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 PDF

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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

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 153305DEST_PATH_IMAGE001
正极：
Figure 534739DEST_PATH_IMAGE002
负极：
Figure 181316DEST_PATH_IMAGE003
② 放电过程电化学总反应方程： 
正极：
Figure 353988DEST_PATH_IMAGE005
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 672154DEST_PATH_IMAGE007
减少，
Figure 30454DEST_PATH_IMAGE008
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
Figure 787113DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 650026DEST_PATH_IMAGE009
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650～750μm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：
      
Figure 139094DEST_PATH_IMAGE010
式中：
Figure 2010102851626100002DEST_PATH_IMAGE011
表示输入光强；
Figure 797346DEST_PATH_IMAGE012
表示电解液容积吸收系数；
Figure 147556DEST_PATH_IMAGE013
表示光源波长；
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，表示界面入射夹角的大小；
Figure 966924DEST_PATH_IMAGE016
1表示光纤ATR传感臂直线段的长度；
Figure 858395DEST_PATH_IMAGE017
表示光纤ATR传感臂的弯曲半径；
Figure 758217DEST_PATH_IMAGE018
表示腐蚀纤芯的半径；
Figure 262011DEST_PATH_IMAGE019
表示纤芯的折射率；
Figure 235783DEST_PATH_IMAGE020
表示温度为20℃时正极板表面电解液的折射率；
Figure 861937DEST_PATH_IMAGE021
表示电解液特征参数；
Figure DEST_PATH_IMAGE022
表示电解液的温度； 1表示
Figure 670722DEST_PATH_IMAGE024
 , 其中：     
Figure 826897DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 561634DEST_PATH_IMAGE026
， 
    其中：
Figure 108153DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 717864DEST_PATH_IMAGE028
；
Figure 728545DEST_PATH_IMAGE029
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；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 668000DEST_PATH_IMAGE031
 ；
Figure 114024DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 182475DEST_PATH_IMAGE033
；         
   式中：
Figure 757550DEST_PATH_IMAGE011
表示输入光强；
Figure 278661DEST_PATH_IMAGE034
表示砷化镓对光束的反射系数；
Figure 528377DEST_PATH_IMAGE035
表示与砷化镓材料有关的常数，
Figure 451334DEST_PATH_IMAGE036
；
Figure 698775DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure 205718DEST_PATH_IMAGE016
1表示光纤温度补偿臂直线段的长度；
Figure 259125DEST_PATH_IMAGE017
表示光纤温度补偿臂的弯曲半径；
Figure 36588DEST_PATH_IMAGE038
表示温度0K的禁带宽度能量，
Figure 517248DEST_PATH_IMAGE039
；
Figure 747372DEST_PATH_IMAGE040
表示光子频率；
Figure 542152DEST_PATH_IMAGE041
表示与砷化镓材料有关的常量，
Figure 690235DEST_PATH_IMAGE042
；
Figure 341797DEST_PATH_IMAGE022
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；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 206481DEST_PATH_IMAGE045
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 232206DEST_PATH_IMAGE046
          
