CN109270464B - 基于超声波的铅酸蓄电池汇流条温度应力检测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于超声波的铅酸蓄电池汇流条温度应力检测方法和装置。所述方法包括数学模型建立和温度应力检测；在离线状态通过多次主动施压和应力、声延时的检测，用数学拟合方法建立汇流条应力和声延时的数学模型；采用在线声延时检测，根据上述数学模型确定检测时的温度应力，通过数据比对确定当前汇流条中温度应力是否超出可承受的应力范围，给出检测结果和预警信息；其中声延时检测是通过超声波的发射、回波接收和信号处理确定声延时；所述装置是通过简单改造，在现有铅酸蓄电池外壳靠近汇流条一端侧面的位置预留检测口，在同侧汇流条的侧面粘贴一块高温绝缘硅胶，超声探头从检测口插入并用卡槽固定，采用耦合剂使探头表面紧贴在硅胶上。
Description
技术领域
本发明主要涉及蓄电池检测、超声波检测的技术领域，具体涉及一种基于超声波的铅酸蓄电池汇流条温度应力检测方法和装置。
背景技术
铅酸蓄电池从问世至今已有150多年的历史，因其技术成熟、价格低廉、性能可靠等特点而被广泛用于电力设备、通信机房和汽车动力系统等。在铅酸蓄电池的结构中，采用镀铅铜板制成的汇流条把多片正负极板连接在一起，可以有效利用电池壳体空间，增加极板面积。然而，在电池使用过程中，汇流条连接电池正极的部位及其周围会发生融化和形变，这个融化和形变导致汇流条电阻增大，结果造成充放电时电阻增大部位的温度升高，形变加剧，缩短蓄电池的使用寿命，甚至造成火灾隐患。
现有的蓄电池检测主要是电池容量检测，其中恒电流放电法被电池生产部门使用并推荐给电池用户，该方法以恒定电流A放电，记录电池端电压下降到规定值的放电时间h，A·h即为电池容量，其缺点是作业时间长、工作量大、需备份电池等。然而，放电检测只是在一个侧面反映了电池的性能，不能确定电池性能下降的物理原因，甚至存在检测时电池容量还可以，但是汇流条已经发生形变的现象，存在蓄电池爆裂、火灾等安全隐患。
在离线电池容量检测中，维护经验表明蓄电池性能下降和汇流条形变有一定关联，废弃蓄电池汇流条存在铅层熔融和形变现象。在铅酸蓄电池中，电解液的化学反应和爬酸现象释放出来的能量使得汇流条温度升高，汇流条因固定安装而无法热胀，结果导致内部温度应力的产生和温度继续升高，过大的温度应力使得汇流条发生变形。因此，如果能够检测汇流条的温度应力，就可以及时了解它的形变程度和蓄电池性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提出了一种基于超声波的铅酸蓄电池汇流条温度应力检测方法和装置。该装置利用超声波的发射和超声回波的接收，通过对汇流条中超声波传输延时，即声时延进行估计，根据预先确定的数学模型确定汇流条中的温度应力，据此可以监测汇流条形变情况，给出安全预警提示。该装置的结构简单、操作方便，可以实现在线监测，可广泛用于电力设备、通信机房、汽车动力系统等领域蓄电池的在线安全检测。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种基于超声波的铅酸蓄电池汇流条温度应力检测方法，包括汇流条应力与声时延的数学模型建立和温度应力检测；其中数学模型的建立采用离线方式，利用拉伸机主动给汇流条施加压应力或者拉应力，应用光纤光栅应变传感器测得汇流条的应力，同时检测汇流条中的声时延，通过反复多次测量，得到一组应力和声时延的对应值，并利用数学拟合的方法建立汇流条中应力与声时延的数学模型。
因为光纤光栅应变传感器价格比较昂贵，其中的光纤光栅在恶劣工作环境下容易损坏，不适合直接用于蓄电池进行在线应力检测，但是可以用于离线时的应力检测,用于数据模型的建立。
