CN117607100A - 一种监测AZIBs二次电池内原位pH值的光纤传感方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种监测AZIBs二次电池内原位pH值的光纤传感方法，包括从内向外依次为芯层、包层和涂覆层的单模光纤，单模光纤的一端为输入端并与光源连接，单模光纤的另一端为输出端，将单模光纤中部的涂覆层拨离并形成传感段，使传感段弯曲形成半圆形传感探头，当AZIBs二次电池内PH值变化时，导致高阶包层模式与基模模式之间有效折射率差的变化，并使单模光纤中传输光谱的波长偏移，光纤芯模和包层模之间的有效折射率差会发生变化，从而导致传输光谱中的波长偏移，因此，所提出的弯曲光纤传感器可以通过透射光谱的波长移来解调测量的物理量，光纤传感器结构检简单、成本低、易操作及稳定性等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术，具体涉及一种监测AZIBs二次电池内原位pH值的光纤传感方法。
背景技术
AZIBs（水系锌离子电池）是一种新型的可充电电池技术，一种利用水作为电解质的二次电池，广泛应用于各种电子设备中，如便携式电子产品、电动交通、智能电网及可再生能源储能装置等。相比较传统的锂离子电池，AZIBs具有更高的安全性、更低的成本以及更好的环境友好性。因此，AZIBs被认为是下一代可持续能源存储技术的有力竞争者。
原位pH值是指在电池运行过程中，电池内部产生的pH值。pH值是衡量溶液酸碱程度的指标，其值越小，溶液越酸；值越大，溶液越碱。在电池中，原位pH值得变化会影响到电池的性能和寿命。原位pH值可以反映电解液中的酸碱物质的浓度，进而影响到电解液的稳定性。稳定的电解液有助于提高AZIBs的循环寿命。原位pH值对正负极材料的结构和性能产生影响，进而影响带电池的整体性能。例如，过高或者过低的pH值可能导致正负极材料表面形成不良的副产物，影响电池的容量和循环寿命。
光纤传感作为一种新兴技术，它具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、可测参量多等优点；为了监测AZIBs二次电池的原位pH值的演变，故需将光纤传感技术应用到AZIBs管理装置系统中。
发明内容
针对现有技术中的需求，提供一种监测AZIBs二次电池内原位pH值的光纤传感方法，目的在于通过光纤传感器实现对AZIBs二次电池内原位pH值的实时监测。
一种监测AZIBs二次电池内原位pH值的光纤传感方法，包括从内向外依次为芯层、包层和涂覆层的单模光纤，单模光纤的一端为输入端并与光源连接，单模光纤的另一端为输出端，将单模光纤中部的涂覆层拨离并形成传感段，使传感段弯曲形成半圆形传感探头，传感探头内圈部分的包层和芯层呈压缩状态，传感探头外圈部分的包层和芯层呈拉伸状态，传感探头使光分成两部分，第一部分是在芯层中传播的基模模式，第二部分是在包层中不受芯层限制而泄漏到包层中的部分并激发高阶包层模式，基模模式与高阶包层模式的不同光路形成光程差，形成干涉；当光通过传感探头时，使高阶包层模式与基模模式重新耦合，并使高阶包层模式与基模模式相互干扰并保持在最大干涉模式，将该传感探头封装在AZIBs二次电池内，当AZIBs二次电池内PH值变化时，导致高阶包层模式与基模模式之间有效折射率差的变化，并使单模光纤中传输光谱的波长偏移，根据波长偏移量和AZIBs二次电池内部PH值的对应关系，实时监测AZIBs二次电池内部的PH值。
进一步为：，/>为电解液初始PH值，/>为传感探头的灵敏度，/>为波长偏移量，/>，/>为t时刻干涉角波长值，/>为干涉角初始波长值。
进一步为：芯层直径为8.2±0.7µm，包层直径为125±0.7µm，芯层和包层的有效折射率分别为1.451 和1.4447。仿真软件中设置的完美匹配层PML的厚度为145µm，传感探头的半径为3.5 ±0.1mm。
进一步为：传感探头横截面的折射率为：
式中为单模光纤为笔直状态时的折射率分布;p11和p12为硅材料的弹性光张量系数;单模光纤中心轴矢量距离为x;v是泊松比；r为半圆形传感探头的半径。
进一步为：将马赫-曾德尔干涉仪作为光源，其自由光谱范围表示为:
，其中，/>为芯层和包层之间的有效折射率差，/>为第i干涉条纹的波长。
进一步为：，其中，Leff为传感探头的有效干涉的长度。
进一步为：和/>分别为芯层和包层的有效折射率，即，，/>。
进一步为：等效弯曲半径表示为：
在包层和芯层为硅材质的情况下，，因此，传感探头的折射率分布定义为：
。
进一步为：马赫-曾德尔干涉仪的光的透射光谱强度表示为:
其中为透射光谱输出强度，/>和/>分别为基模模式和高阶包层模式下的传输强度，/>为基模模式和高阶包层模式之间的相位差；
式中,为光在自由空间中传输的波长。