 
Figure 873141DEST_PATH_IMAGE047
 
    
Figure 744145DEST_PATH_IMAGE048
 
式中：
Figure 350707DEST_PATH_IMAGE049
表示光电探测器系数；
    6）将
Figure 45868DEST_PATH_IMAGE043
、
Figure 534618DEST_PATH_IMAGE044
、经过运算、并令
Figure 935961DEST_PATH_IMAGE050
，得到传感器输出的电压信号
Figure 279534DEST_PATH_IMAGE052
与电解液折射率
Figure 256455DEST_PATH_IMAGE053
的关系式：
     ，                           
    式中，
Figure 172776DEST_PATH_IMAGE055
。
    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 573801DEST_PATH_IMAGE052
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 918195DEST_PATH_IMAGE052
只与其光纤ATR传感臂敏感区特征参数
Figure 353856DEST_PATH_IMAGE056
（即腐蚀后纤芯的半径
Figure 302001DEST_PATH_IMAGE018
、U形结构直线段的长度
Figure 518219DEST_PATH_IMAGE057
、U形结构的弯曲半径
Figure 338407DEST_PATH_IMAGE017
）、电池正极板表面电解液折射率
Figure 628574DEST_PATH_IMAGE053
和光纤温度补偿臂砷化镓（GaAs）膜的参数
Figure 305543DEST_PATH_IMAGE058
、
Figure 681161DEST_PATH_IMAGE059
、
Figure 803575DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 10566DEST_PATH_IMAGE021
有关。因为参数
Figure 61698DEST_PATH_IMAGE056
、
Figure 924612DEST_PATH_IMAGE058
、
Figure 148920DEST_PATH_IMAGE059
、和
Figure 134248DEST_PATH_IMAGE021
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 281196DEST_PATH_IMAGE053
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 246878DEST_PATH_IMAGE045
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=0.65μm/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
Figure 366144DEST_PATH_IMAGE060
，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 821396DEST_PATH_IMAGE061
                                         (1)
    (1)式中: 
Figure 95120DEST_PATH_IMAGE062
为电解液倏逝波吸收系数，
Figure 598914DEST_PATH_IMAGE016
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 635003DEST_PATH_IMAGE062
的计算表达式为：
    
Figure 198839DEST_PATH_IMAGE063
                   (2)           
    （2）式中: 
Figure 258062DEST_PATH_IMAGE012
为电解液容积吸收系数，
Figure 627864DEST_PATH_IMAGE018
为纤芯半径，
Figure 214397DEST_PATH_IMAGE064
为纤芯与电解液分界面全反射临界角，
Figure 949135DEST_PATH_IMAGE065
为偏斜角。从式（2）可以看出当
Figure 557971DEST_PATH_IMAGE066
时，
Figure 403567DEST_PATH_IMAGE062
达到最大；
Figure 351932DEST_PATH_IMAGE067
时，
Figure 319888DEST_PATH_IMAGE062
最小。考虑光纤ATR传感臂的最低灵敏度和精度，因此假定
Figure 852238DEST_PATH_IMAGE067
，同时将带入式(2)，经过变形后为：
     
Figure 632292DEST_PATH_IMAGE069
                                   (3)
   （3）式中，参数为：
Figure 964365DEST_PATH_IMAGE071
；
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 479660DEST_PATH_IMAGE015
分为外界面夹角和内界面夹角
Figure 148593DEST_PATH_IMAGE073
，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 953738DEST_PATH_IMAGE074
                                      (4)
    式（4）中：参数
Figure 944828DEST_PATH_IMAGE075
表达式如下：
                         (5)
式（5）中
Figure 202951DEST_PATH_IMAGE076
和分别为：
     
Figure 726391DEST_PATH_IMAGE027
；
Figure 686257DEST_PATH_IMAGE028
     其中：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 992921DEST_PATH_IMAGE030
表示光纤包层折射率。
     纤芯内表面倏逝波吸收系数：
     
Figure 830208DEST_PATH_IMAGE078
                                            (6)
    式（6）中：参数
Figure 644580DEST_PATH_IMAGE079
表达式如下：
     
Figure 404726DEST_PATH_IMAGE026
                     (7)
     式（7）中
Figure 609442DEST_PATH_IMAGE080
，
Figure 808342DEST_PATH_IMAGE081
为：
     
