一种光纤气体压强传感器及其废旧动力电池拆解废气的检测方法

1.本发明属于电子废弃物检测领域，具体涉及一种光纤气体压强传感器及其废旧动力电池拆解废气的检测方法。


背景技术：

2.由于废旧动力电池还具有一定的利用价值，为了提高资源的利用率，会对废旧动力电池进行回收处理。在对废旧动力电池进行回收处理时，会产生大量的粉尘和有毒气体，现有的回收设备一般仅仅是通过滤网或喷液的方式对废气进行简单过滤，这种过滤方式不能将粉尘和有毒气体完全去除，还是容易造成粉尘和有毒气体的外溢，进而容易造成空气污染，危害人类的身体健康。
3.废旧动力电池若不处理或处理不当，会严重污染环境，危害人体健康，也有可能产生安全隐患。动力电池正极材料中三元材料和磷酸铁锂会对水体和土壤造成污染；负极材料中的石墨粉，因其颗粒很小，易产生粉尘污染；电解液中的有机溶剂大多为醇类，易被人体皮肤吸收以及挥发性吸入，对人体造成危害；电解液中的溶质如六氟磷酸锂具有强腐蚀性，遇水或高温能够产生有毒气体氟化氢(hf)等，经由皮肤、呼吸接触对人体组织，粘膜和上呼吸道造成刺激，对动植物也有严重的腐蚀作用。因此，如何对对废旧动力电池妥善回收处理成为伴随着新能源产业发展的一个不容忽视的现实课题。
4.气体压强传感器是用于测量气体压强的仪器，气体压强的本质是气体原子或气体分子对容器壁的碰撞，反映气体的稀薄程度，对人们的生活、生产活动有非常重要的现实意义。目前应用比较广泛的一种气体压强传感器是水银气体压强计，利用水银重力与气体压力的平衡来测量，但人眼读数的精度是非常有限的，而且容易受到环境中其他因素的影响，另一种应用比较广泛的气体压强传感器是电子气体压强计，相较于水银气体压强计，其灵敏度更高、稳定性更好，但缺点也十分明显，例如容易受电磁干扰、制备工艺复杂、成本高等，同时其抗腐蚀性能差，在生物和化学领域，只能用于测量干燥、无腐蚀性环境中的气体压强。
5.相比之下，光纤传感器具有非常明显的优势，例如结构简单、体积小、重量轻、成本低、损耗小、光谱特性好、可靠性高、灵敏度高、智能化与集成化程度高等优点，特别是光纤传感器抗电磁干扰、对被测环境影响小，且适合在恶劣环境中工作，在物理、生物、化学领域，可用于测量强电磁辐射、强核辐射、强腐蚀性的环境。


技术实现要素：

6.本发明提供一种光纤气体压强传感器及其废旧动力电池拆解废气的检测方法，用于废旧动力电池拆解时废气的监测。
7.本发明通过以下技术方案实现：
8.一种化光纤气体压强传感器，所述传感器包括光源1、光纤隔离器2、光纤耦合器3、
液体6、法布里-珀罗谐振腔、外套8、薄膜囊9、光谱仪10和处理系统11；
9.所述光源1的光输出端与光纤隔离器2的光输入端相连接，所述光纤隔离器2的光输出端与光纤耦合器3的光输入端相连接，所述光纤耦合器3的第一光输出端与法布里-珀罗谐振腔相连接；所述光纤耦合器3的第二光输出端与光谱仪10的光输入端相连接，所述光谱仪10的电输出端与处理系统11的电输入端相连接，所述处理系统11的电输出端输出传感器输出信号；
10.所述法布里-珀罗谐振腔包括第一光纤4、空气腔5、第二光纤7和液体腔12；
11.所述第一光纤4的光输入端与光纤耦合器3的第一光输出端相连接，所述第一光纤4的光输出端与空气腔5的光输入端相连接，所述空气腔5与第二光纤7之间为液体腔12，所述液体腔12与薄膜囊9联通，所述空气腔5的光输出端与液体腔12的光输入端相连接，所述液体腔12的光输出端与第二光纤7的光输入端的相连接。
12.一种化光纤气体压强传感器，所述外套8依次包裹在第一光纤4、空气腔5、薄膜囊9、液体腔12和第二光纤7的外部，所述液体腔12与外套8相连通；
13.所述薄膜囊9的底部装有液体6，所述薄膜囊9内除液体6的其余部分装有空气；
14.所述薄膜囊9通过底部的小孔与外套8相连通，液体6通过薄膜囊9底部的小孔能在薄膜囊9内部与外套8内部间自由流动。