本发明的有益效果：光纤芯模和包层模之间的有效折射率差会发生变化，从而导致传输光谱中的波长偏移。因此，所提出的弯曲光纤传感器可以通过透射光谱的波长移来解调测量的物理量，光纤传感器结构检简单、成本低、易操作及稳定性等优点。
附图说明
图1为本发明中传感探头的结构示意图；
图2为传感探头不同弯曲半径时模拟电场模分布(a) r = 5 mm； (b) r = 4.5mm；(c) r = 4 mm；(d) r = 3.5 mm；(e) r = 3 mm；(f) r = 2.5 mm；
图3为传感探头测试系统；
图4不同弯曲半径下传感探头的透射光谱信息。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本发明实施例中的左、中、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
一种监测AZIBs二次电池内原位pH值的光纤传感方法，包括从内向外依次为芯层、包层和涂覆层的单模光纤，单模光纤的一端为输入端并与光源连接，单模光纤的另一端为输出端，将单模光纤中部的涂覆层拨离并形成传感段，使传感段弯曲形成半圆形传感探头，传感探头内圈部分的包层和芯层呈压缩状态，传感探头外圈部分的包层和芯层呈拉伸状态，传感探头使光分成两部分，第一部分是在芯层中传播的基模模式，第二部分是在包层中不受芯层限制而泄漏到包层中的部分并激发高阶包层模式，基模模式与高阶包层模式的不同光路形成光程差，形成干涉；当光通过传感探头时，使高阶包层模式与基模模式重新耦合，并使高阶包层模式与基模模式相互干扰并保持在最大干涉模式，基模和高阶模式的不同模式形成光程差，形成干涉，最大干涉模式是指高阶包层模式与基模模式相互干扰时的干涉条纹最好，消光比最大，自由光谱区范围最宽；将该传感探头封装在AZIBs二次电池内，当AZIBs二次电池内PH值变化时，导致高阶包层模式与基模模式之间有效折射率差的变化，并使单模光纤中传输光谱的波长偏移，根据波长偏移量和AZIBs二次电池内部PH值的对应关系，实时监测AZIBs二次电池内部的PH值。
其中，波长偏移量和AZIBs二次电池内部PH值的对应关系可通过实验测试获得，为常规技术手段，AZIBs二次电池内部的PH值为，/>为电解液初始PH值，/>为传感探头的灵敏度，/>为波长偏移量，/>，/>为t时刻干涉角波长值，/>为干涉角初始波长值；
传感探头横截面的折射率为：
式中为单模光纤为笔直状态时的折射率分布;p11和p12为硅材料的弹性光张量系数;单模光纤中心轴矢量距离为x(向外为正，向内为负);v是泊松比；r为半圆形传感探头的半径；
将马赫-曾德尔干涉仪作为光源，其自由光谱范围表示为:
，其中，/>为芯层和包层之间的有效折射率差，/>为第i干涉条纹的波长。
，其中，Leff为传感探头的有效干涉的长度；
和/>分别为芯层和包层的有效折射率，即，/>，
。
等效弯曲半径表示为：
在包层和芯层为硅材质的情况下，，因此，传感探头的折射率分布定义为：
。
马赫-曾德尔干涉仪的光的透射光谱强度表示为:
其中，为透射光谱输出强度，/>和/>分别为基模模式和高阶包层模式下的传输强度，/>为基模模式和高阶包层模式之间的相位差；
式中为光在自由空间中传输的波长。
传感探头的芯层直径为8.2±0.7µm，包层直径为125±0.7µm，（涂层为235～250µm），芯层和包层的有效折射率分别为1.451 和1.4447。利用COMSOL Multiphysics软件波动光学中的电磁波频域模块，建立了二维轴对称模型，模拟不同弯曲半径下的电场模分布，在建模设计中，几何图形定义了圆形光纤芯周围的矩形区域。为了进行辐射模式的吸收，需要在矩形包层区域周围创建一个完美匹配层(PML)。模型设计参数设置为:传感探头的芯层/包层直径为8.2/125µm, 有效折射率分别为1.451 /1.4447，仿真软件中设置的完美匹配层PML的厚度为145µm，传感探头的半径为3.5 ±0.1mm，传感探头的半径与选择的光纤类型相关，不同的包层直径和芯层直径，进行弯曲时，形成最优干涉模式时的半径不同，传感探头的半径需要仿真和实验验证后得出。当入射波为1550 nm时，传感探头的半径分别为5mm、4.5 mm、4mm、3.5 mm、3mm和2.5 mm的弯曲光纤表面电场模式的仿真结果如图4所示，从图中可以看出，随着弯曲半径的减小，光纤芯在完美匹配层SMF中的基模能量逐渐泄漏到包层中，形成泄漏模(包层模)，激发泄漏模与芯模之间的相互作用，当传感探头的半径为3.5 mm时，包层模和芯模相互干涉最优，随着半径的进一步减小，越来越多的功率向径向辐射，甚至会引起光纤能量的大衰减，导致干扰减弱；由于模态分析仿真采用的是简化模型，因此需要通过实验确定合适的弯曲半径以获得最佳的干涉谱。
