基于熱光效應的反射式光纖傳感器的研究

基于熱光效應的反射式光纖傳感器的研究

隨著鉛酸蓄能池的廣泛應用，如何延長使用壽命以及保容量狀態(tài)對用戶尤為重要。然而如何準確檢測蓄電池的容量,特別是容量的在線檢測,成為該檢測領域中的關鍵和難題。因此,研究設計實用的鉛酸蓄電池容量在線檢測傳感器,具有極其重要的意義。目前,蓄電池容量的主要檢測方法有檢測電解液密度法、高電率放電法、濕度法及利用蓄電池阻抗法等,這些方法均具有無法解決由于蓄電池在充放電過程中溫度變化對容量測試帶來的影響的缺點。因此,本文通過對Lambert-beer定律和熱光效應的分析,設計了一種基于相對溫度測量原理和光吸收原理的反射式光纖傳感器。并通過對傳感器的設計原理和方法及光路的理論分析,得出了光電反射的光能量與濃度的函數(shù)關系。在此基礎上,通過實驗深入研究了鉛酸蓄電池容量與電解液濃度的相互關系,實驗結果及理論分析表明,此方法可用于測量鉛酸蓄電池的容量,具有容量測量準確,反應靈敏,使用壽命長等優(yōu)點,該鉛酸蓄電池容量傳感器的設計原理和方法具有一定的普遍意義,是一種實用價值大的新型的蓄電池容量傳感器,具有良好的應用前景。1傳感器的原理是測量電池容量1.1電解密度和電解濃度的關系從檢測電解液密度確定蓄電池容量的方法可知,蓄電池容量與電解液密度有一一對應關系,而電解液密度又和電解液濃度有特定對應關系,所以提出通過檢測電解液濃度來達到檢測蓄電池容量的目的。同時用反射式光纖傳感法測量電解液濃度,這樣就能實現(xiàn)實時在線測量。1.2聯(lián)合式多功能鉛酸蓄能池容量傳感器的原理1.2.1傳感器的光學原理(1)熱光效應的定義根據(jù)文獻可知,光在不同介質中的傳播速度是不同的。因此,當光線由一種介質進入另一種介質時,其傳播方向要發(fā)生改變。其主要原因是不同介質的折射率不同。在物質的原子組成一定時,折射率隨物質密度而變化。研究表明,大氣壓的變化對物質的密度影響很小,而溫度的變化對物質的密度,特別是對氣體、液體的密度變化影響較明顯,其原因是溫度改變引起氣體、液體分子間勢能和分子距離發(fā)生改變,因而密度和液體的折射率均會發(fā)生相應的變化。我們把折射率隨溫度改變而改變的現(xiàn)象稱為熱致光學效應,簡稱熱光效應。根據(jù)熱光效應,當溫度改變時,折射率為n的液體的熱光系數(shù)ξ為ξ=1n?dndΤ(1)ξ=1n?dndT(1)式中T為被測液體溫度。由于在一定的溫度范圍內,ξ為常數(shù),因此,溫度變化與n的變化存在一定的函數(shù)關系。已有研究表明,氣體的折射率n與其濃度呈線性關系,許多溶液也具有同樣特性,但有部分液體溶液會出現(xiàn)部分區(qū)域n與被測溶液的濃度C呈線性關系,而部分區(qū)域的n與C呈非線性關系。設計中我們可選擇其呈線性區(qū)域作為測量區(qū)域,則有n=a+bC(2)式中a、b為被測的液體的待定的常數(shù)。定義液體濃度C與密度ρ關系為C=ρ/M,其中M為被測溶液的相對分子量,代入式(2)則有n=a+b(ρ/M)(3)由式(3)可看出,被測溶液的n與ρ呈線性關系。由文獻可知,當壓力恒定時,不同溫度下有ρ=ρ20[1-ζ(T-20)](4)式中ρ20為溫度20℃時液體的密度;ζ為液體的熱膨脹系數(shù)(單位:1/℃),由此可見,ρ與ζ有關,將式(3)、(4)兩邊分別對ρ、T求偏導得{?n?ρ=bΜ?ρ?Τ=-ρ20?ζ(5)????n?ρ=bM?ρ?T=?ρ20?