一种基于光纤SPR和FBG传感器的混合监测电池结构健康系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光纤SPR和FBG传感器的混合监测电池结构健康系统，包括宽带光源、第一光纤环形器、第一光纤耦合器、第二光纤环形器、第一信号传输光纤、第二信号传输光纤、第三信号传输光纤、电池、第一FBG传感器、第二FBG传感器、第三FBG传感器、光纤SPR传感器、光探测器、第二光纤耦合器、光谱分析仪和计算机。本发明专利技术首先将光纤SPR传感器和光纤FBG传感器植入电池内部，同时将两个FBG传感器表贴于电池表面；然后，通过光纤SPR传感器监测电池电解质的折射率变化，通过FBG传感器监测电池的电解质和电极的应力应变和温度的变化；最后，通过光探测器将光信号转变为电信号，并将其传输给光谱分析仪和计算机，从而实现电池内部的健康监测。康监测。康监测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤SPR和FBG传感器的混合监测电池结构健康系统


[0001]本专利技术涉及一种基于光纤SPR和FBG传感器的混合监测电池结构健康系统，属于光纤光栅传感和电池健康监测


技术介绍

[0002]电池作为重要的电子器件，已在消费电子产品、电动汽车、风力和太阳能等间歇性可再生能源、核能的存储等方面扮演着至关重要的角色。随着电池的广泛应用，其可靠性、寿命、体积能量密度和安全性等指标也成为人们关注的焦点。电池的产品质量和安全性直接关系到用户的使用体验，甚至是生命安全，而先进的电池性能监测技术可以为提高电池的使用质量提供有效的手段。目前，对于电池的性能监测主要采用外部检测技术，然而，在电池终端检测方面，虽然已开发出可用于温度、应变等传感技术，但这些传感器通常仅贴于电池的外部，响应滞后，且无法感知电池内部复杂的电化学反应过程。因此，研发可植入电池内部的传感技术变得至关重要。
[0003]光纤传感器具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤和能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化敏感，已在光纤激光器、光纤通信和各种传感领域得到了广泛的应用。由于光纤传感器的低侵入性(化学惰性)、体积小、电磁抗扰性和绝缘体特性，其在电池结构健康监测领域具有广泛的应用前景。
[0004]锂离子电池健康监测的一个重点是运行过程中热产生率的测量。锂离子电池在使用过程中由于高功率的输入或输出，会出现显著的温度升高或者热失控，电池中积累的热量会导致电池性能下降和产生安全隐患。比如，在过充/放电、短路等不良情况下，会在单个电池中出现热点，最终导致内部温度和压力迅速升高而发生爆炸和燃烧。因此，对电池在正常和不良情况下的热产生率进行定量测量是非常重要的。目前，对于锂离子电池的热监测，通常采用热电偶或机电传感器在其表面进行。
[0005]锂离子电池健康检测的另一个重点是运行过程中体积变化。锂离子电池在充放电过程中电极产生的化学机械应力，以及所引起的电极材料体积变化是影响电池循环寿命。目前，通过电化学透射电镜、原子力显微镜等原位手段，可以直观地观察到电池在充放电过程中应力所引起的电极材料形貌变化(如开裂、塌陷等)，但这些设备价格昂贵且需要专门的测试样品，难以用于商业用途。在微观尺度上，特别是对电池内部的应力变化检测仍缺乏有效的技术手段。
[0006]因此，开发能够满足实时监测电池健康的系统，包括电池内部的温度、应力和离子浓度变化等，具有重要的理论和应用价值。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于光纤SPR和FBG传感器的混合监测电池结构健康系统，将多个FBG传感器和SPR传感器植入电池内部的电解质、电极、电极与电解质界面或者表贴于电池表面，分别监测电池内部的应力应变、温度、电解质折射
率或浓度变化以及电极表面温度变化，通过信号的调制解调实现电池的结构健康监测，本专利技术在电池的健康检测领域具有应用前景。
[0008]为达到上述目的，本专利技术是采用下述技术方案实现的：
[0009]本专利技术提供了一种基于光纤SPR和FBG传感器的混合监测电池结构健康系统，包括：
[0010]宽带光源、第一光纤环形器、第一光纤耦合器、第二光纤环形器、第一信号传输光纤、第二信号传输光纤、第三信号传输光纤、电池、光探测器、第二光纤耦合器、光谱分析仪、计算机、第一FBG传感器、光纤SPR传感器、第二FBG传感器、第三FBG传感器，其中：
[0011]宽带光源与第一光纤环形器固定连接；
[0012]第一光纤环形器后端分别与第一光纤耦合器和光探测器连接；
[0013]第一光纤耦合器依次与3个第二光纤环形器以及第一信号传输光纤、第二信号传输光纤、第三信号传输光纤连接；
[0014]第一信号传输光纤、第二信号传输光纤、第三信号传输光纤分别与第一FBG传感器、光纤SPR传感器、第二FBG传感器连接，其中：
