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1、(10)申请公布号 CN 101963654 A (43)申请公布日 2011.02.02 CN 101963654 A *CN101963654A* (21)申请号 201010285163.0 (22)申请日 2010.09.17 G01R 31/36(2006.01) (71)申请人 重庆大学 地址 400044 重庆市沙坪坝区沙正街 174 号 (72)发明人 钟年丙 朱恂 李俊 王宏 廖强 丁玉栋 王永忠 叶丁丁 (74)专利代理机构 重庆博凯知识产权代理有限 公司 50212 代理人 张先芸 (54) 发明名称 差分光纤 ATR 传感器检测蓄电池剩余容量的 方法及装置 (57) 摘。
2、要 本 发 明 公 开 了 一 种 差 分 光 纤 ATR 传 感 器检测蓄电池剩余容量的方法， 首先将纤芯 腐蚀， 将腐蚀后的纤芯制作成光纤 ATR 传感 器， 在正极板和负极板上对称各安装一个光 纤 ATR 传感器， 光束通过进入正极板和负极板 上的光纤 ATR 传感器后通入光电探测器， 利用 计算得出铅 酸蓄电池剩余容量。同时还公开了一种检测铅酸 蓄电池剩余容量的装置。本发明采用的光纤 ATR 传感器体积小， 安装在电极板上， 实现了平均测 量 ； 同时采用差分形式方法消除温度对待测信号 的影响， 提高了光纤传感器的测量准确度和精度 ； 光纤 ATR 传感器由于具有体积小、 耐腐蚀、 成。
3、本 低、 远距离传感、 在线测量等特点， 在水质监测、 医 疗卫生、 生物化学等领域可得到广泛的应用。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 3 页 说明书 9 页 附图 4 页 CN 101963655 A1/3 页 2 1. 一种差分光纤 ATR 传感器检测蓄电池剩余容量的方法， 其特征在于， 包括下列步骤 ： 1） 采用工业酒精浸泡光纤， 然后用纱布擦洗光纤， 除去光纤上的包层 ； 将除去包层后的 纤芯放入含1525%的氢氟酸的腐蚀溶液， 在2535下进行腐蚀， 将纤芯均匀腐蚀至直 径为 650 750?m ； 2） 将腐蚀后的纤。
4、芯制作成 U 形结构的光纤 ATR 传感器， 在铅酸蓄电池的正极板和负极 板上各安装一个光纤 ATR 传感器， 正极板和负极板上的光纤 ATR 传感器成对称分布 ； 3） 光束通过入射光纤进入正极板和负极板上的光纤 ATR 传感器， 正极板和负极板上的 光纤 ATR 传感器输出的光束通过出射光纤输出， 通过下式的修正函数计算正极板和负极板 表面输出光强 ： 正极板表面输出光能量的表达式为 ： 负极板表面输出光能量的表达式为 ： 式 中 ：表 示 输 入 光 强 ；表 示 电 解 液 容 积 吸 收 系 数 ； 表 示 光 源 波 长 ； ， 表示界面入射夹角的大小 ； 1表示光纤 ATR 传感。
5、器直线段的长度 ； 表示光纤 ATR 传感器弯曲段的弯曲半径 ；表示腐蚀后纤芯的半径 ； 表示纤芯的折射率 ； 表示温度为 20时正极板表面电解液的折射率 ； 表示温度为 20时负极 板表面电解液的折射率 ； 表示电解液倏逝波吸收系数 ； 表示电解液的温度 ； 1表示 , 其中 ： ， ， 其中 ：，； 表示光束由U形结构的光纤ATR传 感器的直线段纤芯进入弯曲段纤芯时， 光束与分界面的垂距 ； 表示光纤包层的折射率 ； 4） 将出射光纤进入光电探测器， 光电探测器通过光电转换后， 正极板上的光纤 ATR 传 感器输出的电压为 ： 权 利 要 求 书 CN 101963654 A CN 101。
6、963655 A2/3 页 3 ； 负极板上的光纤 ATR 传感器输出的电压为 ： ； 式中 ： 表示光电转换系数 ； 5） 将、经过变换后可得光纤 ATR 传感器输出的铅酸蓄电池剩余容量的电压： 。 2. 根据权利要求 1 所述的差分光纤 ATR 传感器检测蓄电池剩余容量的方法及装置， 其 特征在于 ： 所述光纤纤芯直径为 1.0mm、 光纤外径为 2.2mm、 纤芯折射率为 1.492、 数值孔径 NA 为 0.5， 工作温度为 -50 70。 3. 根据权利要求 1 所述的差分光纤 ATR 传感器检测蓄电池剩余容量的方法及装置， 其 特征在于 ： 在步骤 2） 中， 正极板和负极板上分别。
