CN101963653A - 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 PDF

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CN101963653A CN 201010285162 CN201010285162A CN101963653A CN 101963653 A CN101963653 A CN 101963653A CN 201010285162 CN201010285162 CN 201010285162 CN 201010285162 A CN201010285162 A CN 201010285162A CN 101963653 A CN101963653 A CN 101963653A
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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
Figure 201010285162.6_AB_0
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

光纤ATR传感器检测铅酸蓄电池剩余容量的方法及装置
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，对系统要求高，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：
① 充电过程电化学总反应方程：                                                
Figure DEST_PATH_IMAGE001
正极：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
负极：
② 放电过程电化学总反应方程： 
Figure 264416DEST_PATH_IMAGE006
正极：
Figure 650398DEST_PATH_IMAGE008
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
Figure DEST_PATH_IMAGE011
减少，
Figure 24014DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 307228DEST_PATH_IMAGE014
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
Figure 865565DEST_PATH_IMAGE014
离子减少，并有
Figure 782574DEST_PATH_IMAGE011
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，测量系统成本较低，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650～750??m和直径为380～420??m的两种腐蚀纤芯； 2）制作光纤ATR传感臂：将直径为650～750??m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380～420??m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996??m；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1000??m；
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：
     
Figure DEST_PATH_IMAGE015
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
表示输入光强；
Figure 857978DEST_PATH_IMAGE018
表示电解液容积吸收系数；
Figure 851341DEST_PATH_IMAGE020
表示光源波长；
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 792621DEST_PATH_IMAGE022
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；
Figure 467316DEST_PATH_IMAGE024
表示光纤ATR传感臂的弯曲半径；
Figure DEST_PATH_IMAGE025
表示腐蚀纤芯的半径；
Figure 708811DEST_PATH_IMAGE026
表示纤芯的折射率；
Figure 607497DEST_PATH_IMAGE028
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；
Figure 786805DEST_PATH_IMAGE030
表示电解液的温度；
Figure DEST_PATH_IMAGE031
1表示
Figure 327508DEST_PATH_IMAGE032
 , 其中：     
，
Figure 361192DEST_PATH_IMAGE034
， 
    其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 883309DEST_PATH_IMAGE036
；
Figure DEST_PATH_IMAGE037
表示光束由U形结构的光纤ATR传感臂的直线段纤芯进入弯曲段纤芯时，光束与分界面的垂距；
Figure 81072DEST_PATH_IMAGE038
表示光纤包层的折射率；           
通过下式计算光纤温度补偿臂输出光强：
 ；
Figure 97570DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
；         
   式中：
Figure 782498DEST_PATH_IMAGE017
表示输入光强；
Figure 22986DEST_PATH_IMAGE042
表示砷化镓对光束的反射系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE043
表示与砷化镓材料有关的常数，
Figure 442466DEST_PATH_IMAGE044
；
Figure DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure 511922DEST_PATH_IMAGE023
1表示光纤温度补偿臂直线段的长度；
Figure 333248DEST_PATH_IMAGE024
表示光纤温度补偿臂的弯曲半径；
Figure 275796DEST_PATH_IMAGE046
表示温度0K的禁带宽度能量，
Figure DEST_PATH_IMAGE047
；
Figure 448151DEST_PATH_IMAGE048
表示光子频率；
Figure DEST_PATH_IMAGE049
表示与砷化镓材料有关的常量，
Figure 258981DEST_PATH_IMAGE050
；
Figure 200393DEST_PATH_IMAGE030
表示电解液的温度；
    5）用
Figure DEST_PATH_IMAGE051
表示光纤ATR传感臂输出光强经过光电探测器后的输出电压；
Figure 500793DEST_PATH_IMAGE052
表示光纤温度补偿臂输出光强经过光电探测器后的输出电压；
Figure DEST_PATH_IMAGE053
表示光束通过入射光纤直接经过光电探测器后的输出电压； 
   
