JP2021532335A - 蓄電装置の充電状態を光ファイバーによってオンラインで監視するシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
Description
傾斜型ファイバーブラッググレーティング(TFBG)等の傾斜型グレーティングを有する光ファイバーセンサーにおいて、TFBGは周囲環境に対して異なる感度を有する何百ものモードを励起することができる。金、銀等の組成物を含む金属膜で光ファイバーの表面を被覆することにより、位相整合条件を満たす、傾斜型ファイバーブラッググレーティングのクラッドモードを金属膜に結合することが可能となり、それによりプラズマ共鳴波が生成される。プラズマ共鳴波は、誘電率の変化、電極電位の変化、および金属膜の電荷密度の変化に対して非常に高い感度を有する。エバネッセント場の効果を利用した従来の光ファイバーによる感知法と比べると、プラズマ共鳴波はより高い検出感度を有する。
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、以下のものがある(国際出願日以降国際段階で引用された文献及び他国に国内移行した際に引用された文献を含む)。
(先行技術文献)
(特許文献)
(特許文献1) 中国特許出願公開第105784811号明細書
(特許文献2) 中国実用新案公告第200993672号明細書
(特許文献3) 中国特許出願公開第105841843号明細書
(特許文献4) 中国実用新案公告第204215026号明細書
(特許文献5) 中国特許出願公開第107817012号明細書
(特許文献6) 中国特許出願公開第103713208号明細書
(特許文献7) 中国特許出願公開第101871886号明細書
Claims (10)
- 蓄電装置の充電状態(SOC)をオペランドで(動作中に)監視する光ファイバーシステムであって、
光源と、偏光子と、偏光制御器と、光ファイバー循環装置と、光ファイバー検出プローブと、スーパーキャパシタと、光ファイバー分光計と、電気化学ワークステーションとを有し、
前記光源、前記偏光子、前記偏光制御器、前記光ファイバー循環装置、および前記光ファイバー検出プローブは動作可能にかつ連続的に接続されており、
前記光ファイバー分光計は前記光ファイバー循環装置に動作可能に接続されており、
前記スーパーキャパシタは前記電気化学ワークステーションに動作可能に接続されており、
前記光ファイバー検出プローブは前記スーパーキャパシタ内に配置されているものである、
光ファイバーシステム。 - 請求項1記載の光ファイバーシステムにおいて、前記光ファイバー検出プローブは光ファイバーを有し、
前記光ファイバーは傾斜型グレーティングが刻印されてなるものであり、前記光ファイバーのクラッドの外面は、ナノメートルスケールの均一の厚さを有する金属膜で被覆されているものであり、
前記光源から出射される光は、前記偏光子、前記偏光制御器、および前記光ファイバー循環装置を順次通過して前記光ファイバー検出プローブに入射するものであり、
前記光ファイバー検出プローブの前記光ファイバー内に生成されるクラッドモードは前記金属膜に結合されて、前記金属膜の表面プラズモン共鳴(SPR)をシミュレーションするものであり、表面プラズモン共鳴波は前記光ファイバー分光計の反射スペクトルにおいて吸収包絡線として示されるものであり、
前記金属膜の誘電率は、前記スーパーキャパシタの充電および/または放電に応じて変化するものであり、前記吸収包絡線の振幅はそれに応じて変化するものである、
光ファイバーシステム。 - 請求項2記載の光ファイバーシステムにおいて、
前記光ファイバー検出プローブの前記光ファイバー上の前記傾斜型グレーティングは、エキシマレーザーおよび位相マスク、または二光束干渉法を用いて作製されるものであり、
前記傾斜型グレーティングは、約5〜25度の傾斜角および全長約10〜20mmの軸方向の長さを有するものである、
光ファイバーシステム。 - 請求項2記載の光ファイバーシステムにおいて、前記光ファイバー検出プローブにおける前記光ファイバーの一端面は、厚さが約200nmより大きい金属反射膜で被覆されているものである、光ファイバーシステム。
- 請求項2記載の光ファイバーシステムにおいて、
前記光ファイバー検出プローブにおける前記光ファイバーのクラッドの外面は第一にマグネトロンスパッタリングまたは蒸着法により生成された厚さ約2〜3nmのクロム膜遷移層で被覆され、次にナノメートルスケールの均一の厚さを有する金属膜で被覆されるものであり、
前記金属膜で被覆された前記光ファイバーに対してアニール処理が施されるものである、
光ファイバーシステム。 - 請求項1記載の光ファイバーシステムにおいて、
