CN101963654B - 差分光纤atr传感器检测蓄电池剩余容量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差分光纤ATR传感器检测蓄电池剩余容量的方法，首先将纤芯腐蚀，将腐蚀后的纤芯制作成光纤ATR传感器，在正极板和负极板上对称各安装一个光纤ATR传感器，光束通过进入正极板和负极板上的光纤ATR传感器后通入光电探测器，利用

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。本发明采用的光纤ATR传感器体积小，安装在电极板上，实现了平均测量；同时采用差分形式方法消除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；光纤ATR传感器由于具有体积小、耐腐蚀、成本低、远距离传感、在线测量等特点，在水质监测、医疗卫生、生物化学等领域可得到广泛的应用。

Description

差分光纤ATR传感器检测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，尤其涉及一种差分光纤ATR传感器检测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。

铅酸蓄电池是利用塑料、橡胶或玻璃钢制成长方体外壳，内充电解液稀硫酸（                                                

)，正、负两电极板浸入其中。正极板活性物质为二氧化铅(

)，负极板活性物质为海绵状金属铅(

)，两极板间用微孔橡胶或微孔塑料隔开。

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：

正极：

负极：

② 放电过程电化学总反应方程： 

正极：

负极：

从充放电过程正负极板反应方程式可以看出：在充电过程中，正、负极板生成物固体颗粒不同，正极为

颗粒，负极为颗粒；在放电过程中，正、负极板反应物固体颗粒不同，正极为

颗粒，负极为

颗粒；只有正极板表面上发生了

的离解和化合反应。正负极板电化学反应特点表明：在充放电过程中，正负极板表面固体颗粒和电解液折射率必然不相同。如果在正、负极板表面分别通入一束光，通过检测衰减后的光能量可实现电池剩余容量的测量。

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，但是传感器探头尺寸较大，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，精度较低。

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差分光纤ATR传感器检测蓄电池剩余容量的方法及装置。

    本发明提供的差分光纤ATR传感器检测蓄电池剩余容量的方法，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25～35℃下进行腐蚀，将纤芯均匀腐蚀至直径为650～750??m；

2）将腐蚀后的纤芯制作成U形结构的光纤ATR传感器，在铅酸蓄电池的正极板和负极板上各安装一个光纤ATR传感器，正极板和负极板上的光纤ATR传感器成对称分布；

3）光束通过入射光纤进入正极板和负极板上的光纤ATR传感器，正极板和负极板上的光纤ATR传感器输出的光束通过出射光纤输出，通过下式的修正函数计算正极板和负极板表面输出光强：

正极板表面输出光能量的表达式为：

           

负极板表面输出光能量的表达式为：

          

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传感器直线段的长度；

表示光纤ATR传感器弯曲段的弯曲半径；

表示腐蚀后纤芯的半径；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； 

表示温度为20℃时负极板表面电解液的折射率；

表示电解液倏逝波吸收系数；

表示电解液的温度；

₁表示

 , 其中：     

，

， 

其中：

，

；

表示光束由U形结构的光纤ATR传感器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；

4）将出射光纤进入光电探测器，光电探测器通过光电转换后，正极板上的光纤ATR传感器输出的电压为：

    

；

负极板上的光纤ATR传感器输出的电压为：

    

；

式中：

表示光电转换系数；  

5）将

、

经过变换后可得光纤ATR传感器输出的铅酸蓄电池剩余容量的电压：

。

进一步，所述光纤纤芯直径为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℃；

进一步，在步骤2）中，正极板和负极板上分别设有用于安装光纤ATR传感器的凹槽，在凹槽内涂上一层环氧树脂胶，将光纤ATR传感器平放在凹槽内，再涂上一层环氧树脂胶将光纤ATR传感器固定在极板的板栅筋条上；

进一步，所述正极板和负极板上光纤ATR传感器的两个端头与光纤适配器连接，所述入射光纤和出射光纤与光纤适配器连接；

进一步，入射光束在纤芯与包层分界面的入射角

。

本发明提供的检测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、第一光纤ATR传感器、第二光纤ATR传感器、光电探测器、前置放大器、A／D转换器和数据处理单元；

