CN111458566A - 一种储能材料电导率的非接触式检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种储能材料电导率的非接触式检测方法，通过低于10MHz的脉冲磁场激励储能材料，脉冲磁场在储能材料内感应涡旋电流，储能材料吸收焦耳热，破坏了材料内的热力学平衡而产生热膨胀，伴随着热膨胀产生热声信号，利用放置于材料周围的超声换能器检测到所产生的热声信号，此信号可以反应材料的内部电导率信息。该方法激励是脉冲磁场，检测的是热声信号，最终获得的是待测储能材料的电导率，是一种高分辨率的非接触式电导率检测方法。该方法，在测试过程中不需要与目标体接触，不会损坏体和污染目标，还可以实现任意形状目标体电导率的检测。有效解决目前固体材料电导率检测中存在的接触方式、分辨率等问题，丰富其检测手段。
Description
技术领域
本发明涉及储能材料电导率检测技术领域，特别是一种储能材料电导率的非接触式检测方法及系统。
背景技术
超级电容器主要由电极、电解液、隔膜和集流体四部分组成，其中电极承担着电荷积累、产生电容的作用，因此研究超级电容器的核心问题就是研究电极材料，而电极材料的电导率决定了电极材料的性能，也就是说电容器的功率密度以及大电流的充放电性能在很大程度上取决于电极材料的电导率。所以，电导率的检测对储能材料的研制具有十分重要的意义。
目前储能材料电导率的非接触式检测方法是电导率仪法和四探针法。电导率仪检测的目标体是液体材料的电导率，由于储能材料最终成型的形状是固体，所以电导率仪不适合于成型电极电导率的检测。而四探针法是接触式的，不能实现非接触式检测储能材料的电导率，并且要求材料的形状是规则的，不能实现任意形状的目标体电导率的检测。
因此探寻一种新的储能材料电导率的非接触式检测方法，以有效解决目前固体材料电导率检测中存在的接触方式、分辨率等问题，丰富其检测手段。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种储能材料电导率的非接触式检测方法，该方法采用的脉冲磁场激励待测储能材料以发出热声信号，实现非接触检测储能材料的电导率，使用方便、灵活。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供的储能材料电导率的非接触式检测方法，包括以下步骤：
通过脉冲磁场激励待测储能材料，获取待检测储能材料的热声信号；
利用时间反演法获得待测材料热函数的空间吸收系数，得到待测材料的热函数；
利用得到的热函数计算获取待测储能材料内的电场强度；
利用最小二乘迭代寻优法获取待测储能材料的电导率。
进一步，所述热声信号通过超声换能器接收，并对热声信号进行信号预处理。
进一步，所述热函数的空间吸收系数是按照以下公式进行计算获得的：
式中，
∑是超声换能器所处的曲面，
n是检测面上r的单位矢量，
vs表示声波的传播速度，
β表示所检测储能材料的体积膨胀系数，
Cp表示所检测储能材料的比热容，
r表示位置向量，即超声换能器所处的位置，
r′表示所检测储能材料的位置向量，
p(r，t)表示位置向量r在时刻t的声压。
进一步，所述待测储能材料内的电场强度是按照以下公式进行计算获得的：
Q(r′)＝σ|E(r′)|2；
其中，
σ是待测材料内的电导率，
Q(r′)是待测材料内的热函数空间吸收系数，
E(r′)是待测材料内电场强度的空间分布，
A1(r′)为脉冲激励源在真空中产生的一次磁矢位的空间分量，
φ是标量电位的控制分量，
进一步，所述电导率是按照以下公式进行计算获得的：
其中，H(σ)表示采用最小二乘法寻求最优解，所建立的目标函数。
本发明提供的储能材料电导率的非接触式检测系统，包括脉冲磁场激励模块、信号检测模块和数据处理模块；
所述脉冲磁场激励模块向待测储能材料发送激励信号，以适于待检测储能材料发出热声信号；
所述信号检测模块设置于待检测储能材料周围，用于获取待检测储能材料的热声信号；
所述信号检测模块将热声信号传输到数据处理模块中；
所述数据处理模块根据热声信号计算得到待测储能材料的电导率。
进一步，所述数据处理模块得到电导率具体按照以下步骤来实现：
首先利用时间反演法获得待测材料热函数的空间吸收系数，得到待测材料的热函数；
