专利名称：光纤atr传感器检测铅酸蓄电池剩余容量的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种检测铅酸蓄电池容量的方法及装置，尤其涉及光纤ATR传感器检 测铅酸蓄电池剩余容量的方法及装置。
背景技术：
铅酸蓄电池广泛应用于汽车、电力等行业，为确保电池性能，延长电池的使用寿 命，必需对电池的剩余容量进行在线、准确的测量。因此，研究设计实用的铅酸蓄电池容量 在线检测传感器，有着十分重要的意义。目前，蓄电池剩余容量测量方法有离线法检测方法和在线检测方法。离线方法核 对放电法、电解液比重法和开路电压法。在线法有电阻抗法，电量累积法，放电电流法和光 吸收法。离线检测法的缺点是必须中断电池的充放电过程，不能对电池容量进行原位测 量；同时测量过程耗时，容易携带杂质进入电解液，腐蚀电池极板。目前，在线检测法的缺点 是电阻抗法、电量累积法、放电电流法属于间接检测法，对系统要求高，安装不方便，同样 不能实现电池容量的原位测量。铅酸蓄电池在充放电过程正、负极板表面电化学反应方程式
①充电过程电化学总反应方程 2FWO、
正极
负极= Λ +
②放电过程电化学总反应方程
权利要求
一种光纤ATR传感器检测铅酸蓄电池剩余容量的方法，其特征在于，包括下列步骤1)采用工业酒精浸泡光纤，然后用纱布擦洗光纤，除去光纤上的包层；将除去包层后的纤芯放入含15～25%的氢氟酸的腐蚀溶液，在20～25℃下进行腐蚀，纤芯均匀腐蚀至直径为650～750 m和直径为380～420 m的两种腐蚀纤芯； 2)制作光纤ATR传感臂将直径为650～750 m的腐蚀纤芯制作成U形结构；制作光纤温度补偿臂将直径为380～420 m的腐蚀纤芯制作成U形结构；采用电沉积方法在U形结构的腐蚀纤芯表面沉积砷化镓薄膜，沉积砷化镓薄膜后的纤芯直径为996 m；再将粗糙的砷化镓表面进行抛光，抛光后的表面粗糙度小于5nm；最后采用气相沉积方法在砷化镓薄膜表面再镀上金膜，镀上金膜后的纤芯直径约为1000 m；3)将U形结构的光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂安装在铅酸蓄电池的正极板上，且开口朝上；4)光束通过入射光纤进入正极板上的光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂内，光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂输出的光束通过出射光纤输出，通过下式的修正函数计算光纤ATR传感臂输出光强 式中表示输入光强；表示电解液容积吸收系数；表示光源波长；，表示界面入射夹角的大小；1表示光纤ATR传感臂直线段的长度；表示光纤ATR传感臂的弯曲半径；表示腐蚀后纤芯的半径；表示纤芯的折射率；表示温度为20℃时正极板表面电解液的折射率；表示电解液特征参数；表示电解液的温度；1表示 , 其中 ，， 其中，；表示光束由U形结构的光纤ATR传感臂的直线段纤芯进入弯曲段纤芯时，光束与分界面的垂距；表示光纤包层的折射率； 通过下式计算光纤温度补偿臂输出光强 ；，； 式中表示输入光强；表示砷化镓对光束的反射系数；表示与砷化镓材料有关的常数，；，1表示光纤温度补偿臂直线段的长度；表示光纤温度补偿臂的弯曲半径；表示温度0K的禁带宽度能量，；表示光子频率；表示与砷化镓材料有关的常量，；表示电解液的温度；5)用表示光纤ATR传感臂输出光强经过光电探测器后的输出电压；表示光纤温度补偿臂输出光强经过光电探测器后的输出电压；表示光束通过入射光纤直接经过光电探测器后的输出电压； 式中表示光电探测器系数；6)将、、经过运算、变形后可得铅酸蓄电池剩余容量电压 ， 式中，。2010102851626100001dest_path_image002.jpg,dest_path_image004.jpg,dest_path_image006.jpg,dest_path_image008.jpg,dest_path_image010.jpg,dest_path_image012.jpg,dest_path_image014.jpg,dest_path_image016.jpg,dest_path_image018.jpg,dest_path_image020.jpg,dest_path_image022.jpg,dest_path_image024.jpg,dest_path_image026.jpg,dest_path_image028.jpg,dest_path_image030.jpg,dest_path_image032.jpg,dest_path_image034.jpg,dest_path_image036.jpg,dest_path_image038.jpg,dest_path_image040.jpg,dest_path_image042.jpg,dest_path_image044.jpg,dest_path_image046.jpg,dest_path_image048.jpg,dest_path_image050.jpg,dest_path_image052.jpg,dest_path_image054.jpg,dest_path_image056.jpg,dest_path_image058.jpg,698788dest_path_image014.jpg,147087dest_path_image016.jpg,dest_path_image060.jpg,dest_path_image062.jpg,dest_path_image064.jpg,dest_path_image066.jpg,dest_path_image068.jpg,51458dest_path_image026.jpg,dest_path_image070.jpg,dest_path_image072.jpg,dest_path_image074.jpg,dest_path_image076.jpg,dest_path_image078.jpg,dest_path_image080.jpg,dest_path_image082.jpg,769970dest_path_image070.jpg,990867dest_path_image072.jpg,813330dest_path_image074.jpg,dest_path_image084.jpg,dest_path_image086.jpg,dest_path_image088.jpg
2.根据权利要求1所述的光纤ATR传感器检测铅酸蓄电池剩余容量的方法及装置， 其特征在于在步骤3)中，正极板上设有用于安装光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂的凹 槽，在凹槽内涂上一层环氧树脂胶，将光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂平放在凹槽内，再 涂上一层环氧树脂胶将光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂固定在正极板的板栅筋条上。
3.—种检测铅酸蓄电池剩余容量的装置，其特征在于包括光源(2)、光源-光纤耦合 器(3)、光纤适配器(8)、光纤ATR传感臂(9)、光纤温度补偿臂(10)、光电探测器(15)、信号 调理电路(16)、模数转换器(17)和单片机(18)；所述光纤ATR传感臂(9)由腐蚀纤芯(21)组成，且呈U形结构；光纤温度补偿臂(10) 由腐蚀纤芯(21)、沉积在腐蚀纤芯(21)表面上的砷化镓薄膜(24)和砷化镓薄膜(24)表面 上的镀金膜(25)组成，且呈U形结构；所述光纤ATR传感臂(9)和光纤温度补偿臂(10)设置在铅酸蓄电池(11)的正极板(12 )上，且开口朝上；所述光源(2 )发出的光束射入光源_光纤耦合器(3 )内；光源-光纤耦合器(3 )分别通 过入射光纤与光纤适配器(8)和光电探测器(15)连接；所述光纤ATR传感臂(9)的两端和 光纤温度补偿臂(10)的两端连接光纤适配器(8)，光纤适配器(8)的输出端通过出射光纤 与光电探测器(15)连接；所述光电探测器(15)的输出端与信号调理电路(16)连接；所述 信号调理电路(16)的输出端与模数转换器(17)连接；所述模数转换器(17)的信号输出端 与单片机(18)连接。
4.根据权利要求3所述的检测铅酸蓄电池剩余容量的装置，其特征在于还包括光分 路器(4)，所述光源-光纤耦合器(3)的出射光经光分路器(4)分为三路光束，其中两路光束 通过入射光纤进入铅酸蓄电池(11)，另一路光束直接通过入射光纤进入光电探测器(15)。
5.根据权利要求3所述的检测铅酸蓄电池剩余容量的装置，其特征在于所述正极板 (12)上设有U形结构的凹槽(26)，所述光纤ATR传感臂(9)和光纤温度补偿臂(10)设置在 凹槽(26)内，并通过环氧树脂胶(27)固定。
全文摘要
本发明公开了一种光纤ATR传感器检测铅酸蓄电池剩余容量的方法，首先用腐蚀纤芯制作光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂，并安装在正极板上，光束通过光纤ATR传感臂和光纤温度补偿臂后进入光电探测器，利用来计算得出铅酸蓄电池剩余容量。同时还公开了一种检测铅酸蓄电池剩余容量的装置。本发明利用光纤ATR传感臂对蓄电池正极板表面折射率进行在线测量；同时利用半导体砷化镓膜对近红外光的吸收特性，以及金膜对红外光的全反射和耐氧化性酸的特点，采用双层镀膜方法设计了光纤ATR温度补偿臂，实现了电解液温度的同步测量，消除温度对待测信号的影响，提高了传感器的测量准确度和精度。
文档编号G01R31/36GK101963653SQ20101028516
公开日2011年2月2日 申请日期2010年9月17日 优先权日2010年9月17日
发明者丁玉栋, 叶丁丁, 廖强, 朱恂, 李俊, 王宏, 王永忠, 钟年丙 申请人:重庆大学