所述第一光纤ATR传感器和第二光纤ATR传感器均由腐蚀后的光纤纤芯组成，且呈U形结构；所述第一光纤ATR传感器设置在铅酸蓄电池的正极板上，第二光纤ATR传感器设置在负极板上，且第一光纤ATR传感器平行于第二光纤ATR传感器；所述光源发出的光束通过光源-光纤耦合器进入光纤，光源-光纤耦合器通过入射光纤与光纤适配器连接；所述第一光纤ATR传感器的两端和第二光纤ATR传感器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前置放大器连接；所述前置放大器的输出端与A／D转换器连接；所述A／D转换器的信号输出端与数据处理单元连接。

进一步，还包括光分路器，所述光分路器串接在光源-光纤耦合器与入射光纤之间；

进一步，所述正极板和负极板上分别设有U形结构的凹槽，所述第一光纤ATR传感器和第二光纤ATR传感器分别设置在凹槽内，并通过环氧树脂胶固定；

    进一步，所述第一光纤ATR传感器和第二光纤ATR传感器的直径为700??m。

 与现有技术相比，本发明的差分光纤ATR传感器检测蓄电池剩余容量的方法及装置具有如下优点：

 1、本发明设计了一种适用于铅酸蓄电池剩余容量在线原位监测的光纤衰减全反射光纤ATR传感器，这种光纤ATR传感器体积小，安装在电极板上，对蓄电池充放电过程中极板表面折射率进行在线测量；同时采用差分形式方法消除温度对待测信号的影响，提高了光纤ATR传感器的测量准确度和精度。

 2、光纤ATR传感器输出的信号电压

实现了铅酸蓄电剩余容量的测量，且ATR传感器输出信号电压只与光纤ATR传感器敏感区特征参数（即腐蚀纤芯的半径、光纤ATR传感器直线段的长度

、光纤ATR传感器弯曲段的弯曲半径

）和电池正、负极板表面电解液在20℃时折射率差有关，与电解液温度变化无关，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、在进行光耦合时，考虑了入射光束在纤芯与包层分界面的最佳入射角

，保证了光纤倏逝波透射的最大深度

，提高了传感器的灵敏度。

4、传感器安装在电池极板上，实现了平均测量，提高了传感器的测量精度；ATR传感器利用光纤适配器，实现了输出信号的远距离传输。

5、光纤ATR传感器由于具有体积小、耐腐蚀、成本低、远距离传感、在线测量等特点，在水质监测、医疗卫生、生物化学等领域可得到广泛的应用。

附图说明

图1为光纤的结构示意图；

图2为光纤的横截面结构示意图；

图3为腐蚀后的光纤结构示意图；

图4为极板上的光纤ATR传感器分布示意图；

图5为光纤ATR传感器的安装示意图；

图6为采用差分式光纤ATR传感器检测蓄电池剩余容量的原理框图；

图7为光源-光纤合器的示意图；

图8为U形结构的光纤ATR传感器直线段的光纤倏逝波原理示意图；

图9为U形结构的光纤ATR传感器的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。

检测蓄电池剩余容量的装置，如图6所示，该装置包括光源12、光源-光纤耦合器13、光分路器14、光纤适配器17、第一光纤ATR传感器20、第二光纤ATR传感器22、光电探测器25、前置放大器26、A／D转换器27、数据处理单元28和数字显示器29。所述第一光纤ATR传感器20和第二光纤ATR传感器22均由腐蚀后的光纤纤芯2组成，且呈U形结构；所述第一光纤ATR传感器20设置在铅酸蓄电池18的正极板19上，第二光纤ATR传感器22设置在负极板22上，且第一光纤ATR传感器20与第二光纤ATR传感器22对称设置。所述光源12发出的光束与光源-光纤耦合器13相对，光源-光纤耦合器13通过光分路器14将光束分为两路，分别通过入射光纤与光纤适配器17连接；所述第一光纤ATR传感器20的两端和第二光纤ATR传感器22的两端连接光纤适配器17，光纤适配器17的输出端通过出射光纤与光电探测器25连接；所述光电探测器25的输出端与前置放大器26连接；所述前置放大器26的输出端与A／D转换器27；所述A／D转换器27的信号输出端与数据处理单元28连接，数据处理单元28处理后的数据通过数字显示器29显示。

差分光纤ATR传感器检测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℃，如图1、图2所示，图中1为包层，2为纤芯，3为第一涂覆层，4为第二涂覆层。然后制作腐蚀光纤纤芯：采用高纯度工业酒精浸泡光纤，然后用纱布擦洗光纤，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25～35℃下进行均匀腐蚀，纤芯直径腐蚀速度约为v=0.45??m/min，将纤芯直径为1000??m的光纤均匀腐蚀660min左右，腐蚀后光纤纤芯约为650～750??m，如图3所示，图中5为腐蚀后的纤芯。