然后利用得到的热函数计算获取待测储能材料内的电场强度；
最后利用最小二乘迭代寻优法获取待测储能材料的电导率。
进一步，所述脉冲磁场激励模块包括高压窄脉冲激励系统和线圈；
所述高压窄脉冲激励系统；用于产生脉冲电流以驱动线圈，输出端连接线圈；
所述线圈；所述高压窄脉冲激励系统激励线圈以产生脉冲磁场，置于待检测储能材料的上方。
进一步，所述信号检测模块包括超声换能器、信号预处理器和信号采集器；
所述超声换能器；用于检测热声信号，置于待检测储能材料的周围；
所述信号预处理器；用于对热声信号进行滤波处理和放大处理；
所述信号采集器；用于采集热声信号，置于信号预处理器的输出；
进一步，所述信号检测模块和待测储能材料之间通过纯净水或者绝缘油作为超声耦合剂来传播热声信号。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的储能材料电导率的非接触式检测方法，通过低于10MHz的脉冲磁场激励储能材料，脉冲磁场在储能材料内感应涡旋电流，储能材料吸收焦耳热，破坏了材料内的热力学平衡而产生热膨胀，伴随着热膨胀产生热声信号，利用放置于材料周围的超声换能器检测到所产生的热声信号，此信号可以反应材料的内部电导率信息。该方法激励是脉冲磁场，检测的是热声信号，最终获得的是待测储能材料的电导率，是一种高分辨率的非接触式电导率检测方法。
由于非接触式获得目标体电导率的方法，在测试过程中不需要与目标体接触，这是它的最大优点所在，不接触便不会损坏目标体，而且不接触也不会对目标体带来玷污，还可以实现任意形状目标体电导率的检测。有效解决目前固体材料电导率检测中存在的接触方式、分辨率等问题，丰富其检测手段。
解决了由电导率仪法和四探针法检测电导率接触材料所带来的问题，本方法在激励方式、检测方法上均不相同。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为非接触式检测储能材料电导率方法的流程图。
图2为非接触式检测储能材料电导率系统原理示意图。
图中：1高压窄脉冲激励系统、2线圈、3超声换能器、4信号滤波和放大器、5信号采集器、6待测储能材料、7超声耦合剂、8数据处理模块、9水槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的非接触式检测储能材料电导率的方法，采用脉冲磁场作为激励，通过脉冲磁场激励待测储能材料，在待测材料内产生涡流，从而产生焦耳热，引起热膨胀，向外发出热声信号，此热声信号含有待测材料电导率的信息，在待测材料周围布置超声换能器以接收热声信号，因此根据检测到的热声信号，进行滤波、放大、采集和反演计算，用以重建热声源分布和电导率分布，最终获得待测储能材料的电导率信息。
脉冲磁场激励待测储能材料引起的热膨胀，从而产生的含有待测材料电导率信息的热声信号；此热声信号的频率跟激励的脉冲磁场的频率是一致的，从而可以反映待测材料的电导率，脉冲磁场频率分布在10MHz以下。
热声信号由脉冲磁场产生，所检测储能材料的电导率分布为σ(r′)，脉冲磁场的磁感应强度矢量为B(r′,t)，此脉冲磁场感应的电场强度矢量为E(r′,t)，储能材料内产生的涡流矢量和热函数分别为J(r′,t)和Q(r′,t)，所产生的热声声波遵循的声压波动方程为：
其中，r′表示所检测储能材料的位置向量，t表示时间，p(r，t)是位置向量r在时刻t的声压，vs表示声波的传播速度，Cp和β分别表示所检测材料的比热容和体积膨胀系数，Q(r′)表示热函数的空间吸收系数，δ(t)表示时间维度的狄克拉函数。
本实施例提供的非接触式储能材料电导率的非接触式检测方法，具体包括以下步骤：
步骤1：通过脉冲磁场激励待测储能材料，获取待检测储能材料的热声信号；
通过脉冲磁场激励待测储能材料上，待测材料在感应的涡流作用下产生焦耳热，发生热膨胀，从而激发热声信号，通过超声换能器接收此热声信号，并经信号收发仪进行滤波和放大，经数据采集系统进行采集并存储，最后由信号处理和成像单元进行分析并对待测储能材料进行电导率检测。
步骤2：利用时间反演法获得待测材料热函数的空间吸收系数，得到待测材料的热函数；
