基于多源互补参量的电解液折射率在线感知技术研究

作     者：李文敬 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：贾中青;倪家升

授予年度：2024年

学科分类：0808[工学-电气工程] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：电解液折射率 光纤传感器 法布里珀罗干涉仪 游标效应 在线感知技术 

摘      要：铅酸蓄电池作为一种历史悠久、技术相对成熟的电池类型,具备稳定的生产工艺,而在实际应用过程中,过度充放电可能引发爆炸或火灾等安全隐患,其安全性问题不容忽视。目前的电池监测技术主要依赖于外部测量,响应速度较慢且难以实现实时监测。因此,探索可植入电池内部的监测技术,以实现对电池状态的实时、精准监测已成为当前研究的热点问题。电池电解液折射率作为铅酸蓄电池的关键参数,对其进行实时监测可以有效掌握电池的使用情况,避免人员伤亡和财产损失的发生。 本文针对铅酸蓄电池电解液监测提出了一种基于级联光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)和光纤法布里珀罗干涉仪(Fabry-Perot Interferometer,FPI)的光纤传感技术。通过理论分析和实验证明了此技术可实现铅酸蓄电池电解液折射率和温度的双参数测量。具体而言,传感器由FBG与FPI级联熔接形成,其中光纤端面与镀金反射面构成开放式FPI,易于电解液直接进入FPI腔内。然而FPI传感器受折射率和温度的交叉敏感的影响,导致了测量误差产生。但FBG不直接接触电解液,其峰值波长漂移只受电解液温度的影响,可以对FPI测量折射率的结果进行温度修正。FPI传感器通过温度修正后得到折射率测量灵敏度为0.99711RIU/RIU。同时FBG可以对电解液温度实现监测,灵敏度为0.01086 nm/℃。 针对FPI测量折射率灵敏度较低的问题,研制了基于游标效应的高灵敏度折射率传感器,其由腔长较为接近的两个传感器并联构成。两个传感器反射光的叠加产生游标效应。通过模拟测量灵敏度与两个传感器腔长差之间的关系,得出腔长差越小其灵敏度越高的结论。为了解决不同波长范围内自由光谱范围(Free Spectral Range,FSR)不一致的问题,提出了一种归一化FSR方法,归一化的FSR对于每种反射光谱都是唯一的。然后对游标效应FPI系统进行了模拟和实验,模拟和实验数据都高度一致的证明了该传感器可实现高灵敏度测量。实验获得FPI传感系统的测量灵敏度为-283.26 nm/RIU,是单个FPI的154倍。 为了解决游标效应中两个传感器腔长不易匹配的问题,提出了一种基于谐波效应大腔长比例的并联FPI折射率传感器。通过理论对谐波效应FPI系统的三个阶层进行了模拟和实验,实验得到归一化FSR与折射率的关系,其测量灵敏度分别为为-395.46 nm/RIU,-872.86 nm/RIU和-657.29 nm/RIU,测量结果有较好的重复性。