CN102768235A - 一种用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于检测设备技术领域，尤其涉及一种用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器，包括高气压电离室、高电压模块、前置放大器、增益调节电路、滤波电路和电压电流转换电路，前置放大器包括运算放大器和反馈网络，高气压电离室内填充有填充气体，填充气体为氙气、氪气、氙气与碳氧化合物气体的混合气体或氪气与碳氧化合物气体的混合气体，反馈网络设置为双T型反馈容阻网络。相对于现有技术，本发明采用的填充气体对β、γ和X射线有较好的灵敏度，为传感器提供了可靠稳定的信号源；而且本发明的双T型反馈容阻网络在提高前置放大器的放大倍数的同时减小时间常数，使该射线传感器能够在线非接触式、快速准确地测量锂离子电池极片的面密度。

Description

一种用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器

技术领域

本发明属于检测设备技术领域，尤其涉及一种用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器。

背景技术

电池极片上涂覆的活性物质的量直接影响成品电池的容量和安全性等重要指标。当阴极极片上活性物质的质量与阳极极片上活性物质的质量不匹配时，极易在充电过程中产生析锂现象，带来严重的安全隐患。因此，在锂离子电池极片的生产过程中需要实时监测其面密度，以监控产品质量并提高一致性，防止析锂现象的发生。

传统的监测方法是员工手持螺旋千分尺，动态测量生产中的极片边缘。这种方法属于接触式测量，难以胜任在线式测量的需求，且只能测量极片边缘的位置，测量精度易受到测量人员力度的影响，容易划伤极片，造成产品不良品率升高。

另一种监测方法是射线透射法。射线透射法利用射线穿透物体后的强度衰减率与物体的质量成负指数关系来测量物质的重量或厚度。这种透射法具有测量准确、可在线非接触式测量、可测高温物体或湿膜和数据收集处理分析方便等优势。但是，目前这种方法使用的射线传感器响应速度慢，有效数据采样率低，每秒仅有5个有效样本，仅适合低速的极片生产（1~10m/min）。然而随着电池极片生产速度的不断提升，目前已有很多生产速度大于30m/min的生产线。目前的射线透射法测量设备由于传感器性能限制，所测得数据量非常少，已不能满足越来越快的生产要求。

另外，目前采用射线透射法测量电池极片面密度的设备所采用的电离室多为氩气、氪气或碳氧化合物气体填充，气压为100KPa到200KPa。在同等射线照射强度、相同强度电场下，所产生的微弱电流数量级小，易淹没在电路的电子噪声中，难以捕捉。

而且，由于电离室输出的电流非常微弱，大约在pA到μA级。要对此级别的电流进行放大提取，是对传感器前置放大器的严格考验。目前常用的前置放大器为负反馈放大电路，即利用一只高阻值电阻作为放大器的反馈电阻，这样得到放大的电压信号强度就等于反馈电阻除以输入电阻。电流越小，需要的反馈电阻就越大。通常pA级电流的放大需要GΩ级的反馈电阻。而对于这种电路，其时间常数非常大，其构成的传感器不能满足快速在线测量，仅适合静态测量。

有鉴于此，确有必要提供一种用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器，该射线传感器能够在线非接触式、快速准确地测量锂离子电池极片的面密度。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器，该射线传感器能够在线非接触式、快速准确地测量锂离子电池极片的面密度。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器，包括高气压电离室、高电压模块、前置放大器、增益调节电路、滤波电路和电压电流转换电路，所述前置放大器包括运算放大器和反馈网络，所述高气压电离室的输出端与所述运算放大器的负输入端电连接，所述高电压模块的负高电压输出端与所述高气压电离室的高电压端电连接，零电压输出端接地；所述前置放大电路的正输入端及所述高电压电离室的保护端均与参考电压电连接；所述前置放大器的输出端与所述增益调节电路的输入端电连接，所述增益调节电路的输出端与所述滤波电路的输入端电连接，所述滤波电路的输出端与所述电压电流转换电路的输入端电连接，所述高气压电离室内填充有填充气体，所述填充气体为氙气、氪气、氙气与碳氧化合物气体的混合气体或氪气与碳氧化合物气体的混合气体，所述反馈网络为双T型反馈容阻网络。