[0015]第一FBG传感器、光纤SPR传感器被置于电池的内部电解质中，第二FBG传感器与第三FBG传感器串联后贴于电池的外表面，其中第二FBG传感器位于电池的正极表面，第二FBG传感器位于电池的负极表面；
[0016]第一信号传输光纤、第二信号传输光纤和第三信号传输光纤穿过电池后分别于3个光探测器连接；
[0017]光探测器依次与第二光纤耦合器、光谱分析仪和计算机固定连接。
[0018]进一步的，所述光纤SPR传感器的结构为基于Cu
‑
无包层光纤SPR传感器，传感层长度为13～17mm，传感层金属薄膜的厚度为40nm、50nm、60nm中的任意一种，所述光纤SPR传感器可监测电解质的折射率随浓度的变化。
[0019]进一步的，所述第一FBG传感器、第二FBG传感器和第三FBG传感器具有不同的中心波长，分别用于电池温度和正负极应力应变的监测。
[0020]进一步的，所述电池为锂离子电池、钠离子电池、铅酸蓄电池、空气电池、钠硫电池、镍基电池中的任意一种，
[0021]进一步的，所述电池内部的电解质为液态电解质、胶态电解质或固态电解质中的任何一种。
[0022]进一步的，所述第一信号传输光纤、第二信号传输光纤和第三信号传输光纤为芯包层结构单模石英光纤，纤芯折射率为1.4680，直径9.0μm，包层折射率为1.4512，直径为125μm，涂覆层直径为250mm，数值孔径为0.22。
[0023]进一步的，所述第一信号传输光纤分别与光纤SPR传感器的前端和后端连接，用于传导该传感器的光信号；
[0024]第二信号传输光纤分别与第一FBG传感器的前端和后端连接，用于传导该传感器的光信号；
[0025]第三信号传输光纤将第二FBG传感器和第三FBG传感器串联，用于传导两个传感器的光信号。
[0026]进一步的，所述宽带光源为SLD宽带光源、ASE宽带光源或者SLED宽带光源中的任
意一种，提供波长范围在1510nm
‑
1590nm的激光。
[0027]与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果：
[0028]本专利技术提供一种基于光纤SPR和FBG传感器的混合监测电池结构健康系统，该系统将多个FBG传感器和SPR传感器植入电池内部的电解质、电极、电极与电解质界面或者表贴于电池表面，分别监测电池内部的应力应变、电解质折射率变化以及电极温度变化，通过系统分析可实现电池的结构健康监测，本专利技术在电池的健康检测领域具有应用前景。
附图说明
[0029]图1为基于光纤SPR传感器和FBG传感器监测电池结构健康的系统示意图；
[0030]图2为光纤SPR传感器和FBG传感器在电池内部和表面的布设示意图；
[0031]图3为FBG传感器结构示意图；
[0032]图4为光纤SPR传感器结构示意图；
[0033]图5为FBG传感器波长漂移示意图；
[0034]图6为不同浓度下光纤S本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤SPR和FBG传感器的混合监测电池结构健康系统，其特征在于，包括：宽带光源(1)、第一光纤环形器(2)、第一光纤耦合器(3)、第二光纤环形器(4)、第一信号传输光纤(5)、第二信号传输光纤(6)、第三信号传输光纤(7)、电池(8)、光探测器(9)、第二光纤耦合器(10)、光谱分析仪(11)、计算机(12)、第一FBG传感器(81)、光纤SPR传感器(82)、第二FBG传感器(83)、第三FBG传感器(84)，其中：宽带光源(1)与第一光纤环形器(2)固定连接；第一光纤环形器(2)后端分别与第一光纤耦合器(3)和光探测器(9)连接；第一光纤耦合器(3)依次与3个第二光纤环形器(4)以及第一信号传输光纤(5)、第二信号传输光纤(6)、第三信号传输光纤(7)连接；第一信号传输光纤(5)、第二信号传输光纤(6)、第三信号传输光纤(7)分别与第一FBG传感器(81)、光纤SPR传感器(82)、第二FBG传感器(83)连接，其中：第一FBG传感器(81)、光纤SPR传感器(82)被置于电池(8)的内部电解质中，第二FBG传感器(83)与第三FBG传感器(84)串联后贴于电池(8)的外表面，其中第二FBG传感器(83)位于电池(8)的正极表面，第二FBG传感器(84)位于电池(9)的负极表面；第一信号传输光纤(5)、第二信号传输光纤(6)和第三信号传输光纤(7)穿过电池(8)后分别于3个光探测器(9)连接；光探测器(9)依次与第二光纤耦合器(10)、光谱分析仪(11)和计算机(12) 固定连接。2.根据权利要求1所述的基于光纤SPR和FBG传感器的混合监测电池结构健康系统，其特征在于，所述光纤SPR传感器(82)的结构为基于Cu
‑
无包层光纤SPR传感器，传感层长度为13～17mm，传感层金属薄膜的厚度为40nm、50nm、60nm中的任意一种，所述光纤SPR传感器可监测电解...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦玮，舒梦馨，李建宇，张庆，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：