[发明专利]光纤ATR传感器检测铅酸蓄电池剩余容量的方法及装置

说明书

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：                                                

正极：

负极：

② 放电过程电化学总反应方程： 

正极：

负极：

从充放电过程正极板表面反应方程式可以看出：在充电过程中，正极板表面减少，和离子增多，电解液折射率发生正向变化；在放电过程中，正极板表面和离子减少，并有生成，电解液折射率发生负向变化。如果在正极板表面通入一束光，通过测量输入光强的衰减情况，可实现电解液折射率的测量。因为电解液折射率与电池剩余容量有一一对应关系，知道折射率的大小，即知道铅酸蓄电池的剩余容量。

光学法是通过测量电解液折射率的变化量来测量电池的容量，光纤法为最有前途的方法，因为光学法能实现电池容量的在线原位测量。但也有文献中介绍的光学法，在测量过程中并未考虑电解液温度变化对测量过程的影响。中国发明专利ZL 200610095382公布的“在线测量铅酸电池容量的光纤传感器”，该发明虽然考虑到了温度对待测信号的影响，并采用蒸馏水作为温度补偿臂的参考液。但是蒸馏水导热系数较小，不能实现蒸馏水与待测电解液温度变化的同步性。同时，感器探头尺寸较大，只能通过测量电池表面电解液浓度的变化来估计蓄电池的剩余容量，因此传感器测量精度较低。有关温度测量方法，目前能用于腐蚀环境温度测量的方法主要有光纤Bragg光栅方法、长周期光纤光栅方法、半导体光吸收法方法等。光纤Bragg光栅方法和长周期光纤光栅方法测温精度较高，但是光纤光栅传感器解调设备比较昂贵。半导体（GaAs）光吸收法，测量系统成本较低，当温度从-10℃变化到300℃时，传感器响应时间仅为2s，但是半导体GaAs不能用于含氧化性酸（如H₂SO₄）的环境。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明提供了一种光纤传感器体积小，安装在电极板上可实现平均测量；同时实现了电解液温度的同步测量，消除了温度对待测信号的影响，提高了光纤传感器的测量准确度和精度的光纤ATR传感器检测铅酸蓄电池剩余容量的方法及装置。

    本发明提供的光纤ATR传感器检测铅酸蓄电池剩余容量的方法，该方法包括下列步骤：

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：