Figure 894865DEST_PATH_IMAGE054
          
 
Figure DEST_PATH_IMAGE055
 
    
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE057
表示光电探测器系数；
    6）将
Figure 305304DEST_PATH_IMAGE051
、
Figure 589655DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 471023DEST_PATH_IMAGE053
经过运算、并令
Figure 217131DEST_PATH_IMAGE058
，
Figure DEST_PATH_IMAGE059
得到传感器输出的电压信号
Figure 867555DEST_PATH_IMAGE060
与电解液折射率
Figure DEST_PATH_IMAGE061
的关系式：
   
Figure 994911DEST_PATH_IMAGE062
 ，                           
    式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE063
。
    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
Figure 81685DEST_PATH_IMAGE060
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
Figure 647795DEST_PATH_IMAGE060
只与其光纤ATR传感臂敏感区特征参数
Figure 418305DEST_PATH_IMAGE064
（即腐蚀后纤芯的半径
Figure 247721DEST_PATH_IMAGE025
、U形结构直线段的长度
Figure DEST_PATH_IMAGE065
、U形结构的弯曲半径
Figure 352949DEST_PATH_IMAGE024
）、电池正极板表面电解液折射率
Figure 191592DEST_PATH_IMAGE061
和光纤温度补偿臂砷化镓（GaAs）膜的参数
Figure 551029DEST_PATH_IMAGE066
、
Figure DEST_PATH_IMAGE067
、和
Figure 691341DEST_PATH_IMAGE029
有关。因为参数
Figure 786204DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure 265727DEST_PATH_IMAGE066
、
Figure 702525DEST_PATH_IMAGE067
、
Figure 516766DEST_PATH_IMAGE042
和
Figure 228370DEST_PATH_IMAGE029
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
Figure 562399DEST_PATH_IMAGE061
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。
4、引入
Figure 170098DEST_PATH_IMAGE053
作为光束通过入射光纤直接经过光电探测器后的输出电压，消除了传感器输出电压信号受光源波动的影响，提高了传感器系统的测量精度和准确度。
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=0.65??m/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650～750??m；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380～420??m。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650～750??m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380～420??m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996??m；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1000??m。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290??m，已有研究的结果表明光纤倏逝波透射深度
Figure 222368DEST_PATH_IMAGE068
，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：
 
Figure DEST_PATH_IMAGE069
                                         (1)
    (1)式中: 
Figure 737663DEST_PATH_IMAGE070
为电解液倏逝波吸收系数，
Figure 656027DEST_PATH_IMAGE023
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
Figure 434627DEST_PATH_IMAGE070
的计算表达式为：
                      (2)           
    （2）式中: 为电解液容积吸收系数，
Figure 745708DEST_PATH_IMAGE025
为纤芯半径，
Figure 54330DEST_PATH_IMAGE072
为纤芯与电解液分界面全反射临界角，
Figure DEST_PATH_IMAGE073
为偏斜角。从式（2）可以看出当
Figure 3831DEST_PATH_IMAGE074
时，
Figure 765114DEST_PATH_IMAGE070
达到最大；时，
Figure 809162DEST_PATH_IMAGE070
最小。考虑光纤ATR传感臂的最低灵敏度和精度，因此假定
Figure 972290DEST_PATH_IMAGE075
，同时将带入式(2)，经过变形后为：
                                       (3)
   （3）式中，参数
Figure 856119DEST_PATH_IMAGE078
为：；
对于U形结构的光纤ATR传感臂，当光束由光纤ATR传感臂的直线段进入弯曲段纤芯时，界面入射夹角
Figure 720169DEST_PATH_IMAGE022
分为外界面夹角和内界面夹角
Figure DEST_PATH_IMAGE081
，如图8所示。 
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：
    
Figure 560266DEST_PATH_IMAGE082
                                      (4)
    式（4）中：参数
Figure DEST_PATH_IMAGE083
表达式如下：
    
Figure 748671DEST_PATH_IMAGE033
                    (5)
式（5）中
Figure 416413DEST_PATH_IMAGE084
和
Figure DEST_PATH_IMAGE085
分别为：
    
Figure 288554DEST_PATH_IMAGE035
；
Figure 265606DEST_PATH_IMAGE036
     其中：
Figure 488777DEST_PATH_IMAGE037
表示光束由光纤ATR传感臂的直线段进入弯曲段纤芯时，光束与分界面的垂距；
Figure 694630DEST_PATH_IMAGE038
表示光纤包层折射率。
     纤芯内表面倏逝波吸收系数：
    