7、设有用于安装光纤 ATR 传感器的凹槽， 在凹 槽内涂上一层环氧树脂胶， 将光纤 ATR 传感器平放在凹槽内， 再涂上一层环氧树脂胶将光 纤 ATR 传感器固定在极板的板栅筋条上。 4. 根据权利要求 1 所述的差分光纤 ATR 传感器检测蓄电池剩余容量的方法及装置， 其 特征在于 ： 所述正极板和负极板上光纤 ATR 传感器的两个端头与光纤适配器连接， 所述入 射光纤和出射光纤与光纤适配器连接。 5. 根据权利要求 1 所述的差分光纤 ATR 传感器检测蓄电池剩余容量的方法及装置， 其 特征在于 ： 入射光束在纤芯与包层分界面的入射角。 6. 一种检测蓄电池剩余容量的装置， 其特征在于 ： 。
8、包括光源 （12） 、 光源 - 光纤耦合器 （13） 、 光纤适配器 （17） 、 第一光纤 ATR 传感器 （20） 、 第二光纤 ATR 传感器 （22） 、 光电探测器 （25） 、 前置放大器 （26） 、 A D 转换器 （27） 和数据处理单元 （28） ； 所述第一光纤 ATR 传感器 （20） 和第二光纤 ATR 传感器 （22） 均由腐蚀后的光纤纤芯 （2） 组成， 且呈 U 形结构 ； 所述第一光纤 ATR 传感器 （20） 设置在铅酸蓄电池 （18） 的正极板 （19） 上， 第二光纤 ATR 传感器 （22） 设置在负极板 （22） 上， 且第一光纤 ATR 传感器 。
9、（20） 平行于第 二光纤 ATR 传感器 （22） ； 所述光源 （12） 发出的光束通过光源 - 光纤耦合器 （13） 进入光纤， 光源 - 光纤耦合器 （13） 通过入射光纤与光纤适配器 （17） 连接 ； 所述第一光纤 ATR 传感器 （20） 的两端和第二 光纤 ATR 传感器 （22） 的两端连接光纤适配器 （17） ， 光纤适配器 （17） 的输出端通过出射光 纤与光电探测器 （25） 连接 ； 所述光电探测器 （25） 的输出端与前置放大器 （26） 连接 ； 所述 前置放大器 （26） 的输出端与 A D 转换器 （27） 连接 ； 所述 A D 转换器 （27） 的信号输出。
10、 端与数据处理单元 （28） 连接。 7. 根据权利要求 6 所述的检测铅酸蓄电池剩余容量的装置， 其特征在于 ： 还包括光分 路器 （14） ， 所述光分路器 （14） 串接在光源 - 光纤耦合器 （13） 与入射光纤之间。 8. 根据权利要求 6 所述的检测蓄电池剩余容量的装置， 其特征在于 ： 所述正极板 （19） 权 利 要 求 书 CN 101963654 A CN 101963655 A3/3 页 4 和负极板 （22） 上分别设有 U 形结构的凹槽 （6） ， 所述第一光纤 ATR 传感器 （20） 和第二光纤 ATR 传感器 （22） 分别设置在凹槽 （6） 内， 并通过环氧树。
11、脂胶 （11） 固定。 9.根据权利要求6所述的检测蓄电池剩余容量的装置， 其特征在于 ： 所述第一光纤ATR 传感器 （20） 和第二光纤 ATR 传感器 （22） 的直径为 700?m。 权 利 要 求 书 CN 101963654 A CN 101963655 A1/9 页 5 差分光纤 ATR 传感器检测蓄电池剩余容量的方法及装置 技术领域 0001 本发明涉及一种检测铅酸蓄电池容量的方法， 尤其涉及一种差分光纤 ATR 传感器 检测蓄电池剩余容量的方法及装置。 背景技术 0002 铅酸蓄电池广泛应用于汽车、 电力等行业， 为确保电池性能， 延长电池的使用寿 命， 必需对电池的剩余容量。