Figure 414904DEST_PATH_IMAGE082
    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 844486DEST_PATH_IMAGE083
                              (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 598816DEST_PATH_IMAGE018
、U形结构的直线段纤芯长度、U形结构的弯曲半径
Figure 158DEST_PATH_IMAGE017
）和电解液折射率
Figure 164423DEST_PATH_IMAGE084
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)
      式（9）中， 
Figure 320653DEST_PATH_IMAGE021
表示电解液特征参数，
Figure 698545DEST_PATH_IMAGE086
表示温度为20℃时电解液的折射率，
Figure 236973DEST_PATH_IMAGE022
表示电解液温度，
Figure 637999DEST_PATH_IMAGE087
表示温度为
Figure 920076DEST_PATH_IMAGE022
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。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 298022DEST_PATH_IMAGE089
             (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 248661DEST_PATH_IMAGE090
                                                   (11)
式（11）中
Figure 68849DEST_PATH_IMAGE091
为半导体的吸收波长；
Figure 359016DEST_PATH_IMAGE029
为普朗克常量(
Figure 301564DEST_PATH_IMAGE092
)；
Figure 193295DEST_PATH_IMAGE093
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 24165DEST_PATH_IMAGE095
与温度之间的函数关系可描述为：
 
Figure 75298DEST_PATH_IMAGE096
                                        (12)      
式（12）中
Figure 938212DEST_PATH_IMAGE022
为温度；
Figure 598738DEST_PATH_IMAGE038
为温度0 K 的禁带宽度能量；和
Figure 882269DEST_PATH_IMAGE041
为与砷化镓材料有关的常量，
Figure 232478DEST_PATH_IMAGE039
，
Figure 260477DEST_PATH_IMAGE098
，。
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 271213DEST_PATH_IMAGE099
                                      (13)
Figure 905457DEST_PATH_IMAGE035
是与砷化镓材料有关的常数，
Figure 409251DEST_PATH_IMAGE036
；
Figure 648602DEST_PATH_IMAGE040
为光子频率，红外线的频率范围为
Figure 274756DEST_PATH_IMAGE100
～
Figure 333978DEST_PATH_IMAGE101
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 139998DEST_PATH_IMAGE102
                           (14)
Figure 296173DEST_PATH_IMAGE034
为常数（GaAs对光束的反射系数），
Figure 30911DEST_PATH_IMAGE037
。假定铅酸蓄电池正常工作的温度为273～323K，从而假定有
Figure 577430DEST_PATH_IMAGE103
。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 843741DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 939873DEST_PATH_IMAGE033
。
    5）光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂输出的电压信号
    用
Figure 589160DEST_PATH_IMAGE043
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 392031DEST_PATH_IMAGE044
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 530888DEST_PATH_IMAGE045
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： 
                      (17)
 
Figure 3513DEST_PATH_IMAGE047
                                     (18)
    
Figure 723207DEST_PATH_IMAGE048
                                           (19)
式中：
Figure 970649DEST_PATH_IMAGE049
表示光电探测器系数；
    6）将（17）式、（18）式、（19）式经过运算、并令
Figure 41373DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure 32463DEST_PATH_IMAGE051
得到传感器输出的电压信号
Figure 809926DEST_PATH_IMAGE052
与电解液折射率
Figure 290586DEST_PATH_IMAGE053
的关系式：
     ，                                (20)                          
    式中，
Figure 814026DEST_PATH_IMAGE055
。
（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 508312DEST_PATH_IMAGE052
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 363136DEST_PATH_IMAGE056
（即腐蚀后纤芯的半径
Figure 142873DEST_PATH_IMAGE018
、U形结构的直线段的长度、U形结构的弯曲半径
Figure 726356DEST_PATH_IMAGE017
）、电池正极板表面电解液折射率
Figure 548818DEST_PATH_IMAGE053
和砷化镓（GaAs）膜的参数
Figure 753535DEST_PATH_IMAGE058
、
Figure 890118DEST_PATH_IMAGE059
、和
Figure 490044DEST_PATH_IMAGE021
有关。因为参数
Figure 244373DEST_PATH_IMAGE056
、
Figure 411744DEST_PATH_IMAGE058
、
Figure 872812DEST_PATH_IMAGE059
、
Figure 302657DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 481965DEST_PATH_IMAGE021
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 757089DEST_PATH_IMAGE107
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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