作为本发明用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器的一种改进，所述高气压电离室的顶部设置有射线接收窗，所述高气压电离室内设有中心电子收集电极、所述高气压电离室的底部设置有保护环和高电压接线柱，所述保护环设置于所述中心电子收集电极的周围，并且所述中心电子收集电极与所述运算放大器的负输入端电连接；所述高电压接线柱与高电压模块的负高电压输出端电连接；所述保护环与参考电压电连接。

作为本发明用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器的一种改进，所述射线接收窗设置为厚度为20-100μm的不锈钢膜或厚度为20-100μm的钛金属膜。

作为本发明用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器的一种改进，所述填充气体为氙气，并且所述高气压电离室内的气压为200 – 350 KPa。

作为本发明用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器的一种改进，所述运算放大器设置为输入偏置电流为3fA和输入偏置电压为±26μV的集成运算放大器。

作为本发明用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器的一种改进，所述双T型反馈容阻网络包括电连接的主反馈电容电阻网络和跨阻反馈网络。

作为本发明用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器的一种改进，所述主反馈电容电阻网络包括并联的主反馈电容和主反馈电阻。

作为本发明用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器的一种改进，所述主反馈电阻采用玻璃管进行真空封装，所述主反馈电容的介质为聚苯乙烯膜。

作为本发明用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器的一种改进，所述跨阻反馈网络包括平衡电阻、平衡电容、可调电阻和跨阻，所述平衡电阻和平衡电容分别与所述可调电阻串联连接，所述跨阻与所述平衡电阻、平衡电容和可调电阻组成的电路并联，并且所述跨阻与所述运算放大器输出端电连接，所述平衡电容的介质为聚苯乙烯膜，所述平衡电容的一端接地。

作为本发明用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器的一种改进，所述滤波器电路设置为3阶反契比雪夫低通滤波电路。

相对于现有技术，本发明采用氙气、氪气、氙气与碳氧化合物气体的混合气体或氪气与碳氧化合物气体的混合气体作为高气压电离室的填充气体，由于这些气体对不同强度的β、γ、X射线都有较好的灵敏度，为传感器提供了可靠稳定的信号源；而且本发明的前置放大器中的反馈网络设置为双T型反馈容阻网络，在提高前置放大器的放大倍数的同时减小时间常数，达到快速检测射线强度的目的，从而使该射线传感器能够在线非接触式、快速准确地测量锂离子电池极片的面密度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明及其有益效果进行详细说明。

图1为本发明的电路原理图，其中省略了高电压模块的电路。

图2为本发明的高气压电离室的结构示意图。

图3为本发明的前置放大器的电路图。

图4为本发明的增益调节电路图。

图5为本发明的滤波电路图。

图6为本发明的电压电流转换电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。

请参阅图1，本发明提供的一种用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器，包括高气压电离室1、高电压模块、前置放大器2、增益调节电路3、滤波电路4和电压电流转换电路5，前置放大器2包括运算放大器Ap和反馈网络，高压气电离室1的输出端与运算放大器Ap的负输入端电连接，高电压模块的负高压输出端与高气压电离室的高压输入端电连接，运算放大器Ap的正输入端及高气压电离室的保护环均与参考电压电连接，前置放大器2的输出端与增益调节电路3的输入端电连接，增益调节电路3的输出端与滤波电路4的输入端电连接，滤波电路4的输出端与电压电流转换电路5的输入端电连接，高气压电离室1内填充有填充气体，填充气体为氙气、氪气、氙气与碳氧化合物气体的混合气体或氪气与碳氧化合物气体的混合气体，反馈网络为双T型反馈容阻网络。

其中，高电压模块的电压为-300—-800V。

请参阅图2，高气压电离室1的顶部设置有射线接收窗11，高气压电离室1内插设有中心电子收集电极12、高气压电离室1的底部设置有保护环13和高电压接线柱14，保护环13设置于中心电子收集电极12的周围，并且中心电子收集电极12与运算放大器Ap的负输入端电连接。高气压电离室1主要用于接收射线，提供气体电离场所。当有射线穿透射线接收窗11达到高气压电离室1内部，射线使内部高原子系数气体分子发生电离，产生电子和离子。电子和离子在高电压形成的电场中分别向中心电子收集电极12和高气压电离室1壁移动，从而在高气压电离室1壁与中心电子收集电极12间产生微弱的电流。该电流即反映射线的强度。