12、进行在线、 准确的测量。因此， 研究设计实用的铅酸蓄电池容量 在线检测传感器， 有着十分重要的意义。 0003 目前， 蓄电池剩余容量测量方法有离线法检测方法和在线检测方法。 离线方法 ： 核 对放电法、 电解液比重法和开路电压法。 在线法有 ： 电阻抗法， 电量累积法， 放电电流法和光 吸收法。离线检测法的缺点是 ： 必须中断电池的充放电过程， 不能对电池容量进行原位测 量 ； 同时测量过程耗时， 容易携带杂质进入电解液， 腐蚀电池极板。 目前， 在线检测法的缺点 是 ： 电阻抗法、 电量累积法、 放电电流法属于间接检测法， 对系统要求高， 安装不方便， 同样 不能实现电池容量的原位测量。 。
13、0004 铅酸蓄电池是利用塑料、 橡胶或玻璃钢制成长方体外壳， 内充电解液稀硫酸 （ )， 正、 负两电极板浸入其中。正极板活性物质为二氧化铅 ()， 负极板活性物 质为海绵状金属铅 ()， 两极板间用微孔橡胶或微孔塑料隔开。 0005 充放电过程正、 负极板表面电化学反应方程式 ： 充电过程电化学总反应方程 ： 正极 ： 负极 ： 放电过程电化学总反应方程 ： 正极 ： 负极 ： 从充放电过程正负极板反应方程式可以看出 ： 在充电过程中， 正、 负极板生成物固体颗 粒不同， 正极为颗粒， 负极为颗粒 ； 在放电过程中， 正、 负极板反应物固体颗粒不 同， 正极为颗粒， 负极为颗粒 ； 只有正。
14、极板表面上发生了的离解和化合反应。 正负极板电化学反应特点表明 ： 在充放电过程中， 正负极板表面固体颗粒和电解液折射率 必然不相同。 如果在正、 负极板表面分别通入一束光， 通过检测衰减后的光能量可实现电池 剩余容量的测量。 0006 光学法是通过测量电解液折射率的变化量来测量电池的容量， 光纤法为最有前途 的方法， 因为光学法能实现电池容量的在线原位测量。 但也有文献中介绍的光学法， 在测量 过程中并未考虑电解液温度变化对测量过程的影响。中国发明专利 ZL 200610095382 公布 说 明 书 CN 101963654 A CN 101963655 A2/9 页 6 的 “在线测量铅。
15、酸电池容量的光纤传感器” ， 该发明虽然考虑到了温度对待测信号的影响， 但是传感器探头尺寸较大， 只能通过测量电池表面电解液浓度的变化来估计蓄电池的剩余 容量， 精度较低。 发明内容 0007 针对现有技术中的不足之处， 本发明提供了一种光纤传感器体积小， 安装在电极 板上可实现平均测量 ； 同时消除了温度对待测信号的影响， 提高了光纤传感器的测量准确 度和精度的差分光纤 ATR 传感器检测蓄电池剩余容量的方法及装置。 0008 本发明提供的差分光纤 ATR 传感器检测蓄电池剩余容量的方法， 包括下列步 骤 ： 1） 采用工业酒精浸泡光纤， 然后用纱布擦洗光纤， 除去光纤上的包层 ； 将除去包。
16、层后的 纤芯放入含1525%的氢氟酸的腐蚀溶液， 在2535下进行腐蚀， 将纤芯均匀腐蚀至直 径为 650 750?m ； 2） 将腐蚀后的纤芯制作成 U 形结构的光纤 ATR 传感器， 在铅酸蓄电池的正极板和负极 板上各安装一个光纤 ATR 传感器， 正极板和负极板上的光纤 ATR 传感器成对称分布 ； 3） 光束通过入射光纤进入正极板和负极板上的光纤 ATR 传感器， 正极板和负极板上的 光纤 ATR 传感器输出的光束通过出射光纤输出， 通过下式的修正函数计算正极板和负极板 表面输出光强 ： 正极板表面输出光能量的表达式为 ： 负极板表面输出光能量的表达式为 ： 式 中 ：表 示 输 入 。
17、光 强 ；表 示 电 解 液 容 积 吸 收 系 数 ； 表 示 光 源 波 长 ； ， 表示界面入射夹角的大小 ； 1表示光纤 ATR 传感器直线段的长度 ； 表示光纤 ATR 传感器弯曲段的弯曲半径 ；表示腐蚀后纤芯的半径 ； 表示纤芯的折射率 ； 表示温度为 20时正极板表面电解液的折射率 ； 表示温度为 20时负极 板表面电解液的折射率 ； 表示电解液倏逝波吸收系数 ； 表示电解液的温度 ； 1表示 , 其中 ： ， 说 明 书 CN 101963654 A CN 101963655 A3/9 页 7 ， 其中 ：，； 表示光束由U形结构的光纤ATR传 感器的直线段纤芯进入弯曲段纤芯时。