15.一种化光纤气体压强传感器，所述薄膜囊9对光源1的输出光的透射率大于99％、反射率小于1％。
16.一种化光纤气体压强传感器，所述外套8的曲率为零，外套8的中轴线为一条直线；
17.所述外套8完全包裹住第一光纤4、并将第一光纤4固定在其内部；
18.所述外套8完全包裹住第二光纤7、并将第二光纤7固定在其内部。
19.一种化光纤气体压强传感器，所述第一光纤4的光输出端的端面垂直于外套8的中轴线；
20.所述第二光纤7的光输入端的端面垂直于外套8的中轴线、且对光源1的输出光的反射率大于99％。
21.一种化光纤气体压强传感器，所述空气腔5中填充空气；
22.所述空气腔5的长度大于液体腔12的长度。
23.一种基于化光纤气体压强传感器的废旧动力电池拆解废气的检测方法，所述电子废弃物气体检测方法具体包括以下步骤：
24.步骤1：将薄膜囊9置于校准大气压下，记录法布里-珀罗谐振腔的反射谱，将此反射谱记为反射谱1，将反射谱1中任意一个反射谷的中心频率记为谐振频率1；
25.步骤2：将薄膜囊9置于废旧动力电池拆解的检测环境中，记录法布里-珀罗谐振腔的反射谱、并将此反射谱记为反射谱2，将反射谱2中与谐振频率1谐振级数相同的反射谷的中心频率记为谐振频率2；
26.步骤3：基于步骤1所测量的谐振频率1和步骤2所测量的谐振频率2，由谐振频率2与谐振频率1的频率差得出废旧动力电池拆解的检测环境中的气体压强；
27.步骤4：光谱仪10采集步骤1所测量的反射谱1和步骤2所测量的反射谱2，并将反射谱1和反射谱2转化为反射谱电压信号后将其送入处理系统11；
28.步骤5：处理系统11输出传感器输出信号，传感器输出信号包含气体压强大小。
29.一种基于化光纤气体压强传感器的废旧动力电池拆解废气的检测方法，所述步骤3具体包括以下步骤：
30.步骤3.1：判断谐振频率2与谐振频率1的大小关系，若谐振频率2小于谐振频率1，则进行步骤4；若谐振频率2等于谐振频率1，则进行步骤5；若谐振频率2大于谐振频率1，则进行步骤6；
31.步骤3.2：则判定废旧动力电池拆解的检测环境中的气体压强大于校准大气压；
32.步骤3.3：则判定废旧动力电池拆解的检测环境中的气体压强等于校准大气压；
33.步骤3.4：则判定废旧动力电池拆解的检测环境中的气体压强小于校准大气压。
34.一种基于化光纤气体压强传感器的废旧动力电池拆解废气的检测方法，所述空气腔5的长度大于液体腔12的长度，因此，谐振频率2的谐振级数等于谐振频率1的谐振级数。
35.一种基于化光纤气体压强传感器的废旧动力电池拆解废气的检测方法，所述步骤4的处理系统11包括采样分析电路11-1和输出电路11-2，所述采样分析电路11-1接收光谱仪10转化的反射谱电压信号，所述采样分析电路11-1采集薄膜囊9的反射谱电压信号；
36.所述采样分析电路11-1将废旧动力电池拆解的检测环境中的气体压强信息送入输出电路11-2，输出电路11-2输出传感器输出信号。
37.本发明的有益效果是：
38.本发明具有结构简单、精度高的优点。
39.本发明在废旧动力电池拆解的检测环境中能实现抗电磁干扰、对被测环境影响小及抗腐蚀性能好的优点。
附图说明
40.图1是本发明的结构示意图。
41.图2是本发明的处理系统的电路结构示意图。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.一种化光纤气体压强传感器，所述传感器包括光源1、光纤隔离器2、光纤耦合器3、液体6、法布里-珀罗谐振腔即为、外套8、薄膜囊9、光谱仪10和处理系统11；