前記スーパーキャパシタは電解液で満たされ、2つの電極を備えるものであり、
各前記2つの電極の一部分は電解液内に配置されているものであり、
前記光ファイバー検出プローブは前記2つの電極のうちの一方に密接して配置されるものである、
光ファイバーシステム。 - 請求項6記載の光ファイバーシステムにおいて、
前記電気化学ワークステーションは、計数電極と、参照電極と、作用電極とを有し、
前記計数電極および前記参照電極は前記スーパーキャパシタは前記2つの電極のうちの一方に電気接続され、
前記作用電極は前記スーパーキャパシタの前記2つの電極のうちのもう一方に電気接続されるものである、
光ファイバーシステム。 - 蓄電装置の充電状態(SOC)を監視するための光ファイバーに基づいた方法であって、
工程1:光ファイバー検出プローブをスーパーキャパシタの1の電極に密接して配置する工程であって、前記スーパーキャパシタは電解液で満たされているものであり、光源から出射される光は偏光子を通過した後偏光に変換されるものであり、前記偏光の偏光方向は、前記光ファイバー検出プローブにおける傾斜型グレーティングの刻印方向と実質的に同じになるように偏光制御器によって調整されるものである、前記配置する工程と、
工程2:光路および前記スーパーキャパシタを設定した後、前記スーパーキャパシタを動作可能に電気化学ワークステーションに接続し、さらに前記電気化学ワークステーションおよび光ファイバー分光計を通信可能にコンピュータに接続する工程と、前記光ファイバー検出プローブに入射する光が前記光ファイバー検出プローブ内の光ファイバーのクラッドの外面を被覆する金属膜上に表面プラズモン共鳴(SPR)を励起する偏光状態となるように偏光制御器の関連パラメータを設定する工程と、
工程3:前記スーパーキャパシタを自然条件下に配置し、電気エネルギーを前記スーパーキャパシタに蓄電する充電過程および電気エネルギーを前記スーパーキャパシタから放出する放電過程における前記スーパーキャパシタの充電状態(SOC)の変化過程全体を光学的および電気化学的方法で監視する工程と、
工程4:前記スーパーキャパシタに蓄電された電荷の極性および電荷量を制御するために異なる電位をスーパーキャパシタに印可する工程であって、それにより前記光ファイバー検出プローブの表面上の電荷密度の変化が制御され、前記スーパーキャパシタにおける電荷の蓄電または放電が検出されるものである、前記印可する工程と、
を有する、光ファイバーに基づいた方法。 - 請求項8記載の光ファイバーに基づいた方法において、
電気エネルギーを前記スーパーキャパシタに蓄電する充電過程および電気エネルギーを前記スーパーキャパシタから放出する放電過程における前記スーパーキャパシタの充電状態(SOC)の変化過程全体を光学的および電気化学的方法で監視する前記工程3において、
前記電気化学ワークステーションが励起されることにより前記スーパーキャパシタが充電または放電されるように構成する工程を有し、
前記スーパーキャパシタの充電時においては、電解液中のイオンが前記スーパーキャパシタの前記電極の表面上に電気二重層を形成することにより電気エネルギーが蓄電されるものであり、前記スーパーキャパシタの電極材の酸化反応に伴って、前記スーパーキャパシタの前記電極上に電荷がさらに蓄積され、充電過程完了後に前記スーパーキャパシタに蓄電された電気エネルギーが最大に達するものであり、
前記スーパーキャパシタの放電時においては、前記スーパーキャパシタの前記電極材に還元反応が起こり、前記スーパーキャパシタの前記電極の表面上に蓄積され、前記充電過程と反対の過程において、前記電気二重層を形成していた電荷が拡散して電解液中に戻るものであり、
充電および放電過程全体において、前記光ファイバー検出プローブは、前記スーパーキャパシタの充電状態(SOC)の変化をリアルタイムで監視し、前記電気化学ワークステーションおよび前記光ファイバー分光計によって、充電時における前記スーパーキャパシタの充電状態(SOC)の増加、および放電時における充電状態(SOC)の低減についての全過程が記録され、次に対応する曲線が記述されるものである、
光ファイバーに基づいた方法。 - 請求項8記載の光ファイバーに基づいた方法において、前記工程4では、
正電位が印可された場合、前記光ファイバー検出プローブに密接して配置された前記スーパーキャパシタの前記電極の端部における負イオンの密度が増加し、前記金属膜は電子分極状態にあり、
負電位が印可された場合、前記光ファイバー検出プローブ5に密接して配置された前記スーパーキャパシタの前記電極の端部における正イオンの密度が増加し、前記金属膜は電子分極状態と反対の状態にあるものである、
光ファイバーに基づいた方法。
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