專利名稱：差分光纖atr傳感器檢測蓄電池剩余容量的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測鉛酸蓄電池容量的方法，尤其涉及一種差分光纖ATR傳感器 檢測蓄電池剩余容量的方法及裝置。
背景技術(shù)：
鉛酸蓄電池廣泛應(yīng)用于汽車、電力等行業(yè)，為確保電池性能，延長電池的使用壽 命，必需對電池的剩余容量進(jìn)行在線、準(zhǔn)確的測量。因此，研究設(shè)計實(shí)用的鉛酸蓄電池容量 在線檢測傳感器，有著十分重要的意義。目前，蓄電池剩余容量測量方法有離線法檢測方法和在線檢測方法。離線方法核 對放電法、電解液比重法和開路電壓法。在線法有電阻抗法，電量累積法，放電電流法和光 吸收法。離線檢測法的缺點(diǎn)是必須中斷電池的充放電過程，不能對電池容量進(jìn)行原位測 量；同時測量過程耗時，容易攜帶雜質(zhì)進(jìn)入電解液，腐蝕電池極板。目前，在線檢測法的缺點(diǎn) 是電阻抗法、電量累積法、放電電流法屬于間接檢測法，對系統(tǒng)要求高，安裝不方便，同樣 不能實(shí)現(xiàn)電池容量的原位測量。鉛酸蓄電池是利用塑料、橡膠或玻璃鋼制成長方體外殼，內(nèi)充電解液稀硫酸( I3SO4 )，正、負(fù)兩電極板浸入其中。正極板活性物質(zhì)為二氧化鉛(PMi2 )，負(fù)極板活性物
質(zhì)為海綿狀金屬鉛(飾)，兩極板間用微孔橡膠或微孔塑料隔開。充放電過程正、負(fù)極板表面電化學(xué)反應(yīng)方程式
①充電過程電化學(xué)總反應(yīng)方程'IPbSO4+ IH7O = PbO2 +Fb + IH11SO4
正極PhSO4 + IH2OPbO2 + 4/Γ + SO^ 負(fù)極PhSO4 1. 2e = Ph i SOl
②放電過程電化學(xué)總反應(yīng)方程PbO，+Ph QHiSO4=IPhSO4 i 2H，0 正極PhO7 + 4//+ + .SC 廣 f 2e FfeSO4 + 2//,
負(fù)極Fh+SOf le = PhSO4
從充放電過程正負(fù)極板反應(yīng)方程式可以看出在充電過程中，正、負(fù)極板生成物固體顆
粒不同，正極為M顆粒，負(fù)極為P 顆粒；在放電過程中，正、負(fù)極板反應(yīng)物固體顆粒不
同，正極為IjMii顆粒，負(fù)極為顆粒；只有正極板表面上發(fā)生了雙盧的離解和化合反應(yīng)。
正負(fù)極板電化學(xué)反應(yīng)特點(diǎn)表明在充放電過程中，正負(fù)極板表面固體顆粒和電解液折射率 必然不相同。如果在正、負(fù)極板表面分別通入一束光，通過檢測衰減后的光能量可實(shí)現(xiàn)電池 剩余容量的測量。光學(xué)法是通過測量電解液折射率的變化量來測量電池的容量，光纖法為最有前途 的方法，因?yàn)楣鈱W(xué)法能實(shí)現(xiàn)電池容量的在線原位測量。但也有文獻(xiàn)中介紹的光學(xué)法，在測量 過程中并未考慮電解液溫度變化對測量過程的影響。中國發(fā)明專利ZL 200610095382公布的“在線測量鉛酸電池容量的光纖傳感器”，該發(fā)明雖然考慮到了溫度對待測信號的影響， 但是傳感器探頭尺寸較大，只能通過測量電池表面電解液濃度的變化來估計蓄電池的剩余 容量，精度較低。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，本發(fā)明提供了一種光纖傳感器體積小，安裝在電極 板上可實(shí)現(xiàn)平均測量；同時消除了溫度對待測信號的影響，提高了光纖傳感器的測量準(zhǔn)確 度和精度的差分光纖ATR傳感器檢測蓄電池剩余容量的方法及裝置。本發(fā)明提供的差分光纖ATR傳感器檢測蓄電池剩余容量的方法，包括下列步 驟
1)采用工業(yè)酒精浸泡光纖，然后用紗布擦洗光纖，除去光纖上的包層；將除去包層后的 纖芯放入含15 25%的氫氟酸的腐蝕溶液，在25 35°C下進(jìn)行腐蝕，將纖芯均勻腐蝕至直 徑為 650 750 m ；
2)將腐蝕后的纖芯制作成U形結(jié)構(gòu)的光纖ATR傳感器，在鉛酸蓄電池的正極板和負(fù)極 板上各安裝一個光纖ATR傳感器，正極板和負(fù)極板上的光纖ATR傳感器成對稱分布；
3)光束通過入射光纖進(jìn)入正極板和負(fù)極板上的光纖ATR傳感器，正極板和負(fù)極板上的 光纖ATR傳感器輸出的光束通過出射光纖輸出，通過下式的修正函數(shù)計算正極板和負(fù)極板 表面輸出光強(qiáng)
正極板表面輸出光能量的表達(dá)式為
權(quán)利要求
