸收法,测量***成本较低,当温度从-10℃变化到300℃时,传感器响应时间仅为2s,但是半导体GaAs不能用于含氧化性酸(如H2SO4)的环境。
发明内容
针对现有技术中的不足之处,本发明提供了一种光纤传感器体积小,安装在电极板上可实现平均测量;同时实现了电解液温度的同步测量,消除了温度对待测信号的影响,提高了光纤传感器的测量准确度和精度的光纤ATR传感器检测铅酸蓄电池剩余容量的方法及装置。
本发明提供的光纤ATR传感器检测铅酸蓄电池剩余容量的方法,该方法包括下列步骤:
1)采用工业酒精浸泡光纤,然后用纱布擦洗光纤,除去光纤上的包层;将除去包层后的纤芯放入含15~25%的氢氟酸的腐蚀溶液,在20~25℃下进行腐蚀,纤芯均匀腐蚀至直径为650~750μm和直径为380~420μm的两种腐蚀纤芯; 2)制作光纤ATR传感臂:将直径为650~750μm的腐蚀纤芯制作成U形结构;
制作光纤温度补偿臂:将直径为380~420μm的腐蚀纤芯制作成U形结构;采用电沉积方法在U形结构的腐蚀纤芯表面沉积砷化镓薄膜,沉积砷化镓薄膜后的纤芯直径为996μm;再将粗糙的砷化镓表面进行抛光,抛光后的表面粗糙度小于5nm;最后采用气相沉积方法在砷化镓薄膜表面再镀上金膜,镀上金膜后的纤芯直径约为1000μm;
3)将U形结构的光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂安装在铅酸蓄电池的正极板上,且开口朝上;
4)光束通过入射光纤进入正极板上的光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂内,光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂输出的光束通过出射光纤输出,
通过下式的修正函数计算光纤ATR传感臂输出光强:
式中:表示输入光强;表示电解液容积吸收系数;表示光源波长;,表示界面入射夹角的大小; 1表示光纤ATR传感臂直线段的长度;表示光纤ATR传感臂的弯曲半径;表示腐蚀纤芯的半径;表示纤芯的折射率;表示温度为20℃时正极板表面电解液的折射率;表示电解液特征参数;表示电解液的温度; 1表示 , 其中:
通过下式计算光纤温度补偿臂输出光强:
式中:表示输入光强;表示砷化镓对光束的反射系数;表示与砷化镓材料有关的常数,;, 1表示光纤温度补偿臂直线段的长度;表示光纤温度补偿臂的弯曲半径;表示温度0K的禁带宽度能量,;表示光子频率;表示与砷化镓材料有关的常量,;表示电解液的温度;
,
进一步,在步骤3)中,正极板上设有用于安装光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂的凹槽,在凹槽内涂上一层环氧树脂胶,将光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂平放在凹槽内,再涂上一层环氧树脂胶将光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂固定在正极板的板栅筋条上。
本发明还提供了一种检测铅酸蓄电池剩余容量的装置,包括光源、光源-光纤耦合器、光纤适配器、光纤ATR传感臂、光纤温度补偿臂、光电探测器、信号调理电路、模数转换器和单片机;
所述光纤ATR传感臂由腐蚀纤芯组成,且呈U形结构;光纤温度补偿臂由腐蚀纤芯、沉积在腐蚀纤芯表面上的砷化镓薄膜和砷化镓薄膜表面上的镀金膜组成,且呈U形结构;所述光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂设置在铅酸蓄电池的正极板上,且开口朝上;
所述光源发出的光束射入光源-光纤耦合器内;光源-光纤耦合器分别通过入射光纤与光纤适配器和光电探测器连接;所述光纤ATR传感臂的两端和光纤温度补偿臂的两端连接光纤适配器,光纤适配器的输出端通过出射光纤与光电探测器连接;所述光电探测器的输出端与信号调理电路连接;所述信号调理电路的输出端与模数转换器连接;所述模数转换器的信号输出端与单片机连接。
进一步,还包括光分路器,所述光源-光纤耦合器的出射光经光分路器分为三路光束,其中两路光束通过入射光纤进入铅酸蓄电池,另一路光束直接通过入射光纤进入光电探测器。
进一步,所述正极板上设有U形结构的凹槽,所述光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂设置在凹槽内,并通过环氧树脂胶固定。
与现有技术相比,本发明的光纤ATR传感器检测铅酸蓄电池剩余容量的方法及装置具有如下优点:
1、利用光纤ATR传感臂对蓄电池正极板表面折射率进行在线测量,同其它铅酸蓄电剩余容量在线传感器相比这种光纤传感器体积小,安装在电极板上,实现了平均测量;同时利用半导体砷化镓(GaAs)膜对近红外光的吸收特性,以及金(Au)膜对红外光的全反射和耐氧化性酸的特点,采用双层镀膜方法设计了光纤ATR温度补偿臂,实现了电解液温度的同步测量,消除温度对待测信号的影响,提高了传感器的测量准确度和精度。
2、具有温度补偿的光纤ATR传感器输出的电压信号实现了铅酸蓄电剩余容量的测量,且传感器输出的电压信号只与其光纤ATR传感臂敏感区特征参数(即腐蚀后纤芯的半径、U形结构直线段的长度、U形结构的弯曲半径)、电池正极板表面电解液折射率和光纤温度补偿臂砷化镓(GaAs)膜的参数、、和有关。因为参数、、、和为常参量,传感器输出电压信号的变化情况只与电池正极板表面电解液折射率的变化情况有关,消除了温度对待侧信号的影响,能实现蓄电池容量的准确测量。
3、光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂利用光纤适配器,实现了输出信号的远距离传输。
附图说明
图1为光纤腐蚀后的结构示意图;
图2为用于制作光纤温度补偿臂的纤芯结构示意图;
图3为光纤温度补偿臂的横截面结构示意图;
图4为极板上的光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂的分布示意图;
图5为光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂的安装示意图;
图6为采用式光纤ATR传感器检测铅酸蓄电池剩余容量的原理框图;
图7为光纤ATR传感臂直线段的光纤倏逝波原理示意图;
图8为光纤ATR传感臂光纤倏逝波原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
检测铅酸蓄电池剩余容量的装置,如图6所示,该装置包括直流稳压电源1、光源2、光源-光纤耦合器3、光分路器4、光纤适配器8、光纤ATR传感臂9、光纤温度补偿臂10、光电探测器15、信号调理电路16、模数转换器17、单片机18、显示驱动电路19和容量显示器20。所述光纤ATR传感臂9由腐蚀纤芯21组成,且呈U形结构;光纤温度补偿臂10由腐蚀纤芯21、沉积在腐蚀纤芯21表面上的砷化镓薄膜24和砷化镓薄膜24表面上的镀金膜25组成,且呈U形结构;所述光纤ATR传感臂9和光纤温度补偿臂10设置在铅酸蓄电池11的正极板12上,且开口朝上,光纤ATR传感臂9的两端和光纤温度补偿臂10的两端连接光纤适配器8。直流稳压电源1向光源2供电,光源2发出的光束进入光源-光纤耦合器3,光源-光纤耦合器3输出的光束再通过光分路器4将光束分为三路,其中两路分别通过入射光纤5和入射光纤6以及光纤适配器8分别进入正极板12上的光纤ATR传感臂9和光纤温度补偿臂10内。光纤ATR传感臂9和光纤温度补偿臂10输出的光束经光纤适配器8输出,再通过出射光纤13和出射光纤14进入光电探测器15。光电探测器15的输出端与信号调理电路16连接;信号调理电路16的输出端与模数转换器17;所述模数转换器17的信号输出端与单片机18连接,单片机18处理后的数据通过容量显示器20显示,显示驱动电路19向容量显示器20供电。
光纤ATR传感器检测铅酸蓄电池剩余容量的方法,包括下列步骤:
1)、首先选取多模光纤:光纤纤芯直径为1.0mm、光纤外径为2.2mm、纤芯折射率为1.492、数值孔径(NA)为0.5、工作温度为-50~70℃。然后制作腐蚀光纤纤芯:采用高纯度工业酒精浸泡光纤,用纱布擦洗光纤,除去第一涂覆层,用光纤剥离器去除光纤第二涂覆层,将去除包层后的裸光纤进行腐蚀,腐蚀溶液采用15~25%的氢氟酸在20~25℃下进行均匀腐蚀,纤芯直径腐蚀速度约为v=0.65μm/min。其中,对光纤ATR传感臂所用的裸光纤均匀腐蚀460min左右,腐蚀后的腐蚀纤芯21约为650~750μm;对光纤温度补偿臂所用得裸光纤均匀腐蚀920min左右,腐蚀后光纤纤芯约为380~420μm。如图1、图2和图3所示,图中21为腐蚀纤芯,22为纤芯,23为包层。
2)、制作光纤ATR传感臂:将直径为650~750μm的腐蚀纤芯制作成U形结构。制作光纤温度补偿臂:将直径为380~420μm的腐蚀纤芯制作成U形结构;采用电沉积方法在U形结构的腐蚀纤芯表面沉积砷化镓薄膜,沉积砷化镓薄膜后的纤芯直径为996μm;再将粗糙的砷化镓表面进行抛光,抛光后的表面粗糙度小于5nm;最后为防止砷化镓溶于硫酸(H2SO4),采用气相沉积方法在砷化镓薄膜表面再镀上对红外线具有高反射能力的金膜,镀上金膜后的纤芯直径约为1000μm。如图2和图3所示,图中21为腐蚀纤芯,22为纤芯,23为包层,24为砷化镓薄膜,25为金膜。