2）、将腐蚀后的纤芯制作成光纤衰减全反射的U形结构的光纤ATR（Attenuated Total Reflection）传感器：根据铅酸蓄电池几何尺寸，选取腐蚀后的纤芯长度，制作成U形结构的光纤ATR传感器。以万里牌12V36AH型铅酸蓄电池（长190mm，宽130mm，高200mm）为例，蓄电池截面积的80%为正、负极板的表面积，则正、负极板的周长约为530mm，光纤ATR传感器敏感区的总长度约为：

（U形结构的光纤ATR传感器直线段的长度

=130㎜，弯曲段的弯曲半径为

）。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传感器敏感区产生形变，将光纤ATR传感器对称的安装在各极板上，如图4所示，图4中5为腐蚀后的纤芯，6为凹槽，7为板栅筋条，8为电池极板。光纤ATR传感器在蓄电池极板栅筋条上的安装示意图，如图6所示，图中6为凹槽，7为板栅筋条，9为光纤，10为ATR传感器，11为环氧树脂胶。在安装光纤ATR传感器时，在板栅筋条7设置约为0.3mm的深、0.3mm宽的凹槽6，然后在凹槽6的板栅筋条7上涂上一层环氧树脂胶11（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传感器放平，再涂上一层环氧树脂胶将光纤ATR传感器固定在电极极板8的板栅筋条7上。

3）、光源12发出的光束通过光源-光纤耦合器13进入光分路器14，由光分路器14分为两路并通过入射光纤15和入射光纤16，再通过光纤适配器17分别进入铅酸蓄电池18内的正极板19上的光纤ATR传感器20和负极板21上的光纤ATR传感器22内，衰减后的光束分别通过出射光纤23和出射光纤24进入光电探测器25，由光电探测器25将光能量转换为电信号，并经前置放大器26和A/D转换器27进入数据处理单元28，最后通过数字显示器29显示，如图6所示。光源12选用850nm近红外光源，数据处理单元28选用TI公司的TMS320VC5410芯片。光纤适配器17选用美国莫仕公司生产的四口LC光纤适配器，其目的是为了对传感器输出信息进行远距离传输。

4）、正极板19上的光纤ATR传感器20输出的电压和负极板21上的光纤ATR传感器22输出的电压可由下实例推出：

Khijwania（S.K.Khijwania, B.D.Gupta. Fiber optic evanescent field absorption sensor: effect of fiber patameters and geometry of the probe [J]. Optical and Quantum Electronics, 31(1999):625-636）等人研究表明：光纤ATR传感器灵敏度与光纤数值孔径，光纤曲率半径，经过腐蚀或碾磨后参与感应的光纤纤芯长度、纤芯直径等参数有关。光纤倏逝波透射深度

的数学表达式为：

                         (1)

(1)式中: 

表示光源波长；

表示纤芯的折射率；表示电解液折射率; 

表示界面入射夹角的大小。                              

为增大光纤倏逝波透射深度

，提高光纤倏逝波光纤ATR传感器的灵敏度，需根据电解液性质和光纤特征参数确定界面入射夹角

的大小。光源12发出的光在光纤端面耦合示意图，如图7所示的光源-光纤耦合器的示意图，图7中1为包层，2为纤芯，30为物镜，31为光纤端面，32为折射光。

以

表示光束有效接收角，

的大小由光纤数值孔径NA决定，关系式为：

                            (2)       

图中角

的取值范围为：

。光纤的数值孔径为NA=0.5，则有。入射夹角

与角

的关系为：

                                (3) 

(3)式表明：

角越大，光收集能力越强，界面入射夹角

越小，倏逝波透射深度

越大，光纤ATR传感器灵敏越高。在实际过程取，

。即当

时，光纤ATR传感器投射深度

最深，在有限的感应区内具有佳灵敏度。

腐蚀后光纤纤芯经过吸收介质（电解液）后，输入和输出光强之间满足：

                                   (4)

(4)式中，其中

为电解液倏逝波吸收系数，

为光纤ATR传感器的总长度。图8为U形结构的光纤ATR传感器直线段的光纤倏逝波原理示意图，图中2为纤芯，33为入射光，34为反射光，35为透射光，36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传感器直线段光纤

的计算表达式：

               (5)   

(5)式中：

为电解液容积吸收系数，

表示光源波长；表示电解液折射率; 

