F-P/FBG复用技术检测储能电池热致微应变的装置及方法与流程

f-p/fbg复用技术检测储能电池热致微应变的装置及方法
技术领域
1.本发明术语电池储能技术领域，具体涉及f-p/fbg复用技术检测储能电池热致微应变的方法及装置。


背景技术：

2.随着经济不断发展,人类面临不可再生资源枯竭、环境污染严重、气候变暖等问题,储能技术的研究与发展越来越受到各国能源、交通、电力等部门的重视。对比各种储能技术,电池储能系统安装灵活、建设周期短,是现阶段较适合于工程应用的技术。而电池集装箱储能系统具有便于安装、占地少、移动灵活等特点,作为一种新的储能设备, 越来越多的受到人们广泛重视。
3.目前,制约储能系统发展的关键技术在动力电池,而电池热应变是评价电池性能、安全性、寿命的关键因素。大多数电池在使用过程中会产生发热现象，电池长时间过热会导致电池膨胀，当膨胀到一定程度就需要对电池进行散热处理。因此，需要准确的测量电池发热产生的微形变。现有测量微小应变的技术大多是使用光纤光栅进行测量，但其测量精度易受温度影响，在电池发热时无法较准确的测量。本征型光纤法布里-珀罗结构具有测量精度高、结构简单、抗干扰能力强、响应速度快、体积小的优点而受到人们的关注。