通过脉冲磁场激励待测储能材料，激发热声信号，根据接收到的声波信号，采用时间反演法重建待测材料的热函数的空间吸收系数，为：
式中，∑是超声换能器所处的曲面，
是超声换能器在检测点r处接收到的声波信号，n是检测面上r的单位矢量；
步骤3：获取待测储能材料内的电场强度
所述的非接触式储能材料电导率的非接触式检测方法，热函数的空间吸收系数是电导率和电场强度之间的函数，即：
Q(r′)＝σ|E(r′)|2 (3)
其中，σ是待测材料内的电导率，Q(r′)是待测材料内的热函数空间吸收系数，E(r′)是待测材料内电场强度的空间分布。
根据电流连续性定理，电流的散度为零，即：
其中，A1(r′)为脉冲激励源在真空中产生的一次磁矢位的空间分量，利用毕奥-萨发尔定律即可计算得到，它的值与待测储能材料没有关系；φ是标量电位的控制分量。
由于待测储能材料的电导率比较低，所以电场强度的空间分布可以表示为：
步骤4：最小二乘迭代寻优获取待测储能材料的电导率
由公式(3)和公式(5)可得到，热吸收系数Q(r′)与待测材料电导率σ之间的关系为：
采用最小二乘法寻求最优解，建立目标函数为：
在给定一个初始电导率的前提下，通过最小二乘迭代寻求最优解，直到误差满足终止条件，所获得的电导率就是待测储能材料的电导率分布。
整个过程是首先给定一个初始电导率，利用公式(1)获得声压数据，然后利用时间反演法求出热函数的空间吸收系数，即公式(2)，最后由最小二乘迭代算法获得待测储能材料的电导率分布。
实施例2
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图2所示，本实施例提供的储能材料电导率的非接触式检测系统，采用脉冲磁场作为激励，通过脉冲磁场激励待测储能材料，在待测材料内产生涡流，从而产生焦耳热，引起热膨胀，向外发出热声信号，此热声信号含有待测材料电导率的信息，在待测材料周围布置超声换能器以接收热声信号，因此根据检测到的热声信号，采用信号检测模型进行滤波、放大和采集，利用数据处理模块进行计算，最终获得待测储能材料的电导率信息。
本实施例提供的非接触式检测储能材料电导率系统，包括脉冲磁场激励模块、信号检测模块和数据处理模块；
所述脉冲磁场激励模块向待测储能材料发送激励信号，以适于待检测储能材料发出热声信号；
所述信号检测模块设置于待检测储能材料周围，用于获取待检测储能材料的热声信号；
所述信号检测模块将热声信号传输到数据处理模块中；
所述数据处理模块根据热声信号计算得到待测储能材料的电导率。
所述数据处理模块得到电导率具体按照以下步骤来实现：
首先利用时间反演法获得待测材料热函数的空间吸收系数，得到待测储能材料的热函数；
然后利用得到的热函数计算获取待测储能材料内的电场强度；
最后利用最小二乘迭代寻优法获取待测储能材料的电导率。
本实施例提供的脉冲磁场激励模块包括高压窄脉冲激励系统1和线圈2；所述高压窄脉冲激励系统1；用于产生脉冲电流以驱动线圈，输出端连接线圈；所述线圈2；所述高压窄脉冲激励系统激励线圈以产生脉冲磁场，置于待检测储能材料的上方。
本实施例提供的信号检测模块包括超声换能器3、信号预处理器4和信号采集器5；所述超声换能器3；用于检测热声信号，置于待检测储能材料的周围；所述信号预处理器4；用于对热声信号进行滤波处理和放大处理；所述信号采集器5；用于采集热声信号，置于信号预处理器4的输出；本实施例提供的所述待测储能材料设置于水槽9中，超声换能器和待测储能材料之间通过纯净水或者绝缘油作为超声耦合剂7传播热声信号，超声换能器的输出侧接入信号滤波和放大器，信号滤波和放大器的输出侧接入信号采集器，信号采集器的输出侧接入数据处理模块8。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种储能材料电导率的非接触式检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
通过脉冲磁场激励待测储能材料，获取待检测储能材料的热声信号；
利用时间反演法获得待测材料热函数的空间吸收系数，得到待测材料的热函数；
利用得到的热函数计算获取待测储能材料内的电场强度；