一種差分光纖ATR傳感器檢測蓄電池剩余容量的方法，其特征在于，包括下列步驟1)采用工業(yè)酒精浸泡光纖，然后用紗布擦洗光纖，除去光纖上的包層；將除去包層后的纖芯放入含15～25%的氫氟酸的腐蝕溶液，在25～35℃下進(jìn)行腐蝕，將纖芯均勻腐蝕至直徑為650～750 m；2)將腐蝕后的纖芯制作成U形結(jié)構(gòu)的光纖ATR傳感器，在鉛酸蓄電池的正極板和負(fù)極板上各安裝一個光纖ATR傳感器，正極板和負(fù)極板上的光纖ATR傳感器成對稱分布；3)光束通過入射光纖進(jìn)入正極板和負(fù)極板上的光纖ATR傳感器，正極板和負(fù)極板上的光纖ATR傳感器輸出的光束通過出射光纖輸出，通過下式的修正函數(shù)計算正極板和負(fù)極板表面輸出光強(qiáng)正極板表面輸出光能量的表達(dá)式為 負(fù)極板表面輸出光能量的表達(dá)式為 式中表示輸入光強(qiáng)；表示電解液容積吸收系數(shù)；表示光源波長；，表示界面入射夾角的大??；1表示光纖ATR傳感器直線段的長度；表示光纖ATR傳感器彎曲段的彎曲半徑；表示腐蝕后纖芯的半徑；表示纖芯的折射率；表示溫度為20℃時正極板表面電解液的折射率； 表示溫度為20℃時負(fù)極板表面電解液的折射率；表示電解液倏逝波吸收系數(shù)；表示電解液的溫度；1表示 , 其中 ，， 其中，；表示光束由U形結(jié)構(gòu)的光纖ATR傳感器的直線段纖芯進(jìn)入彎曲段纖芯時，光束與分界面的垂距；表示光纖包層的折射率；4)將出射光纖進(jìn)入光電探測器，光電探測器通過光電轉(zhuǎn)換后，正極板上的光纖ATR傳感器輸出的電壓為；負(fù)極板上的光纖ATR傳感器輸出的電壓為；式中表示光電轉(zhuǎn)換系數(shù)； 5)將、經(jīng)過變換后可得光纖ATR傳感器輸出的鉛酸蓄電池剩余容量的電壓。2010102851630100001dest_path_image002.jpg,2010102851630100001dest_path_image004.jpg,2010102851630100001dest_path_image006.jpg,2010102851630100001dest_path_image008.jpg,2010102851630100001dest_path_image010.jpg,2010102851630100001dest_path_image012.jpg,2010102851630100001dest_path_image014.jpg,2010102851630100001dest_path_image016.jpg,2010102851630100001dest_path_image018.jpg,2010102851630100001dest_path_image020.jpg,2010102851630100001dest_path_image022.jpg,2010102851630100001dest_path_image024.jpg,2010102851630100001dest_path_image026.jpg,2010102851630100001dest_path_image028.jpg,2010102851630100001dest_path_image030.jpg,2010102851630100001dest_path_image032.jpg,2010102851630100001dest_path_image034.jpg,2010102851630100001dest_path_image036.jpg,2010102851630100001dest_path_image038.jpg,2010102851630100001dest_path_image040.jpg,2010102851630100001dest_path_image042.jpg,2010102851630100001dest_path_image044.jpg,2010102851630100001dest_path_image046.jpg,2010102851630100001dest_path_image048.jpg,2010102851630100001dest_path_image050.jpg,2010102851630100001dest_path_image052.jpg,2010102851630100001dest_path_image054.jpg,2010102851630100001dest_path_image056.jpg,2010102851630100001dest_path_image058.jpg,2010102851630100001dest_path_image060.jpg
1. 一種差分光纖ATR傳感器檢測蓄電池剩余容量的方法，其特征在于，包括下列步驟1)采用工業(yè)酒精浸泡光纖，然后用紗布擦洗光纖，除去光纖上的包層；將除去包層后的 纖芯放入含15 25%的氫氟酸的腐蝕溶液，在25 35°C下進(jìn)行腐蝕，將纖芯均勻腐蝕至直 徑為 650 750 m ；2)將腐蝕后的纖芯制作成U形結(jié)構(gòu)的光纖ATR傳感器，在鉛酸蓄電池的正極板和負(fù)極 板上各安裝一個光纖ATR傳感器，正極板和負(fù)極板上的光纖ATR傳感器成對稱分布；3)光束通過入射光纖進(jìn)入正極板和負(fù)極板上的光纖ATR傳感器，正極板和負(fù)極板上的 光纖ATR傳感器輸出的光束通過出射光纖輸出，通過下式的修正函數(shù)計算正極板和負(fù)極板 表面輸出光強(qiáng)正極板表面輸出光能量的表達(dá)式為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分光纖ATR傳感器檢測蓄電池剩余容量的方法及裝置，其 特征在于所述光纖纖芯直徑為1. Omm、光纖外徑為2. 