进一步地，温度应力检测是在线检测包括：把超声探头卡在蓄电池外壳预留的检测口，检测汇流条中的声时延，通过反复多次检测，得到声时延的平均值，根据实测中检测的声时延平均值和已建立的数学模型确定汇流条的温度应力，通过数据比对确定当前汇流条中的温度应力是否超出汇流条能承受的应力范围，根据比对结果给出检测结果和预警信息。
进一步地，所述声时延的检测包括：超声探头具有发射和接收两种工作状态，超声探头发射的短脉冲信号通过汇流条传输，在汇流条底部产生反射，反射回波被该探头接收，通过对发射信号和反射回波信号进行信号处理，估计汇流条上的声时延。该方法通过对现有蓄电池进行简单改造，通过预留的检测口可以在汇流条侧面固定超声探头，该探头具有发射和接收两种工作状态，发射的短脉冲信号通过汇流条传输，在汇流条底部产生反射，反射回波被该探头接收，通过对发射信号和反射回波信号进行信号处理，可以估计汇流条上的声时延，根据实测中检测的声时延和上述模型确定汇流条的温度应力，通过数据比对确定当前汇流条中的温度应力是否超出汇流条可承受的应力范围，根据比对结果给出检测结果和预警信息。
进一步地，基于超声波的铅酸蓄电池汇流条温度应力检测方法，包括如下步骤：
步骤1：离线时汇流条中应力和声时延的数学模型建立；
步骤2：汇流条温度应力的在线检测；
步骤3：汇流条温度应力检测结果的判定，根据步骤2中检测的温度应力和汇流条所能承受的极限应力确定是否预警，并给出预警信息。
进一步地，步骤1具体包括：
步骤1.1：采用拉伸器对汇流条进行拉压，使其内部产生应力；
步骤1.2：利用光纤光栅应变传感器测得汇流条的应力；
步骤1.3：超声探头发射短脉冲信号x(t)；
步骤1.4：超声探头接收超声回波信号y(t)；
步骤1.5：通过信号处理估算声时延，把发射信号x(t)和接收信号y(t)进行互相关，Ryx(τ)＝∫y(t)x*(t-τ)dt，根据互相关结果确定最大值，获得汇流条中的声时延di；
步骤1.6：如果测量次数少于预设的N次，回到步骤1.1；否则进入1.5；
步骤1.7：根据测量结果，利用拟合法建立应力和声时延的线性模型。
进一步地，步骤2包括：
步骤2.1：超声探头发射短脉冲信号x(t)；
步骤2.2：超声探头接收超声回波信号y(t)；
步骤2.3：步骤1.5：通过信号处理估算声时延，把发射信号x(t)和接收信号y(t)进行互相关，Ryx(τ)＝∫y(t)x*(t-τ)dt，根据互相关结果确定最大值，获得汇流条中的声时延di；
步骤2.4：重复步骤2.1，测量次数达到M次，则计算声时延的平均值
步骤2:3：根据声时延的平均值和步骤1中获得线性模型确定温度应力。
为了实现汇流条温度应力检测，本发明给出了一种铅酸蓄电池汇流条温度应力的超声检测装置，包括铅酸蓄电池外壳、绝缘耐高温硅胶、超声探头和耦合剂，铅酸蓄电池外壳靠近汇流条一端侧面的位置预设检测口，在同侧汇流条的侧面粘贴一块绝缘耐高温硅胶，超声探头从预留检测口插入并用卡槽固定，采用耦合剂使探头表面紧贴在所述硅胶上。该装置对现有的铅酸蓄电池进行简单改造，在蓄电池外壳靠近汇流条一端侧面的位置预留检测口，在同侧汇流条的侧面粘贴一块高温绝缘硅胶，超声探头从预留检测口插入并用卡槽固定，采用耦合剂使探头表面紧贴在硅胶上。
铅酸蓄电池在使用的过程中，长时间的大电流充放电会使电解液通过爬酸到达汇流条正极，汇流条正极在硫酸电解液中发生电化学反应，释放的热量及电解液爬酸带来的热量使得汇流条温度升高。然而，汇流条固定在正负极板上，热胀带来的长度变化不能实现，对应区间的汇流条内部必然存在纵向温度应力。但汇流条无法向两侧伸长，这种因温度而产生的压应力会均匀地分布在汇流条上。当温度过高时，汇流条内产生巨大的压应力会使它产生形变，形变的结果导致汇流条电阻增大，蓄电池充放电时温度会继续升高，进而导致形变加剧。所以，及时、准确地掌握汇流条内部的温度应力对于监测汇流条形变和蓄电池安全有着重要意义。