Figure 218016DEST_PATH_IMAGE086
                                            (6)
    式（6）中：参数表达式如下：
                         (7)
     式（7）中
Figure 279698DEST_PATH_IMAGE088
，
Figure DEST_PATH_IMAGE089
为：
    
Figure 289243DEST_PATH_IMAGE090
    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：
    
Figure DEST_PATH_IMAGE091
                              (8)
    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
Figure 119664DEST_PATH_IMAGE025
、U形结构的直线段纤芯长度
Figure 923672DEST_PATH_IMAGE065
、U形结构的弯曲半径
Figure 652594DEST_PATH_IMAGE024
）和电解液折射率
Figure 200250DEST_PATH_IMAGE092
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： 
      
Figure DEST_PATH_IMAGE093
                                              (9)
      式（9）中， 
Figure 432648DEST_PATH_IMAGE029
表示电解液特征参数，表示温度为20℃时电解液的折射率，
Figure 76305DEST_PATH_IMAGE030
表示电解液温度，
Figure DEST_PATH_IMAGE095
表示温度为
Figure 896493DEST_PATH_IMAGE030
时电解液的折射率。
     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
Figure 248977DEST_PATH_IMAGE096
。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：
     
Figure DEST_PATH_IMAGE097
             (10) 
 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：
  
Figure 378476DEST_PATH_IMAGE098
                                                   (11)
式（11）中为半导体的吸收波长；
Figure 285252DEST_PATH_IMAGE037
为普朗克常量(
Figure 174711DEST_PATH_IMAGE100
)；为光速；是温度的函数。
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
Figure DEST_PATH_IMAGE103
与温度之间的函数关系可描述为：
 
Figure 150943DEST_PATH_IMAGE104
                                        (12)      
式（12）中
Figure 545015DEST_PATH_IMAGE030
为温度；
Figure 487432DEST_PATH_IMAGE046
为温度0 K 的禁带宽度能量；
Figure DEST_PATH_IMAGE105
和为与砷化镓材料有关的常量，
Figure 36543DEST_PATH_IMAGE047
，
Figure 917911DEST_PATH_IMAGE106
，
Figure 945910DEST_PATH_IMAGE050
。
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：
 
Figure DEST_PATH_IMAGE107
                                      (13)
Figure 48864DEST_PATH_IMAGE043
是与砷化镓材料有关的常数，
Figure 972957DEST_PATH_IMAGE044
；
Figure 341622DEST_PATH_IMAGE048
为光子频率，红外线的频率范围为
Figure 625842DEST_PATH_IMAGE108
～Hz。
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：
 
Figure 130772DEST_PATH_IMAGE110
                           (14)
Figure 225767DEST_PATH_IMAGE042
为常数（GaAs对光束的反射系数），
Figure 81728DEST_PATH_IMAGE045
。假定铅酸蓄电池正常工作的温度为273～323K，从而假定有。式（14）简化为： 
                              (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)
式（16）中，
Figure 997917DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure 263813DEST_PATH_IMAGE041
。
    5）光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂输出的电压信号
    用
Figure 872649DEST_PATH_IMAGE051
表示光纤ATR传感臂输出光强经过光电探测器后的输出电压；
Figure 764251DEST_PATH_IMAGE052
表示光纤温度补偿臂输出光强经过光电探测器后的输出电压；
Figure 243774DEST_PATH_IMAGE053
表示光束通过入射光纤直接经过光电探测器后的输出电压： 
   
Figure 680571DEST_PATH_IMAGE114
                  (17)
 
Figure 776703DEST_PATH_IMAGE055
                                     (18)
   
Figure 691570DEST_PATH_IMAGE056
                                           (19)
式中：
Figure 87916DEST_PATH_IMAGE057
表示光电探测器系数；
    6）将（17）式、（18）式、（19）式经过运算、并令，
Figure 743291DEST_PATH_IMAGE059
得到传感器输出的电压信号
Figure 461849DEST_PATH_IMAGE060
与电解液折射率的关系式：
   