射线接收窗11设置为厚度为20-100μm的不锈钢膜或厚度为20-100μm的钛金属膜。

优选的，填充气体为氙气，并且高气压电离室1内的气压为200 – 350 KPa。氙气对不同强度的β、γ、X射线都有较好的灵敏度，从而为传感器提供可靠稳定的信号源。

请参阅图3，前置放大器2采用反向放大器对高气压电离室1输出的微弱电流进行初步放大。运算放大器Ap设置为输入偏置电流为3fA和输入偏置电压为±26μV的集成运算放大器。

实际应用时，电流从运算放大器Ap的负输入端In-输入，参考电压从正输入端In+输入。双T型反馈容阻网络包括电连接的主反馈电容电阻网络和跨阻反馈网络。

主反馈电容电阻网络包括并联的主反馈电容Cf1和主反馈电阻Rf1。

主反馈电阻Rf1采用玻璃管进行真空封装，主反馈电容Cf1的介质为聚苯乙烯膜。

跨阻反馈网络包括平衡电阻Rf2、平衡电容Cf2、可调电阻Rf4和跨阻Rf3，平衡电阻Rf2和平衡电容Cf2分别与可调电阻Rf4串联连接，跨阻Rf3与平衡电阻Rf2、平衡电容Cf2和可调电阻Rf4组成的电路并联，并且跨阻Rf3与运算放大器Ap的输出端电连接，平衡电容Cf2的介质为聚苯乙烯膜，平衡电容Cf2的一端接地。介质采用聚苯乙烯膜的电容的容量范围为10pF~0.01uF，具有负温度系数、绝缘电阻高达100GΩ、极低泄漏电流等特点。

由于主反馈电阻Rf1非常大，其与并联的主反馈电容Cf1决定了电路具有很大的时间常数。电路准确采样一次需要的时间较长，通常能达到秒级，甚至更大。本发明在主反馈电容电阻网络右端接入一只平衡电容Cf2和平衡电阻Rf2后，只要保证Rf1×Cf1 = Rf2×Cf2，电路的时间常数将趋于0，这就极大地加快了电路的响应速度。同时，Rf4还可以调节前置放大器2的增益，结合下一级增益放大电路3，本电路可适应多种射线的测量。

请参阅图4，增益调节电3路可对初级放大信号进行二次放大，放大倍数为1~1000，以针对不同射线做增益调整。调节Rp1，Rp2和Rp3的阻值能对前一级的输出电压在一定程度上进行缩放。增益调节电路3配置Cp1可为三阶反契比雪夫低通滤波器提供前置信号调理功能，A0为增益调节电路3的运算放大器。

请参阅图5，滤波器电路4设置为3阶反契比雪夫低通滤波电路，A1~A4为有源滤波器的4个运算放大器，结合Rz1~Rz10，Cz1~Cz2，可构成一套反契比雪夫低通滤波器，对输入信号的高频干扰起到过滤作用，其截止频率可在1Hz~1KHz范围内调节。

请参阅图6，电压电流转换电路5用压控电流源形式，输出电流可选择为0~20mA或4~20mA。电压从Ri1输入，经过跳线Jmp1，可以通过选择Ri2或Ri3分别选择固定增益或可变增益输入，此增益调节可对输出电流进行微调。同时可以通过调节Ri4和Ri6调节输出电流的基准值。其中，Ci1起到稳定参考基准的作用，可实现0~20mA或4~20mA的电流输出。电阻Ro1和Ro2为电流输出提供短路保护，三极管To1构成电流源的输出级，二极管Do1为传感器提供外部反接保护。

总之，本发明采用高气压高电压高原子系数气体电离室作为射线接收装置，可以提高传感器的射线检测灵敏度和反应速度。高气压电离室1输出的电流极其微弱，属于pA~nA级别。针对此微弱电流，本发明采用了极低输入偏置电流（3fA）、低输入电压偏置（±26μV）的集成放大器，并且在T型反馈网络的基础上，做了改进，在T型反馈网络的主反馈电阻Rf1上并联一个主反馈电容Cf1，并在主反馈电阻Rf1与跨阻Rf3中间接入一只平衡电阻Rf2，同时在主反馈电阻Rf1与平衡电阻Rf2之间接入一个平衡电容Cf2，平衡电容Cf2另一端接地，构成一套双T型反馈容阻网络。采用这个电路后，只要满足主反馈电阻Rf1的阻值和与其并联的主反馈电容Cf1的电容值的乘积等于平衡电阻Rf2的阻值与平衡电容Cf2的电容值的乘积，这部分就将会等效于一只主反馈电阻Rf1与电容值为0的电容并联。其时间常数就在理论上趋于0，实际时间常数由平衡电阻Rf2的阻值和平衡电容电容Cf2的电容值的取值误差决定。所以本传感器在提高前置放大器的放大倍数的同时减小时间常数，达到快速检测射线强度的目的。因此，该传感器能在线、非接触、快速测量锂离子电池极片的面密度。