44.所述光源1的光输出端与光纤隔离器2的光输入端相连接，所述光纤隔离器2的光输出端与光纤耦合器3的光输入端相连接，所述光纤耦合器3的第一光输出端与法布里-珀罗谐振腔相连接；所述光纤耦合器3的第二光输出端与光谱仪10的光输入端相连接，所述光谱仪10的电输出端与处理系统11的电输入端相连接，所述处理系统11的电输出端输出传感器输出信号；
45.所述法布里-珀罗谐振腔包括第一光纤4、空气腔5、第二光纤7和液体腔12；
46.所述第一光纤4的光输入端与光纤耦合器3的第一光输出端相连接，所述第一光纤4的光输出端与空气腔5的光输入端相连接，所述空气腔5与第二光纤7之间为液体腔12，所
述液体腔12与薄膜囊9联通，所述空气腔5的光输出端与液体腔12的光输入端相连接，所述液体腔12的光输出端与第二光纤7的光输入端的相连接。
47.一种化光纤气体压强传感器，所述外套8依次包裹在第一光纤4、空气腔5、薄膜囊9、液体腔12和第二光纤7的外部，所述液体腔12与外套8相连通；
48.所述薄膜囊9的底部装有液体6，所述薄膜囊9内除液体6的其余部分装有空气；
49.所述液体腔12与外套8相连通，液体6通过薄膜囊9底部的小孔能在薄膜囊9内部与外套8内部间自由流动。
50.一种化光纤气体压强传感器，所述薄膜囊9对光源1的输出光的透射率大于99％、反射率小于1％。
51.一种化光纤气体压强传感器，所述外套8的曲率为零，外套8的中轴线为一条直线；
52.所述外套8完全包裹住第一光纤4、并将第一光纤4固定在其内部；
53.所述外套8完全包裹住第二光纤7、并将第二光纤7固定在其内部。
54.一种化光纤气体压强传感器，所述第一光纤4的光输出端的端面垂直于外套8的中轴线；
55.所述第二光纤7的光输入端的端面垂直于外套8的中轴线、且对光源1的输出光的反射率大于99％。
56.一种化光纤气体压强传感器，所述空气腔5中填充空气；
57.所述空气腔5的长度大于液体腔12的长度。
58.一种基于化光纤气体压强传感器的废旧动力电池拆解废气的检测方法，所述电子废弃物气体测量方法具体包括以下步骤：
59.步骤1：将薄膜囊9置于校准大气压下，记录法布里-珀罗谐振腔的反射谱，将此反射谱记为反射谱1，将反射谱1中任意一个反射谷的中心频率记为谐振频率1；
60.步骤2：将薄膜囊9置于废旧动力电池拆解的检测环境中，记录法布里-珀罗谐振腔的反射谱、并将此反射谱记为反射谱2，将反射谱2中与谐振频率1谐振级数相同的反射谷的中心频率记为谐振频率2；
61.步骤3：基于步骤1所测量的谐振频率1和步骤2所测量的谐振频率2，由谐振频率2与谐振频率1的频率差得出废旧动力电池拆解的检测环境中的气体压强；
62.步骤4：光谱仪10采集步骤1所测量的反射谱1和步骤2所测量的反射谱2，并将反射谱1和反射谱2转化为反射谱电压信号后将其送入处理系统11；
63.步骤5：处理系统11输出传感器输出信号，传感器输出信号包含气体压强大小。
64.一种基于化光纤气体压强传感器的废旧动力电池拆解废气的检测方法，所述步骤3具体包括以下步骤：
65.步骤3.1：判断谐振频率2与谐振频率1的大小关系，若谐振频率2小于谐振频率1，则进行步骤4；若谐振频率2等于谐振频率1，则进行步骤5；若谐振频率2大于谐振频率1，则进行步骤6；
66.步骤3.2：则判定废旧动力电池拆解的检测环境中的气体压强大于校准大气压；
67.步骤3.3：则判定废旧动力电池拆解的检测环境中的气体压强等于校准大气压；
68.步骤3.4：则判定废旧动力电池拆解的检测环境中的气体压强小于校准大气压。
69.一种基于化光纤气体压强传感器的废旧动力电池拆解废气的检测方法，所述空气
腔5的长度大于液体腔12的长度，因此，法布里-珀罗谐振腔的光程变化较小，谐振频率2的谐振级数等于谐振频率1的谐振级数。
70.一种基于化光纤气体压强传感器的废旧动力电池拆解废气的检测方法，所述步骤4的处理系统11包括采样分析电路11-1和输出电路11-2，所述采样分析电路11-1接收光谱仪10转化的反射谱电压信号，所述采样分析电路11-1采集薄膜囊9的反射谱电压信号；