2mm、纖芯折射率為1. 492、數(shù)值孔徑 NA為0. 5，工作溫度為-50 70°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分光纖ATR傳感器檢測蓄電池剩余容量的方法及裝置，其 特征在于在步驟2)中，正極板和負(fù)極板上分別設(shè)有用于安裝光纖ATR傳感器的凹槽，在凹 槽內(nèi)涂上一層環(huán)氧樹脂膠，將光纖ATR傳感器平放在凹槽內(nèi)，再涂上一層環(huán)氧樹脂膠將光 纖ATR傳感器固定在極板的板柵筋條上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分光纖ATR傳感器檢測蓄電池剩余容量的方法及裝置，其 特征在于所述正極板和負(fù)極板上光纖ATR傳感器的兩個端頭與光纖適配器連接，所述入 射光纖和出射光纖與光纖適配器連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差分光纖ATR傳感器檢測蓄電池剩余容量的方法及裝置，其 特征在于入射光束在纖芯與包層分界面的入射角0 = 。
6.一種檢測蓄電池剩余容量的裝置，其特征在于包括光源(12)、光源-光纖耦合器 (13)、光纖適配器(17)、第一光纖ATR傳感器(20)、第二光纖ATR傳感器(22)、光電探測器 (25)、前置放大器(26)、A / D轉(zhuǎn)換器(27)和數(shù)據(jù)處理單元(28);所述第一光纖ATR傳感器(20 )和第二光纖ATR傳感器(22 )均由腐蝕后的光纖纖芯(2 ) 組成，且呈U形結(jié)構(gòu)；所述第一光纖ATR傳感器(20)設(shè)置在鉛酸蓄電池(18)的正極板(19) 上，第二光纖ATR傳感器(22)設(shè)置在負(fù)極板(22)上，且第一光纖ATR傳感器(20)平行于第 二光纖ATR傳感器(22)；所述光源(12)發(fā)出的光束通過光源-光纖耦合器(13)進(jìn)入光纖，光源-光纖耦合器 (13)通過入射光纖與光纖適配器(17)連接；所述第一光纖ATR傳感器(20)的兩端和第二 光纖ATR傳感器(22)的兩端連接光纖適配器(17)，光纖適配器(17)的輸出端通過出射光 纖與光電探測器(25)連接；所述光電探測器(25)的輸出端與前置放大器(26)連接；所述 前置放大器(26)的輸出端與A / D轉(zhuǎn)換器(27)連接；所述A / D轉(zhuǎn)換器(27)的信號輸出 端與數(shù)據(jù)處理單元(28)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的檢測鉛酸蓄電池剩余容量的裝置，其特征在于還包括光分 路器(14)，所述光分路器(14)串接在光源-光纖耦合器(13)與入射光纖之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的檢測蓄電池剩余容量的裝置，其特征在于所述正極板(19)和負(fù)極板(22)上分別設(shè)有U形結(jié)構(gòu)的凹槽(6)，所述第一光纖ATR傳感器(20)和第二光纖 ATR傳感器(22)分別設(shè)置在凹槽(6)內(nèi)，并通過環(huán)氧樹脂膠(11)固定。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的檢測蓄電池剩余容量的裝置，其特征在于所述第一光纖ATR 傳感器(20)和第二光纖ATR傳感器(22)的直徑為700 m。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種差分光纖ATR傳感器檢測蓄電池剩余容量的方法，首先將纖芯腐蝕，將腐蝕后的纖芯制作成光纖ATR傳感器，在正極板和負(fù)極板上對稱各安裝一個光纖ATR傳感器，光束通過進(jìn)入正極板和負(fù)極板上的光纖ATR傳感器后通入光電探測器，利用計算得出鉛酸蓄電池剩余容量。同時還公開了一種檢測鉛酸蓄電池剩余容量的裝置。本發(fā)明采用的光纖ATR傳感器體積小，安裝在電極板上，實(shí)現(xiàn)了平均測量；同時采用差分形式方法消除溫度對待測信號的影響，提高了光纖傳感器的測量準(zhǔn)確度和精度；光纖ATR傳感器由于具有體積小、耐腐蝕、成本低、遠(yuǎn)距離傳感、在線測量等特點(diǎn)，在水質(zhì)監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、生物化學(xué)等領(lǐng)域可得到廣泛的應(yīng)用。
文檔編號G01R31/36GK101963654SQ20101028516
公開日2011年2月2日 申請日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月17日
發(fā)明者丁玉棟, 葉丁丁, 廖強(qiáng), 朱恂, 李俊, 王宏, 王永忠, 鐘年丙 申請人:重慶大學(xué)