18、， 光束与分界面的垂距 ； 表示光纤包层的折射率 ； 4） 将出射光纤进入光电探测器， 光电探测器通过光电转换后， 正极板上的光纤 ATR 传 感器输出的电压为 ： ； 负极板上的光纤 ATR 传感器输出的电压为 ： ； 式中 ： 表示光电转换系数 ； 5） 将、经过变换后可得光纤 ATR 传感器输出的铅酸蓄电池剩余容量的电压： 。 0009 进一步， 所述光纤纤芯直径为 1.0mm、 光纤外径为 2.2mm、 纤芯折射率为 1.492、 数 值孔径 NA 为 0.5， 工作温度为 -50 70 ； 进一步， 在步骤 2） 中， 正极板和负极板上分别设有用于安装光纤 ATR 传感器的凹槽， 在。
19、 凹槽内涂上一层环氧树脂胶， 将光纤 ATR 传感器平放在凹槽内， 再涂上一层环氧树脂胶将 光纤 ATR 传感器固定在极板的板栅筋条上 ； 进一步， 所述正极板和负极板上光纤 ATR 传感器的两个端头与光纤适配器连接， 所述 入射光纤和出射光纤与光纤适配器连接 ； 进一步， 入射光束在纤芯与包层分界面的入射角。 0010 本发明提供的检测蓄电池剩余容量的装置， 包括光源、 光源 - 光纤耦合器、 光纤适 配器、 第一光纤 ATR 传感器、 第二光纤 ATR 传感器、 光电探测器、 前置放大器、 A D 转换器 和数据处理单元 ； 所述第一光纤 ATR 传感器和第二光纤 ATR 传感器均由腐蚀后。
20、的光纤纤芯组成， 且呈 U 形结构 ； 所述第一光纤ATR传感器设置在铅酸蓄电池的正极板上， 第二光纤ATR传感器设置 在负极板上， 且第一光纤ATR传感器平行于第二光纤ATR传感器 ； 所述光源发出的光束通过 光源-光纤耦合器进入光纤， 光源-光纤耦合器通过入射光纤与光纤适配器连接 ； 所述第一 光纤 ATR 传感器的两端和第二光纤 ATR 传感器的两端连接光纤适配器， 光纤适配器的输出 端通过出射光纤与光电探测器连接 ； 所述光电探测器的输出端与前置放大器连接 ； 所述前 置放大器的输出端与 A D 转换器连接 ； 所述 A D 转换器的信号输出端与数据处理单元 说 明 书 CN 1019。
21、63654 A CN 101963655 A4/9 页 8 连接。 0011 进一步， 还包括光分路器， 所述光分路器串接在光源 - 光纤耦合器与入射光纤之 间 ； 进一步， 所述正极板和负极板上分别设有U形结构的凹槽， 所述第一光纤ATR传感器和 第二光纤 ATR 传感器分别设置在凹槽内， 并通过环氧树脂胶固定 ； 进一步， 所述第一光纤 ATR 传感器和第二光纤 ATR 传感器的直径为 700?m。 0012 与现有技术相比， 本发明的差分光纤 ATR 传感器检测蓄电池剩余容量的方法及 装置具有如下优点 ： 1、 本发明设计了一种适用于铅酸蓄电池剩余容量在线原位监测的光纤衰减全反射光 纤 。
22、ATR 传感器， 这种光纤 ATR 传感器体积小， 安装在电极板上， 对蓄电池充放电过程中极板 表面折射率进行在线测量 ； 同时采用差分形式方法消除温度对待测信号的影响， 提高了光 纤 ATR 传感器的测量准确度和精度。 0013 2、 光纤ATR传感器输出的信号电压实现了铅酸蓄电剩余容量的测量， 且ATR传 感器输出信号电压只与光纤 ATR 传感器敏感区特征参数 （即腐蚀纤芯的半径、 光纤 ATR 传 感器直线段的长度、 光纤 ATR 传感器弯曲段的弯曲半径） 和电池正、 负极板表面电解液 在 20时折射率差有关， 与电解液温度变化无关， 消除了温度对待侧信号的影响， 能实现蓄 电池容量的准。
23、确测量。 0014 3、 在进行光耦合时， 考虑了入射光束在纤芯与包层分界面的最佳入射角， 保证了光纤倏逝波透射的最大深度， 提高了传感器的灵敏度。 0015 4、 传感器安装在电池极板上， 实现了平均测量， 提高了传感器的测量精度 ； ATR 传 感器利用光纤适配器， 实现了输出信号的远距离传输。 0016 5、 光纤 ATR 传感器由于具有体积小、 耐腐蚀、 成本低、 远距离传感、 在线测量等特 点， 在水质监测、 医疗卫生、 生物化学等领域可得到广泛的应用。 附图说明 0017 图 1 为光纤的结构示意图 ； 图 2 为光纤的横截面结构示意图 ； 图 3 为腐蚀后的光纤结构示意图 ； 图。