Figure 915964DEST_PATH_IMAGE062
 ，                                (20)                          
    式中，
Figure 943832DEST_PATH_IMAGE063
。
（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
Figure 14556DEST_PATH_IMAGE060
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
Figure 536804DEST_PATH_IMAGE064
（即腐蚀后纤芯的半径
Figure 845426DEST_PATH_IMAGE025
、U形结构的直线段的长度
Figure 794927DEST_PATH_IMAGE065
、U形结构的弯曲半径
Figure 87368DEST_PATH_IMAGE024
）、电池正极板表面电解液折射率
Figure 210045DEST_PATH_IMAGE061
和砷化镓（GaAs）膜的参数、
Figure 946106DEST_PATH_IMAGE067
、和
Figure 855473DEST_PATH_IMAGE029
有关。因为参数
Figure 122375DEST_PATH_IMAGE064
、
Figure 679258DEST_PATH_IMAGE066
、
Figure 415133DEST_PATH_IMAGE067
、
Figure 348454DEST_PATH_IMAGE042
和
Figure 486174DEST_PATH_IMAGE029
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
Figure DEST_PATH_IMAGE115
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 (5)

1.一种光纤ATR传感器检测铅酸蓄电池剩余容量的方法，其特征在于，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650～750??m和直径为380～420??m的两种腐蚀纤芯；   2）制作光纤ATR传感臂：将直径为650～750??m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380～420??m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996??m；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1000??m；
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：
                                                     
Figure 2010102851626100001DEST_PATH_IMAGE002
式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表示输入光强；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表示电解液容积吸收系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表示光源波长；，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
表示界面入射夹角的大小；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
1表示光纤ATR传感臂直线段的长度；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
表示光纤ATR传感臂的弯曲半径；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
表示腐蚀后纤芯的半径；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
表示纤芯的折射率；
Figure DEST_PATH_IMAGE022
表示温度为20℃时正极板表面电解液的折射率；
Figure DEST_PATH_IMAGE024
表示电解液特征参数；表示电解液的温度；
Figure DEST_PATH_IMAGE028
1表示
Figure DEST_PATH_IMAGE030
 , 其中：     
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
， 
    其中：，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
；表示光束由U形结构的光纤ATR传感臂的直线段纤芯进入弯曲段纤芯时，光束与分界面的垂距；
Figure DEST_PATH_IMAGE042
表示光纤包层的折射率；           
通过下式计算光纤温度补偿臂输出光强：
Figure DEST_PATH_IMAGE044
 ；
Figure DEST_PATH_IMAGE046
，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
；         
    式中：表示输入光强；
Figure DEST_PATH_IMAGE052
表示砷化镓对光束的反射系数；
Figure DEST_PATH_IMAGE054
表示与砷化镓材料有关的常数，
Figure DEST_PATH_IMAGE056
；
Figure DEST_PATH_IMAGE058
，
Figure 698788DEST_PATH_IMAGE014
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，
Figure DEST_PATH_IMAGE062
；
Figure DEST_PATH_IMAGE064
表示光子频率；
Figure DEST_PATH_IMAGE066
表示与砷化镓材料有关的常量，
Figure DEST_PATH_IMAGE068
；
Figure 51458DEST_PATH_IMAGE026
表示电解液的温度；
    5）用表示光纤ATR传感臂输出光强经过光电探测器后的输出电压；
Figure DEST_PATH_IMAGE072
表示光纤温度补偿臂输出光强经过光电探测器后的输出电压；
Figure DEST_PATH_IMAGE074
表示光束通过入射光纤直接经过光电探测器后的输出电压； 
    
Figure DEST_PATH_IMAGE076
          
 
Figure DEST_PATH_IMAGE078
 
    
Figure DEST_PATH_IMAGE080
 
式中：表示光电探测器系数；
    6）将
Figure 769970DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure 990867DEST_PATH_IMAGE072
、经过运算、变形后可得铅酸蓄电池剩余容量电压：
     ，                           
    式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE088
。
2. 根据权利要求1所述的光纤ATR传感器检测铅酸蓄电池剩余容量的方法及装置，其特征在于：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。
3. 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。
4.根据权利要求3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）。
5.根据权利要求3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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