71.所述采样分析电路11-1将废旧动力电池拆解的检测环境中的气体压强信息送入输出电路11-2，输出电路11-2输出传感器输出信号。
72.当光进入法布里-珀罗谐振腔时，存在某些特定光波长的光，满足在法布里-珀罗谐振腔中往复传播一次时的光程是自身光波长的整数倍，这些光波长称为法布里-珀罗谐振腔的“谐振波长”，法布里-珀罗谐振腔的谐振波长所对应的光频率称为法布里-珀罗谐振腔的“谐振频率”，法布里-珀罗谐振腔的任意两相邻谐振频率的频率间隔相等，且该频率间隔称为法布里-珀罗谐振腔的“自由谱宽”，光频率为法布里-珀罗谐振腔谐振频率的光均在法布里-珀罗谐振腔中发生谐振，且谐振时光的反射率最小，因此，法布里-珀罗谐振腔的反射谱为等频率间隔的反射谷，此频率间隔即为法布里-珀罗谐振腔的自由谱宽，反射谷的最小反射率即为法布里-珀罗谐振腔谐振频率处的反射率、且反射谷的中心频率即为法布里-珀罗谐振腔的谐振频率；
73.由于光源1的输出光在时间上是连续的，光强度的频谱分布是均匀的，且光的线宽远大于法布里-珀罗谐振腔的自由谱宽，因此，光源1的输出光包含大量法布里-珀罗谐振腔的谐振频率；
74.光源1的输出光经法布里-珀罗谐振腔反射时，由于光源1的输出光包含大量法布里-珀罗谐振腔的谐振频率，而光频率为法布里-珀罗谐振腔谐振频率的光的反射率最小，因此，法布里-珀罗谐振腔的反射谱为等频率间隔的反射谷，此频率间隔即为法布里-珀罗谐振腔的自由谱宽，反射谷的最小反射率即为法布里-珀罗谐振腔谐振频率处的反射率、且反射谷的中心频率即为法布里-珀罗谐振腔的谐振频率；
75.当废旧动力电池拆解的检测环境中的气体压强等于校准大气压时，由于外套8完全包裹住第一光纤4、并将第一光纤4固定在其内部，外套8完全包裹住第二光纤7、并将第二光纤7固定在其内部，且薄膜囊9通过底部的小孔与外套8相连通，液体6通过薄膜囊9底部的小孔可以在薄膜囊9内部与外套8内部间自由流动，因此，空气腔5的长度等于校准时空气腔5的长度，液体腔的长度等于校准时液体腔的长度，这样，法布里-珀罗谐振腔的光程也等于校准时法布里-珀罗谐振腔的光程，此时，与校准时法布里-珀罗谐振腔的谐振频率相比，法布里-珀罗谐振腔的谐振频率不变；
76.当废旧动力电池拆解的检测环境中的气体压强大于校准大气压时，由于外套8完全包裹住第一光纤4、并将第一光纤4固定在其内部，外套8完全包裹住第二光纤7、并将第二光纤7固定在其内部，且薄膜囊9通过底部的小孔与外套8相连通，液体6通过薄膜囊9底部的小孔可以在薄膜囊9内部与外套8内部间自由流动，因此，空气腔5的长度小于校准时空气腔5的长度，液体腔的长度大于校准时液体腔的长度，由于液体折射率大于空气折射率，因此，法布里-珀罗谐振腔的光程大于校准时法布里-珀罗谐振腔的光程；由于空气腔5的长度远大于液体腔的长度，因此，法布里-珀罗谐振腔的光程变化较小，此时，与校准时法布里-珀罗谐振腔的谐振频率相比，法布里-珀罗谐振腔相同谐振级数的谐振频率向低频方向移动；
77.当废旧动力电池拆解的检测环境中的气体压强小于校准大气压时，由于外套8完全包裹住第一光纤4、并将第一光纤4固定在其内部，外套8完全包裹住第二光纤7、并将第二光纤7固定在其内部，且薄膜囊9通过底部的小孔与外套8相连通，液体6通过薄膜囊9底部的小孔可以在薄膜囊9内部与外套8内部间自由流动，因此，空气腔5的长度大于校准时空气腔5的长度，液体腔的长度小于校准时液体腔的长度，由于液体折射率大于空气折射率，因此，法布里-珀罗谐振腔的光程小于校准时法布里-珀罗谐振腔的光程；由于空气腔5的长度远大于液体腔的长度，因此，法布里-珀罗谐振腔的光程变化较小，此时，与校准时法布里-珀罗谐振腔的谐振频率相比，法布里-珀罗谐振腔相同谐振级数的谐振频率向高频方向移动。