本传感器可以支持的射线类型有β、γ和X射线三种。此外，电路中的增益调节电路3可以保证传感器在这三种类型射线场合都能正常工作。3阶反契比雪夫低通滤波电路可以有效滤掉高频电子噪声，达到稳定信号的目的。传感器采用电流输出方式，输出电路由一个稳定的压控电流源构成，可在负载发生一定变化时，输出电流保持不变的良好特性。

实际使用时，用β、γ和X射线中的一种穿透电池极片，然后采用本发明的传感器测量射线穿透锂离子电池极片后的衰减率（表现为电流的变化），利用射线穿透物体后的强度衰减率与物体的质量成负指数关系来测量物质的重量或厚度，从而测量出极片的面密度。

采用本发明的传感器进行面密度测试时，具有速度快、测量精度高、稳定性好、增益调节简便、可适应射线种类齐全和可测量范围大的优点。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器，包括高气压电离室、高电压模块、前置放大器、增益调节电路、滤波电路和电压电流转换电路，所述前置放大器包括运算放大器和反馈网络，所述高气压电离室的输出端与所述运算放大器的负输入端电连接，所述高电压模块的负高电压输出端与所述高气压电离室的高电压端电连接，零电压输出端接地；所述前置放大电路的正输入端及所述高电压电离室的保护端均与参考电压电连接；所述前置放大器的输出端与所述增益调节电路的输入端电连接，所述增益调节电路的输出端与所述滤波电路的输入端电连接，所述滤波电路的输出端与所述电压电流转换电路的输入端电连接，所述高气压电离室内填充有填充气体，其特征在于：所述填充气体为氙气、氪气、氙气与碳氧化合物气体的混合气体或氪气与碳氧化合物气体的混合气体，所述反馈网络为双T型反馈容阻网络。

2.根据权利要求1所述的用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器，其特征在于：所述高气压电离室的顶部设置有射线接收窗，所述高气压电离室内设有中心电子收集电极、所述高气压电离室的底部设置有保护环和高电压接线柱，所述保护环设置于所述中心电子收集电极的周围，并且所述中心电子收集电极与所述运算放大器的负输入端电连接；所述高电压接线柱与负高电压模块的高电压输出端电连接；所述保护环与参考电压电连接。

3.根据权利要求1所述的用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器，其特征在于：所述射线接收窗设置为厚度为20-100μm的不锈钢膜或厚度为20-100μm的钛金属膜。

4.根据权利要求1所述的用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器，其特征在于：所述填充气体为氙气，并且所述高气压电离室内的气压为200 – 350 KPa。

5.根据权利要求1所述的用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器，其特征在于：所述运算放大器设置为输入偏置电流为3fA和输入偏置电压为±26μV的集成运算放大器。

6.根据权利要求1所述的用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器，其特征在于：所述双T型反馈容阻网络包括电连接的主反馈电容电阻网络和跨阻反馈网络。

7.根据权利要求6所述的用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器，其特征在于：所述主反馈电容电阻网络包括并联的主反馈电容和主反馈电阻。

8.根据权利要求7所述的用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器，其特征在于：所述主反馈电阻采用玻璃管进行真空封装，所述主反馈电容的介质为聚苯乙烯膜。

9.根据权利要求6所述的用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器，其特征在于：所述跨阻反馈网络包括平衡电阻、平衡电容、可调电阻和跨阻，所述平衡电阻和平衡电容分别与所述可调电阻串联连接，所述跨阻与所述平衡电阻、平衡电容和可调电阻组成的电路并联，并且所述跨阻与所述运算放大器输出端电连接，所述平衡电容的介质为聚苯乙烯膜，所述平衡电容的一端接地。

10.根据权利要求1所述的用于锂离子电池极片面密度检测的射线传感器，其特征在于：所述滤波器电路设置为3阶反契比雪夫低通滤波电路。

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