ζ(5)在考慮蓄電池在充放電過程中,由于電解液自身的化學變化和溫度變化都會對n產生影響,設20℃時電解液的折射率為n20,溶液密度為ρ20,則由式(1)、(5)可得n20=-1ξbΜζρ20(6)n20=?1ξbMζρ20(6)(2)吸收介質的強度定律圖1為光束經弱吸收介質時輸入光強(Iin)及輸出光強(Iout)的關系。由光束在弱吸收介質中傳播時的強度定律可得,光在弱吸收介質P1和P2兩點間強度關系為Iout=Iine-αl(7)式中l(wèi)為P1和P2兩點間的距離;α為與n有關的函數(shù),即α=nK0K,K0、K為特定常數(shù)。若吸收光強隨位置改變而變化,則式(7)推廣為式中積分沿著所選光線從起點P1積分到終點P2進行。通常將式(8)稱為比爾定律。(3)溫度t同時變化情況下輸出的光強+nop0圖2為光纖反射式鉛酸蓄電池容量傳感器結構設計。設光在電解液中有效傳播的距離為d,則d=2d1+d2(9)由式(6)、(8)、(9)可得,被測電解液在濃度C和溫度T同時變化情況下,輸出的光強Iout為Ιout=Ιin?exp(2bdξΜ?ρ20ζΚΚ0)(10)Iout=Iin?exp(2bdξM?ρ20ζKK0)(10)(4)參比液蒸餾特定常數(shù)的確定設溫度為20℃時參比液(一般選擇蒸餾水作為參比液)的密度為ρ′20,參比液蒸餾水的熱膨脹系數(shù)為ζ′,ξ為參比液蒸餾水的熱光系數(shù)。同理,由式(6)可得參比液蒸餾水的在20℃時的折射率n′20和密度ρ′20的函數(shù)關系為n′20=-1ξb′Μ′ζ′ρ′20(11)式中b′為參比液蒸餾水的特定常數(shù)。由式(8)、(9)、(11)可得,用于溫度補償?shù)膮⒖脊饫w傳感器的接收光在經參比液蒸餾水后的光強為Ι′out=Ιinexp(2b′dξΜ′?ρ′20?ζ′?ΚΚ0)(12)(5)蓄電池容量測量用U1、U2表示光纖傳感器的入射光經過待測液體(電解液)和參比液(蒸餾水),且在光電轉換后的輸出電壓。K1為光探測器1的光電轉換系數(shù),K2為光探測器2的光電轉換系數(shù)。如圖3所示,將式(10)、(12)改寫為輸出電壓形式,則經光電轉換后的輸出電壓分別為U1=U01+Κ1Ιin?exp(2bdξΜ?ρ20?ζ?ΚΚ0)(13)U2=U02+Κ2Ιin?exp(2b′dξΜ′?ρ′20?ζ′?ΚΚ0)(14)式中U01、U02分別表示被測電解液和參比液2路測量信號光電轉換后的輸出電壓的初始值,一般為常數(shù),可通過調節(jié)信號調理電路的放大倍數(shù)來改變初始值,也可通過調零電路,將U01、U02調為0;K1表示光探測器1的光電轉換系數(shù),K2表示光探測器2的光電轉換系數(shù);b、b′為待定的常數(shù);d為光在被測電解液(或參比液)中相同的有效傳播距離。將式(13)、(14)的兩邊同時取對數(shù)后,經相比運算處理后可得到傳感器單一的輸出信號U為U=ln(U1-U01)-ln(Κ1Ιin)ln(U2-U02)-ln(Κ2Ιin)=bΜ′ρ20ζb′Μρ′20ζ′(15)式中M′為蒸餾水的相對分子量,為常數(shù);M為電解液的平均相對分子量,由文獻可得M=yAMA+yBMB(16)電解液主要由H2SO4和PbSO4組成。式中yA為H2SO4的摩爾分數(shù),MA為H2SO4的相對分子量;yB為PbSO4的摩爾分數(shù);MB為PbSO4的相對分子量。由文獻知,定義液體的膨脹系數(shù)ζ′為當壓力不變時,溫度每升高1℃,液體體積(V)的相對增加量,其表達式為ζ=(1/V)·(ΔV/ΔT)(17)將式(16)和(17)代入式(15)可得U=ln(U1-U01)-ln(Κ1Ιin)ln(U2-U02)-ln(Κ2Ιin)=bρ20b′ρ′20ΔV?V′ΔV′?V?