表示腐蚀后纤芯的半径；

表示纤芯的折射率；

为纤芯与电解液分界面全反射临界角；表示界面入射夹角的大小；

为偏斜角。从(5)式中可以看出当

时，

达到最大；

时，

最小。假定只考虑光纤ATR传感器的最低灵敏度和精度，则，将

带入式(5)，变形后为：

                                            (6)

式(6)中，参数

为：

         

对于U形结构的光纤ATR传感器，光束由光纤ATR传感器的直线段纤芯进入光纤ATR传感器时，界面入射夹角

分为外界面夹角

和内界面夹角

，如图9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传感器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：

                                (7)     

式（7）中：参数表达式如下：

                 (8)  

式（8）中

和

分别为：

；

；

其中：

表示光束由光纤ATR传感器的直线段进入弯曲段纤芯时，光束与分界面的垂距；

表示光纤包层折射率。纤芯内表面倏逝波吸收系数：

                                    (9)

式（9）中：参数

表达式如下：

                 (10)       

式（10）中

，

为：

将式（6）、式（7）、式（9）代入式（4）后，经过变形后可得输入、输出光强之间的表达式：

                          (11)

式（11）表明：经倏逝波衰减后的光能量与光纤ATR传感器感应区特征参数（即腐蚀后的纤芯半径、光纤ATR传感器直线段长度

、光纤ATR传感器弯曲段的弯曲半径

）和电解液折射率

有关。但是，式（11）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（11）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）对流体折射关系与温度研究表明：流体折射率与温度间具有负关系，经验公式为： 

                                       (12) 

式（12）中， 

表示电解液特征参数，

表示温度为20℃时电解液的折射率，

表示电解液温度，表示温度为

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

，负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（11）和式（12）可以分别得到正极板和负极板表面输入光强和输出光强间的修正函数表达式。正极板表面输出光能量的表达式为：

                (13)     

同样，负极板表面输出光能量的表达式为：

                (14)

用

、分别表示图6中出射光纤23和出射光纤24输出的光经过光电探测器25转换后输出电压，

表示光电转换系数。正极板和负极板上的光纤ATR传感器输出电压分别为：

            (15)

            (16)

式（15）和式(16)经过变换后可得光纤ATR传感器输出的信号电压

：

                    (17)

式（17）从理论上证实，采用差分光纤ATR传感器能实现铅酸蓄电剩余容量的测量。传感器输出信号电压只与光纤ATR传感探头敏感区特征参数（即腐蚀后纤芯的半径、光纤ATR传感器直线段的长度

、光纤ATR传感器弯曲段的弯曲半径

）和电池正、负极板表面电解液在20℃时折射率差有关，与电解液温度变化无关，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)

1.一种检测蓄电池剩余容量的装置，其特征在于：包括光源（12）、光源-光纤耦合器（13）、光纤适配器（17）、第一光纤ATR传感器（20）、第二光纤ATR传感器（22）、光电探测器（25）、前置放大器（26）、A／D转换器（27）和数据处理单元（28）；

所述第一光纤ATR传感器（20）和第二光纤ATR传感器（22）均由腐蚀后的光纤纤芯（2）组成，且呈U形结构；所述第一光纤ATR传感器（20）设置在铅酸蓄电池（18）的正极板（19）上，第二光纤ATR传感器（22）设置在负极板（22）上，且第一光纤ATR传感器（20）平行于第二光纤ATR传感器（22）；

所述光源（12）发出的光束通过光源-光纤耦合器（13）进入光纤，光源-光纤耦合器（13）通过入射光纤与光纤适配器（17）连接；所述第一光纤ATR传感器（20）的两端和第二光纤ATR传感器（22）的两端连接光纤适配器（17），光纤适配器（17）的输出端通过出射光纤与光电探测器（25）连接；所述光电探测器（25）的输出端与前置放大器（26）连接；所述前置放大器（26）的输出端与A／D转换器（27）连接；所述A／D转换器（27）的信号输出端与数据处理单元（28）连接。

2.根据权利要求1所述的检测蓄电池剩余容量的装置，其特征在于：还包括光分路器（14），所述光分路器（14）串接在光源-光纤耦合器（13）与入射光纤之间。

3.根据权利要求1所述的检测蓄电池剩余容量的装置，其特征在于：所述正极板（19）和负极板（22）上分别设有U形结构的凹槽（6），所述第一光纤ATR传感器（20）和第二光纤ATR传感器（22）分别设置在凹槽（6）内，并通过环氧树脂胶（11）固定。

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