通过搭建传感探头测试系统对理论进行验证，如图3所示，传感探头测试系统由频谱分析仪(OSA, MS9740 a, Anritsu，分辨率为0.03，波长范围为1350-1750)，位移级和由半导体光放大器(SOA, KGSOA8052, Conquer，波长范围为1250-1650 nm)提供的宽带光源(BBS)组成。首先，使用光纤剥离钳剥离SMF一段中间区域的保护涂层，长度为2-3厘米。然后将光纤的两端插入长度为15mm，内径为0.5 mm的硅胶毛细管中。最后通过光纤夹将光纤和毛细管固定在位移台上，然后通过位移台上的反向旋转将光纤向后移动，形成弯曲的形状结构。同时实时观测OSA中的光谱信息，记录传感器在不同半径处的干扰谱。当达到合适的干扰谱时，将UV粘合剂滴入毛细管中，然后用UV灯照射30秒左右，使结构完全固化。如图4所示，与直光纤相比，当弯曲半径为5.5 mm时，谐振干扰很小，这意味着有少量的光耦合到包层模式中。随着弯曲半径的减小，更多的光泄漏到包层模式并耦合回来干扰核心模式。最大消光比为25.7dB，弯曲半径为3.5 mm，干涉性能最佳。随着弯曲半径的不断减小，由于更多的光能泄漏到包层中甚至流出包层，导致干扰减弱，因此功率损失更大。这些光谱结果与模拟结果和理论分析一致。由于半圆状纤维结构直径较小，在实验过程中容易断裂，不适合测量。因此，本发明采用弯曲直径为3.5 mm的半圆形光纤传感器，实时监测AZIBs中电解质pH值的变化。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种监测AZIBs二次电池内原位pH值的光纤传感方法，包括从内向外依次为芯层、包层和涂覆层的单模光纤，单模光纤的一端为输入端并与光源连接，单模光纤的另一端为输出端，其特征在于：将单模光纤中部的涂覆层拨离并形成传感段，使传感段弯曲形成半圆形传感探头，传感探头内圈部分的包层和芯层呈压缩状态，传感探头外圈部分的包层和芯层呈拉伸状态，传感探头使光分成两部分，第一部分是在芯层中传播的基模模式，第二部分是在包层中不受芯层限制而泄漏到包层中的部分并激发高阶包层模式，基模模式与高阶包层模式的不同光路形成光程差，形成干涉；当光通过传感探头时，使高阶包层模式与基模模式重新耦合，并使高阶包层模式与基模模式相互干扰并保持在最大干涉模式，将该传感探头封装在AZIBs二次电池内，当AZIBs二次电池内PH值变化时，导致高阶包层模式与基模模式之间有效折射率差的变化，并使单模光纤中传输光谱的波长偏移，根据波长偏移量和AZIBs二次电池内部PH值的对应关系，实时监测AZIBs二次电池内部的PH值。
2.根据权利要求1所述的监测AZIBs二次电池内原位pH值的光纤传感方法，其特征在于： ，/>为电解液初始PH值，/>为传感探头的灵敏度，/>为波长偏移量，，/>为t时刻干涉角波长值，/>为干涉角初始波长值。
3.根据权利要求1所述的监测AZIBs二次电池内原位pH值的光纤传感方法，其特征在于：芯层直径为8.2±0.7µm，包层直径为125±0.7µm，芯层和包层的有效折射率分别为1.451 和1.4447，仿真软件中设置的完美匹配层PML的厚度为145µm，传感探头的半径为3.5±0.1mm。
4.根据权利要求1所述的监测AZIBs二次电池内原位pH值的光纤传感方法，其特征在于：传感探头横截面的折射率为：
；
式中为单模光纤为笔直状态时的折射率分布;p11和p12为硅材料的弹性光张量系数;单模光纤中心轴矢量距离为x;v是泊松比，r为半圆形传感探头的半径。
5.根据权利要求1所述的监测AZIBs二次电池内原位pH值的光纤传感方法，其特征在于：将马赫-曾德尔干涉仪作为光源，其自由光谱范围表示为：
，其中，/> 为芯层和包层之间的有效折射率差，/>为第i干涉条纹的波长。
6.根据权利要求5所述的监测AZIBs二次电池内原位pH值的光纤传感方法，其特征在于：，其中，Leff为传感探头的有效干涉的长度。
7.根据权利要求5所述的监测AZIBs二次电池内原位pH值的光纤传感方法，其特征在于：和 />分别为芯层和包层的有效折射率，即/>，，r为半圆形传感探头的半径。
8.根据权利要求7所述的监测AZIBs二次电池内原位pH值的光纤传感方法，其特征在于：等效弯曲半径表示为：
；
在包层和芯层为硅材质的情况下， ，因此，传感探头的折射率分布定义为：
。
9.根据权利要求8所述的监测AZIBs二次电池内原位pH值的光纤传感方法，其特征在于：马赫-曾德尔干涉仪的光的透射光谱强度表示为:；
其中为透射光谱输出强度， />和/>分别为基模模式和高阶包层模式下的传输强度， />为基模模式与高阶包层模式之间的相位差；
；
式中为光在自由空间中传输的波长。
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