Μ′yAΜA+yBΜB(18)式中bb′ρ′20、M′和ΔV?V′ΔV′?V都為常數(shù),將bΜ′b′ρ′20?ΔV?V′ΔV′?V令為τ(τ為常數(shù)),即τ=bΜ′b′ρ′20?ΔV?V′ΔV′?V(19)則信號電壓的最終輸出信號U為U=ρ20yAΜA+yBΜB?τ(20)將C=ρ/M代入式(20)可得U=C20·τ(21)式中C20為在等效溫度為20℃時電解液的濃度。由式(21)可知,U只與C20有關,而與溫度T無關。又因為蓄電池的電解液濃度與蓄電池容量有一一對應關系,所以只要知道U的變化,經標定后就可知蓄電池容量的變化。從而從理論上說明此傳感器用來對蓄電池容量測試是合理的,U能真實地反映蓄電池的容量變化情況。1.2.2光在參比液中的傳播光纖反射式鉛酸蓄電池剩余容量傳感器其組成如圖3所示。在參比液中,光首先經入射光纖到達準直鏡,進入充滿參比液的波紋管中,到達入射光反射面,經反射面全反射;再次經參比液到達出射光反射面,經反射面全反射;最后經過參比液,到達聚焦鏡,進入到接受光纖,完成光在參比液中的傳播過程,其中光在待測液中的傳播和光在參比液中的傳播相同。實驗中,我們選用了近紅外波長為760nm光源,當接收光纖接收到的光強信號經光電轉換后,由信號調理放大處理后,再傳輸?shù)紸/D數(shù)據(jù)采集和計算機處理。2實驗與測量結果2.1放電放電情況下傳感器輸出電壓與放電量關系測量將充滿電的啟動鉛酸蓄電池放置一段時間,讓其電解液冷卻到溫度為20℃時,開始放電(2A恒流放電),并測得放電電壓與時間數(shù)據(jù)關系。在測試過程中每隔0.5h記一次數(shù),得到曲線如圖4所示。同理將放電結束的鉛酸蓄電池放置一段時間,讓其電解液溫度恢復到20℃時,開始3.6A、14V恒流恒壓充電,測得充電電壓與時間數(shù)據(jù)關系如圖5所示。測試過程中每隔0.5h記一次數(shù)。由圖4、5可知,在蓄電池放電時,電解液相對濃度下降,傳感器輸出信號電壓值逐漸減小;在蓄電池充電時,電解液相對濃度增大,傳感器輸出電壓值逐漸增大。也就是傳感器輸出的電壓隨電解液濃度的減小而減小,傳感器輸出的信號電壓隨電解液濃度的增大而增大,基本上傳感器輸出電壓與時間呈非線性關系。2.2恒流恒壓充電將剛滲入原電解液的啟動類鉛酸蓄電池,以2A恒流放電,在測試過程中每隔0.5h記一次數(shù)。當放電結束時,接著以3.6A、14V恒流恒壓充電,同樣每隔0.5h記一次數(shù)。得到曲線如圖6所示。由圖6可知,蓄電池在動態(tài)充放電情況與靜態(tài)充放電時情況基本一致。且從曲線可看出,傳感器輸出信號電壓情況基本上可逆,即在蓄電池開始放電時傳感器輸出信號電壓與充電結束時傳感器輸出信號電壓基本上相同。3傳感器輸出電壓(1)由實驗結果可知,在蓄電池放電過程中由于電解液濃度下降,光衰減系數(shù)α變小,從而光的損耗變化相對較小,因而傳感器輸出電壓減小。在蓄電池充電過程中由于電解液濃度增大,α變大,從而光的損耗變化相對增大,因而傳感器輸出電壓增大。但傳感器輸出電壓與時間基本上呈非線性關系。(2)由蓄電池工作原理知,蓄電池的充放電過程是一個互為逆向的過程,即充電時電解液密度增大,放電時電解液密度減小。由圖(6)可看出,傳感器輸出電壓隨著電解液濃度的增大而增大;隨著電解液濃度的減小而減小,即傳感器輸出電壓的變化趨勢在蓄電池充放電過程中也互為逆向,基本上反映出蓄電池的充放電過程的可逆過程。(3)傳統(tǒng)檢測法的檢測結果都要受到電解液溫度變化的影響,而本文所介紹的方法是通過引入參考單元(參比液的測試),經過信號處理