利用最小二乘迭代寻优法获取待测储能材料的电导率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述热声信号通过超声换能器接收，并对热声信号进行信号预处理。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述热函数的空间吸收系数是按照以下公式进行计算获得的：
式中，
∑是超声换能器所处的曲面，
n是检测面上r的单位矢量，
vs表示声波的传播速度，
β表示所检测储能材料的体积膨胀系数，
cp表示所检测储能材料的比热容，
r表示位置向量，即超声换能器所处的位置，
r′表示所检测储能材料的位置向量，
p(r，t)表示位置向量r在时刻t的声压。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述待测储能材料内的电场强度是按照以下公式进行计算获得的：
Q(r′)＝σ|E(r′)|2；
其中，
σ是待测材料内的电导率，
Q(r′)是待测材料内的热函数空间吸收系数，
E(r′)是待测材料内电场强度的空间分布，
A1(r′)为脉冲激励源在真空中产生的一次磁矢位的空间分量，
φ是标量电位的控制分量，
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电导率是按照以下公式进行计算获得的：
其中，H(σ)表示采用最小二乘法寻求最优解，所建立的目标函数。
6.一种储能材料电导率的非接触式检测系统，其特征在于：包括脉冲磁场激励模块、信号检测模块和数据处理模块；
所述脉冲磁场激励模块向待测储能材料发送激励信号，以适于待检测储能材料发出热声信号；
所述信号检测模块设置于待检测储能材料周围，用于获取待检测储能材料的热声信号；
所述信号检测模块将热声信号传输到数据处理模块中；
所述数据处理模块根据热声信号计算得到待测储能材料的电导率。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于：所述数据处理模块得到电导率具体按照以下步骤来实现：
首先利用时间反演法获得待测材料热函数的空间吸收系数，得到待测材料的热函数；
然后利用得到的热函数计算获取待测储能材料内的电场强度；
最后利用最小二乘迭代寻优法获取待测储能材料的电导率。
8.如权利要求6所述的系统，其特征在于：所述脉冲磁场激励模块包括高压窄脉冲激励系统和线圈；
所述高压窄脉冲激励系统；用于产生脉冲电流以驱动线圈，输出端连接线圈；
所述线圈；所述高压窄脉冲激励系统激励线圈以产生脉冲磁场，置于待检测储能材料的上方。
9.如权利要求6所述的系统，其特征在于：所述信号检测模块包括超声换能器、信号预处理器和信号采集器；
所述超声换能器；用于检测热声信号，置于待检测储能材料的周围；
所述信号预处理器；用于对热声信号进行滤波处理和放大处理；
所述信号采集器；用于采集热声信号，置于信号预处理器的输出。
10.如权利要求6所述的系统，其特征在于：所述信号检测模块和待测储能材料之间通过纯净水或者绝缘油作为超声耦合剂来传播热声信号。
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| 殷文志: "电场耦合型感应式电导率检测系统的研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 (工程科技Ⅱ辑)》, 15 May 2019 (2019-05-15), pages 030 - 138 * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112666395A (zh) * | 2020-12-17 | 2021-04-16 | 蒋峰 | 非接触式的金属材质电导率测量方法及系统 |
| CN115372416A (zh) * | 2022-02-23 | 2022-11-22 | 重庆文理学院 | 一种感应式脉冲压缩磁声检测方法及系统 |
| CN115372415A (zh) * | 2022-02-23 | 2022-11-22 | 重庆文理学院 | 一种用于超级电容器电导率的检测方法 |
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