早在1940年，S.Oka发现了声弹性现象，到上世纪70年代后，该理论被应于工业目的的超声波应力测量方面。所谓“声弹性”指传播于弹性体中的超声波波速，依存于传播路径的应力状态发声微小变化的现象。超声波的声弹性可简单描述为其中t0、t分别对应初始应力和t时刻应力状态下超声波传输的声时延，B是声弹性常数，σ是温度应力。
通过对超声波声速和应力关系的建模，现有研究进一步表明，固体中超声波声速的变化量与其中温度应力的变化量成正比，即其中，dσ是温度应力的改变量(MPa)，dvt是超声波声速改变量(m/s)，E是材料的弹性模量，K是声弹性常数，v0是超声波的初始声速。
在实际的温度应力检测中，检测装置是通过测量超声波声时延的变化来反映汇流条上温度应力的变化。因此，对于特定的传输距离，如果能够检测声时延的变化量dt，那么在整个超声波传输时间内，dt可视为一阶无穷小，即温度应力的变化量可以进一步表示为/>检测时刻t的温度应力σt＝σ0+dσ。可见，汇流条的温度应力与声时延是一种线性关系。
与现有技术相比，本发明所提出的铅酸蓄电池汇流条温度应力的超声检测方法和装置，具有以下优点：
1、本发明设计一种基于超声波的铅酸蓄电池汇流条温度应力检测装置，具有结构简单、使用方便和成本便宜等特点；
2、本发明设计一种基于超声波的铅酸蓄电池汇流条温度应力检测方法，可实现在线自动检测，不需要开启蓄电池，操作简单；
3、本发明对检测工作人员的要求降低，使用自动识别代替人工判断，操作简单方便，能够快速、准确地判断汇流条形变程度。
附图说明
图1为基于超声波的铅酸蓄电池汇流条温度应力检测装置示意图。
图2为基于超声波的铅酸蓄电池汇流条温度应力检测方法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述说明，但本发明的实施方式不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。
实施例
在实际的温度应力检测中，检测装置是通过测量声时延的变化来反映汇流条上温度应力的变化。温度应力的变化量可以表示为检测时刻t的温度应力σt＝σ0+dσ。可见，汇流条的温度应力与声时延是线性关系。
如图2，本实施例的一种基于超声波的铅酸蓄电池汇流条温度应力检测方法，该方法包括数学模型建立和温度应力检测两部分。其中数学模型的建立采用离线方式，利用拉伸机主动给汇流条施加压应力或者拉应力，应用光纤光栅应变传感器测得汇流条的应力，同时检测汇流条中的声时延，通过反复多次测量，得到一组应力和声时延的对应值，并利用数学拟合的方法建立汇流条中应力与声时延的数学模型；其中的温度应力检测是在线检测方法，通过对现有蓄电池进行简单改造，通过预留的检测口可以在汇流条侧面固定超声探头，该探头具有发射和接收两种工作状态，发射的短脉冲信号通过汇流条传输，在汇流条底部产生反射，反射回波被该探头接收，通过对发射信号和反射回波信号进行相关或其它信号处理，可以估计汇流条上的声时延，根据实测中检测的声时延和上述模型确定汇流条的温度应力，通过数据比对确定当前汇流条中的温度应力是否超出汇流条可承受的应力范围，根据比对结果给出检测结果和预警信息。具体的实现步骤如下：
步骤1：离线时汇流条中应力和声时延的数学模型建立
步骤1.1：采用拉伸器对汇流条进行拉压，使其内部产生应力；
步骤1.2：利用光纤光栅应变传感器测得汇流条的应力；
步骤1.3：超声探头发射短脉冲信号x(t)；
步骤1.4：超声探头接收超声回波信号y(t)；
步骤1.5：通过信号处理估算声时延，把发射信号x(t)和接收信号y(t)进行互相关，Ryx(τ)＝∫y(t)x*(t-τ)dt，根据互相关结果确定最大值，获得汇流条中的声时延di；
步骤1.6：如果测量次数少于预设的N次，回到步骤1.1；否则进入1.5；
步骤1.7：根据测量结果，利用拟合法建立应力和声时延的线性模型。
步骤2：汇流条温度应力的在线检测
步骤2.1：超声探头发射短脉冲信号x(t)；
步骤2.2：超声探头接收超声回波信号y(t)；