技术实现要素：

4.为克服上述现有技术的不足，本发明的发明目的在于提供f-p/fbg复用技术检测储能电池热致微应变的装置及方法，可准确有效的测量储能电池的温度和应变；具有测量精度高、结构简单、抗干扰能力强、响应速度快、体积小的优点。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.f-p/fbg复用技术检测储能电池热致微应变的装置，包括光纤微应变传感器、光纤传感器解调仪、计算机，光纤微应变传感器的光纤接头与光纤传感器解调仪上的光学通道相连；光纤传感器解调仪的通信接口端与计算机相连。
7.所述光纤微应变传感器的光纤尾端处刻有光纤光栅(fbg)。
8.所述的光纤微应变传感器包括金属圆筒，金属圆筒内腔一端设有固定片；固定片上插接陶瓷插针，陶瓷插针内插接光纤；圆形套筒内腔的另一端设有硬性压电陶瓷，硬性压电陶瓷引线外接柔性压电材料。
9.所述的硬性压电陶瓷直径是16cm。
10.所述圆形套筒的内径是18mm，外径是20mm，长度为25mm。
11.所述圆形套筒内陶瓷插针端面和硬性压电陶瓷端面构成以空气为介质的法珀腔。
12.所述的法珀腔的初始腔长为0.5mm～0.6mm。
13.所述的硬性压电陶瓷对一端进行光学处理，形成一个高反射面。
14.所述的柔性压电材料是边长为50mm的正方形。
15.所述的光纤传感器解调仪采用适用于f-p和fbg的光纤传感器解调仪。
16.一种光纤微应变传感器的制作方法，包括有以下步骤：
17.步骤1，将光纤尾端刻上光纤光栅(fbg)并将其插入陶瓷插针中，然后用胶将两者进行固定粘接；
18.步骤2，把固定片裁剪成和金属圆筒内径相同的圆，用电钻在剪裁好的圆形固定片中心钻孔(孔径和陶瓷插针规格相同)，将陶瓷插针插入钻好孔的固定片上并将两者固定粘接；
19.步骤3，把硬性压电陶瓷和带有陶瓷插针的固定片固定在金属圆筒内，调整陶瓷插针和硬性压电陶瓷端面构成的腔长，在腔长为 0.5mm～0.6mm之间取干涉信号最佳的腔长，最后用胶进行固定粘接。
20.步骤4，在硬性压电陶瓷焊接引线连线柔性压电材料即完成光纤微应变传感器制作。
21.本发明的有益效果是：
22.本发明使用了f-p、fbg传感器复用技术，实现了在同一根光纤同时传输超声波信号、温度两个参量的不同光谱模式的光信号。光纤复用技术解决了传感器实时检测应变信号的同时同步检测当前的环境温度，综合多参量考虑电池的性能，简化了传感器的结构，扩大了传感器使用环境温度的范围，提高了传感器的稳定性。
23.本发明使用柔性和硬性两种压电材料进行传感，分别利用了压电材料的正压电效应和逆压电效应，通过柔性压电材料能更准确的测量并将信号反馈给硬性压电材料进行传感。
24.本发明装置具有体积小、制作简单、精度高、稳定性好、抗干扰能力强等优点，可广泛应用于工程测量和科研领域，为各领域的研究提供良好的实验基础
附图说明
25.图1是光纤微应变传感器
26.图2是刻有光纤光栅的单模光纤剖视放大图
27.图3是本发明的系统结构示意图
28.图中：1-光纤、2-陶瓷插针、3-硬性压电陶瓷、4-金属圆筒、5
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固定片、6-光纤光栅、7-柔性压电材料、8-光纤微应变传感器、9
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光纤传感器解调仪、10-计算机。
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
30.参见图1-3，f-p/fbg复用技术检测储能电池热致微应变的装置，其特征在于，包括光纤微应变传感器8、光纤传感器解调仪9、计算机10，光纤微应变传感器8的光纤接头与光纤传感器解调仪9上的光学通道相连；光纤传感器解调仪9的通信接口端与计算机10相连。
31.所述光纤微应变传感器的光纤尾端处刻有光纤光栅6。
32.所述的光纤微应变传感器包括金属圆筒4，金属圆筒4内腔一端设有固定5；固定片5上插接陶瓷插针2，陶瓷插针内插接光纤1；金属圆筒4内腔的另一端设有硬性压电陶瓷3，硬性压电陶瓷3引线外接柔性压电材料7。
33.所述的硬性压电陶瓷直径是16cm。
34.所述金属圆筒4的内径是18mm，外径是20mm，长度为25mm，金属圆筒4为圆形套筒。
35.所述金属圆筒4内陶瓷插针端面和硬性压电陶瓷端面构成以空气为介质的法珀腔；所述的法珀腔的初始腔长为0.5mm～0.6mm。
36.所述的硬性压电陶瓷对一端进行光学处理，形成一个高反射面。
37.所述的柔性压电材料是边长为50mm的正方形。
38.所述的光纤传感器解调仪采用适用于f-p和fbg的光纤传感器解调仪。
39.本发明的工作原理是：
40.当电池发热时，光纤微应变传感器上的光纤光栅会因温度的变化产生相应的形变，该信号经光纤传感器解调仪将光纤光栅传感器返回的光信号给予解调，通过标定，即可实现温度的测量；当电池产生微应变时,固定在电池表面的柔性压电陶瓷通过正压电效应会产生电信号然后传输给硬性压电陶瓷，硬性压电陶瓷通过逆压电效应会产生形变，光学探头端面和硬性压电陶瓷上表面两个反射面间距发生变化，导致光的强度和干涉相位发生变化，产生变化的光信号，经光纤进行传输通过光纤传感器解调仪进行光电信号的转换，利用计算机进行数据的处理实现了传感器对电池微应变的测量。
41.参见图1，所述的光纤微应变传感器8包括圆形套筒4，金属圆筒4内腔设有固定片5；固定片5上插接陶瓷插针2，陶瓷插针2的左端插接光纤1；光纤1上刻有光纤光栅(fbg)6；金属圆筒4的一端设有硬性压电陶瓷3，硬性压电陶瓷3上引线连接柔性压电材料7。
42.光纤微应变传感器的制作方法，包括以下步骤：
43.步骤1，选择8/125单模光纤其接口类型为fc/apc，将光纤尾端部分剥掉涂覆层露出光纤的纤芯部分，然后把光纤端面切平或抛光；
44.步骤2，将处理好的光纤插入陶瓷插针里并用胶将两者进行固定粘接，把固定片裁剪成和硬性压电陶瓷直径相同的圆；
45.步骤3，用电钻在剪裁好的圆形固定片中心钻孔(孔径和陶瓷插针规格相同)，将陶瓷插针插入钻好孔的固定片上并将两者固定粘接；
46.步骤4，在保证硬性压电陶瓷和光纤端面的平行的前提下，用解调系统可获取由光纤端面反射光和硬性压电陶瓷反射光产生的干涉的信号，微调光纤端面和硬性压电陶瓷的距离，取合适的腔长范围，使得干涉信号质量最佳，用胶进行粘接固定，最后在硬性压电陶瓷引线连接柔性压电材料，即完成传感器的制作。
47.所述单模光纤的尾端刻有光纤光栅(fbg)且光纤光栅(fbg)部分封装在包层里。
48.参见图2，是本发明刻有光纤光栅的单模光纤剖视放大图。所述的光纤采用了9/125单模光纤，其接口类型为fc/apc，所述的单模光纤在末端的纤芯上刻有光纤光栅(fbg)。
49.温度的变化会也会影响电池的性能，在光纤微应变传感器上增加光纤光栅模块，可以检测当前的环境温度，对储能电池发热和发生的微应变进行检测，反映电池的性能。
50.当环境温度发生变化时，光纤光栅的波长位移量δθb会随环境温度的变化而变化，故由温度引起光纤光栅波长的偏移可以表示为δλb＝λb(a
th
ξ)
·
δt＝k'
t
·
δt；式中δλb为光纤光栅的波长位移量，λb为光纤光栅的中心波长，a
th
＝0.55
×
10-6
/℃是热膨胀系数，ξ＝8.0
×
10-6
/℃是热光系数，δt是温度的变化，k'
t
是fbg传感器的总温度灵敏度。
51.参见图3，一种f-p/fbg复用技术检测储能电池热致微应变的装置，包括有光纤微应变传感器8、光纤传感器解调仪9、计算机10。所述的光纤微应变传感器，将柔性压电材料7
固定在储能电池表面，当电池产生微应变时,固定在电池表面的柔性压电陶瓷通过正压电效应会产生电信号然后传输给硬性压电陶瓷3，硬性压电陶瓷3通过逆压电效应会产生形变，光学探头端面和硬性压电陶瓷上表面两个反射面间距发生变化，导致光的强度和干涉相位发生变化，其关系式如下：
[0052][0053]
式中：为任意两束光的相位差，r为两端面反射率，且 n为f-p腔内介质的折射率，l为腔长，λ为入射光的波长，θ为反射光与反射平面法线夹角，i0为入射光光强；
[0054]
产生变化的光信号，经光纤进行传输通过光纤传感器解调仪进行光电信号的转换，利用计算机进行数据的处理实现了传感器对硬性压电陶瓷应变的测量，通过硬性压电陶瓷的应变可得出柔性压电材料产生的电势，再通过柔性压电材料的电势反推出电池的应变，其关系式如下：
[0055][0056]
式中：s为应变张量，d
33
为压电系数，u为电压，d为材料厚度。