光纤ATR温度补偿臂选用半导体砷化镓(GaAs)作为第一涂层,因为在-50~200℃间,砷化镓(GaAs)温度改变量与波长(光源峰值波长850nm)漂移量间成线性关系。砷化镓(GaAs)涂层厚度设定为290μm,已有研究的结果表明光纤倏逝波透射深度,因此光纤倏逝波不会透出砷化镓(GaAs)涂层。采用金(Au)作为第二涂层,因为Au膜对红外线的反射能力接近100%,具有良好的导热性、抗化学腐蚀和抗变色性能力,不溶于碱和氧化性酸(如H2SO4)。
3)、为防止腐蚀后的纤芯断裂,以及电池充电过程电解液的沸腾对光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂敏感区产生形变,将制作好的光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂并行安装在正极板上。如图4和图5所示,图中9为光纤ATR传感臂,10为光纤温度补偿臂,26为凹槽,27为环氧树脂胶,28为板栅筋条,12为电池极板。在安装光纤ATR传感臂9和光纤温度补偿臂10时,在板栅筋条28上设置约为0.5mm的深、2.5mm宽的凹槽26,然后在凹槽26的板栅筋条28上涂上一层环氧树脂胶27(为了防止在充放电过程中,板栅筋条被腐蚀而发生微变,导致光纤脱落),将光纤ATR传感臂9和光纤温度补偿臂10并行放平在凹槽26内,再涂上一层环氧树脂胶将光纤ATR传感臂9和光纤温度补偿臂10固定在正极板12的板栅筋条28上,且光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂的开口朝上。
4)、图6为采用式光纤ATR传感器检测铅酸蓄电池剩余容量的原理框图,如图所示。光源2选用欧司朗(OSRAM)公司生产的红外线发射管,型号为SFH4650、波长为850nm。光电探测器15选用OSRAM公司生产的红外接收管,型号为SFH2400、波长范围为400-1100nm,峰值波长为850nm。信号调理电路16由前级放大电路和二级放大电路组成,其中前级放大电路采用Intersil公司的ICL7650芯片,二级放大电路采用通用放大芯片LM741。模数转换器17选用德州仪器 (TI) ADS6422芯片(四通道12位),单片机18选用89C52。光纤适配器8选用美国莫仕公司生产的四口LC光纤适配器,其目的是为了对光纤ATR传感臂9和光纤温度补偿臂10输出信息进行远距离传输。
正极板上的光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂分别输出的电压可由下实例推出:
4.1)光纤ATR传感臂输出的光强
裸光纤经过吸收介质(电解液)后,输入和输出光强之间满足:
(1)式中: 为电解液倏逝波吸收系数,为裸光纤的长度。图7中,21为腐蚀纤芯,29为入射光,30为反射光,31为透射光,32为倏逝波区。文献(A. W. SNYDER and J. D. LOVE, Optical Waveguide Theory [M]. (Chapman & Hall, London, 1983) pp. 63-88)给出了光纤ATR传感臂直线段裸光纤的计算表达式为:
(2)式中: 为电解液容积吸收系数,为纤芯半径,为纤芯与电解液分界面全反射临界角,为偏斜角。从式(2)可以看出当时,达到最大;时,最小。考虑光纤ATR传感臂的最低灵敏度和精度,因此假定,同时将带入式(2),经过变形后为:
文献(B.D. Gupta, H. dodeja, and A.K. Tomar, Fiber optic evanescent field absorption based on U-shaped probe [J]. Opt Quantum Electron, 28 (1996):1629-1639)和(Pabitra Nath. Enhanced sensitive fiber-optic sensor with double pass evanescent field absorption [J]. Microwave and Optical technology Letters, 51(2009):3004-3006)给出了U形结构的光纤ATR传感臂倏逝波在纤芯内表面和外表面的有效吸收系数,纤芯外表面倏逝波吸收系数:
(5)
纤芯内表面倏逝波吸收系数:
将式(3)、式(4)、式(6)代入式(1)后,经过变形后可得光纤ATR传感臂输入、输出光强之间的表达式:
式(8)表明:经倏逝波衰减后的光能量与光纤感应区特征参数(即腐蚀纤芯半径、U形结构的直线段纤芯长度、U形结构的弯曲半径)和电解液折射率有关。但是,式(8)并未考虑温度变化对折射率的影响。由于地区差异以及对铅酸蓄电进行充放电,均可能导致电解液温度变化,同时导致电解液折射率变化。因此,需对式(8)进行修正后才适用于模拟计算蓄电池电解液的折射率。Samedov(F. Samedov. Laser-based optical facility for determination of refractive index of liquids [J]. Optics & Laser Technology, 38(2006):28-36)研究表明:流体折射率与温度间具有负关系,经验公式为:
(9)
假定在铅酸蓄电池充放电过程,正极板表面电解液的折射率为。在考虑温度对电解液折射率影响的条件下,根据式(8)和式(9)可以到正极板表面光纤ATR传感臂输入光强和输出光强间的修正函数表达式:
4.2)光纤温度补偿臂输出的光强
文献(Bao-Jin Peng, Yong Zhaob, Chao-Fu Ying. Novel optical sensor for simultaneous measurement of liquid concentration and temperature, Optics & Laser Technology 39 (2007): 105-109)给出了当一束光经过半导体砷化镓(GaAs)时,半导体砷化镓(GaAs)吸收波长与温度之间的函数关系:
Panish(Panish Jr MB, Casey HC. Temperature dependence of energy gap in GaAs and GaP. J Appl Phys 40(1969):163–167)等研究表明:在20~972K温度范围内与温度之间的函数关系可描述为:
由式(11)和式(12)可得到半导体吸收波长与温度间的函数关系。其中,半导体材料的吸收系数:
同样采用式(1)计算光束经过砷化镓(GaAs)膜吸收后的输出光强,则有:
(15)
对式(15)经过泰勒展开、变形后可的到光纤ATR温度补偿臂的输出光强:
(16)
5)光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂输出的电压信号
(17)
, (20)
(20)式从理论上证实,具有温度补偿的光纤ATR传感器输出的电压信号实现了铅酸蓄电剩余容量的测量,且传感器输出的电压信号只与光纤ATR传感臂敏感区特征参数(即腐蚀后纤芯的半径、U形结构的直线段的长度、U形结构的弯曲半径)、电池正极板表面电解液折射率和砷化镓(GaAs)膜的参数、、和有关。因为参数、、、和为常参量,传感器输出电压信号的变化情况只与正极板电解液折射率的变化情况有关,消除了温度对待侧信号的影响,能实现蓄电池容量的准确测量。
实验结果及理论分析表明:该方法可用于在线测量铅酸蓄电池剩余容量,传感器的设计原理和方法均具有一定的普遍意义。该传感器对铅酸蓄电池的开发和广泛运用具有一定的推动作用。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种检测铅酸蓄电池剩余容量的装置,其特征在于:包括光源(2)、光源-光纤耦合器(3)、光纤适配器(8)、光纤ATR传感臂(9)、光纤温度补偿臂(10)、光电探测器(15)、信号调理电路(16)、模数转换器(17)和单片机(18);
所述光纤ATR传感臂(9)由腐蚀纤芯(21)组成,且呈U形结构;光纤温度补偿臂(10)由腐蚀纤芯(21)、沉积在腐蚀纤芯(21)表面上的砷化镓薄膜(24)和砷化镓薄膜(24)表面上的镀金膜(25)组成,且呈U形结构;所述光纤ATR传感臂(9)和光纤温度补偿臂(10)设置在铅酸蓄电池(11)的正极板(12)上,且开口朝上;
所述光源(2)发出的光束射入光源-光纤耦合器(3)内;光源-光纤耦合器(3)分别通过入射光纤与光纤适配器(8)和光电探测器(15)连接;所述光纤ATR传感臂(9)的两端和光纤温度补偿臂(10)的两端连接光纤适配器(8),光纤适配器(8)的输出端通过出射光纤与光电探测器(15)连接;所述光电探测器(15)的输出端与信号调理电路(16)连接;所述信号调理电路(16)的输出端与模数转换器(17)连接;所述模数转换器(17)的信号输出端与单片机(18)连接。
2.根据权利要求1所述的检测铅酸蓄电池剩余容量的装置,其特征在于:还包括光分路器(4),所述光源-光纤耦合器(3)的出射光经光分路器(4)分为三路光束,其中两路光束通过入射光纤进入铅酸蓄电池(11),另一路光束直接通过入射光纤进入光电探测器(15)。
3.根据权利要求1所述的检测铅酸蓄电池剩余容量的装置,其特征在于:所述正极板(12)上设有U形结构的凹槽(26),所述光纤ATR传感臂(9)和光纤温度补偿臂(10)设置在凹槽(26)内,并通过环氧树脂胶(27)固定。
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