步骤2.3：步骤1.5：通过信号处理估算声时延，把发射信号x(t)和接收信号y(t)进行互相关，Ryx(τ)＝∫y(t)x*(t-τ)dt，根据互相关结果确定最大值，获得汇流条中的声时延di；
步骤2.4：重复步骤2.1，测量次数达到M次，则计算声时延的平均值
步骤2:3：根据声时延的平均值和步骤1中获得线性模型确定温度应力。
步骤3：汇流条温度应力检测结果的判定，根据步骤2中检测的温度应力和汇流条所能承受的极限应力确定是否预警，并给出预警信息。
本实施例提出了一种基于超声波的铅酸蓄电池汇流条温度应力检测装置。该装置对现有铅酸蓄电池101外壳进行简单改造，在外壳上预留一个检测口，这个检测口靠近102正极板连接的103汇流条一端的侧面，在检测口对应的汇流条侧面位置粘贴一块104绝缘耐高温硅胶，105超声探头从预留检测口插入并用106卡槽固定，采用耦合剂使探头表面紧贴在硅胶上。
Claims (3)
1.基于超声波的铅酸蓄电池汇流条温度应力检测方法，其特征包括汇流条应力与声时延的数学模型建立和温度应力检测；所述汇流条应力与声时延的数学模型建立包括：采用离线方式，通过主动给汇流条施加压力，利用光纤光栅应变传感器测得汇流条的应力，同时检测汇流条中的声时延，通过反复多次测量，得到一组应力和声时延的对应值，采用数学拟合的方法建立汇流条中应力和声时延之间的数学模型；
所述温度应力的检测包括：把超声探头卡在蓄电池外壳预留的检测口，检测汇流条中的声时延，通过反复多次检测，得到声时延的平均值，根据实测中检测的声时延平均值和已建立的数学模型确定汇流条的温度应力，通过数据比对确定当前汇流条中的温度应力是否超出汇流条能承受的应力范围，根据比对结果给出检测结果和预警信息；所述声时延的检测包括：超声探头具有发射和接收两种工作状态，超声探头发射的短脉冲信号通过汇流条传输，在汇流条底部产生反射，反射回波被该探头接收，通过对发射信号和反射回波信号进行信号处理，估计汇流条上的声时延；具体包括如下步骤：
步骤1：离线时汇流条中应力和声时延的数学模型建立；
步骤2：汇流条温度应力的在线检测；
步骤3：汇流条温度应力检测结果的判定，根据步骤2中检测的温度应力和汇流条所能承受的极限应力确定是否预警，并给出预警信息；步骤1具体包括：
步骤1.1：采用拉伸器对汇流条进行拉压，使其内部产生应力；
步骤1.2：利用光纤光栅应变传感器测得汇流条的应力；
步骤1.3：超声探头发射短脉冲信号x(t)；
步骤1.4：超声探头接收超声回波信号y(t)；
步骤1.5：通过信号处理估算声时延，把发射信号x(t)和接收信号y(t)进行互相关，Ryx(τ)＝∫y(t)x*(t-τ)dt，根据互相关结果确定最大值，获得汇流条中的声时延di；
步骤1.6：如果测量次数少于预设的N次，回到步骤1.1；否则进入1.5；
步骤1.7：根据测量结果，利用拟合法建立应力和声时延的线性模型。
2.根据权利要求1所述的基于超声波的铅酸蓄电池汇流条温度应力检测方法，其特征在于步骤2包括：
步骤2.1：超声探头发射短脉冲信号x(t)；
步骤2.2：超声探头接收超声回波信号y(t)；
步骤2.3：步骤1.5：通过信号处理估算声时延，把发射信号x(t)和接收信号y(t)进行互相关，Ryx(τ)＝∫y(t)x*(t-τ)dt，根据互相关结果确定最大值，获得汇流条中的声时延di；
步骤2.4：重复步骤2.1，测量次数达到M次，则计算声时延的平均值
步骤2:3：根据声时延的平均值和步骤1中获得线性模型确定温度应力。
3.实现权利要求1所述基于超声波的铅酸蓄电池汇流条温度应力检测方法的装置，其特征是包括铅酸蓄电池外壳、绝缘耐高温硅胶、超声探头和耦合剂，铅酸蓄电池外壳靠近汇流条一端侧面的位置预设检测口，在同侧汇流条的侧面粘贴一块绝缘耐高温硅胶，超声探头从预留检测口插入并用卡槽固定，采用耦合剂使探头表面紧贴在所述硅胶上。
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