24、 4 为极板上的光纤 ATR 传感器分布示意图 ； 图 5 为光纤 ATR 传感器的安装示意图 ； 图 6 为采用差分式光纤 ATR 传感器检测蓄电池剩余容量的原理框图 ； 图 7 为光源 - 光纤合器的示意图 ； 图 8 为 U 形结构的光纤 ATR 传感器直线段的光纤倏逝波原理示意图 ； 图 9 为 U 形结构的光纤 ATR 传感器的光纤倏逝波原理示意图。 具体实施方式 0018 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。 0019 检测蓄电池剩余容量的装置， 如图 6 所示， 该装置包括光源 12、 光源 - 光纤耦合器 说 明 书 CN 101963654 A CN 101。
25、963655 A5/9 页 9 13、 光分路器 14、 光纤适配器 17、 第一光纤 ATR 传感器 20、 第二光纤 ATR 传感器 22、 光电探 测器 25、 前置放大器 26、 A D 转换器 27、 数据处理单元 28 和数字显示器 29。所述第一光 纤 ATR 传感器 20 和第二光纤 ATR 传感器 22 均由腐蚀后的光纤纤芯 2 组成， 且呈 U 形结构 ； 所述第一光纤 ATR 传感器 20 设置在铅酸蓄电池 18 的正极板 19 上， 第二光纤 ATR 传感器 22 设置在负极板 22 上， 且第一光纤 ATR 传感器 20 与第二光纤 ATR 传感器 22 对称设置。所。
26、述 光源 12 发出的光束与光源 - 光纤耦合器 13 相对， 光源 - 光纤耦合器 13 通过光分路器 14 将光束分为两路， 分别通过入射光纤与光纤适配器17连接 ； 所述第一光纤ATR传感器20的 两端和第二光纤 ATR 传感器 22 的两端连接光纤适配器 17， 光纤适配器 17 的输出端通过出 射光纤与光电探测器 25 连接 ； 所述光电探测器 25 的输出端与前置放大器 26 连接 ； 所述前 置放大器 26 的输出端与 A D 转换器 27 ； 所述 A D 转换器 27 的信号输出端与数据处理 单元 28 连接， 数据处理单元 28 处理后的数据通过数字显示器 29 显示。 0。
27、020 差分光纤 ATR 传感器检测蓄电池剩余容量的方法， 包括下列步骤 ： 1） 、 首先选取多模光纤 ： 光纤纤芯直径为 1.0mm、 光纤外径为 2.2mm、 纤芯折射率为 1.492、 数值孔径 （NA） 为 0.5、 工作温度为 -50 70， 如图 1、 图 2 所示， 图中 1 为包层， 2 为纤芯， 3为第一涂覆层， 4为第二涂覆层。 然后制作腐蚀光纤纤芯 ： 采用高纯度工业酒精浸 泡光纤， 然后用纱布擦洗光纤， 除去第一涂覆层， 用光纤剥离器去除光纤第二涂覆层， 将去 除包层后的裸光纤进行腐蚀， 腐蚀溶液采用 15 25% 的氢氟酸在 25 35下进行均匀腐 蚀， 纤芯直径腐。
28、蚀速度约为v=0.45?m/min， 将纤芯直径为1000?m的光纤均匀腐蚀660min 左右， 腐蚀后光纤纤芯约为 650 750?m， 如图 3 所示， 图中 5 为腐蚀后的纤芯。 0021 2） 、 将腐蚀后的纤芯制作成光纤衰减全反射的 U 形结构的光纤 ATR（Attenuated Total Reflection） 传感器 ： 根据铅酸蓄电池几何尺寸， 选取腐蚀后的纤芯长度， 制作成 U 形结构的光纤 ATR 传感器。以万里牌 12V36AH 型铅酸蓄电池 （长 190mm， 宽 130mm， 高 200mm） 为例， 蓄电池截面积的80%为正、 负极板的表面积， 则正、 负极板的周。
29、长约为530mm， 光纤ATR 传感器敏感区的总长度约为 ：（U 形结构的光纤 ATR 传感器直 线段的长度=130 ， 弯曲段的弯曲半径为） 。为防止腐蚀后的纤芯断裂， 以及 电池充电过程电解液的沸腾对光纤 ATR 传感器敏感区产生形变， 将光纤 ATR 传感器对称的 安装在各极板上， 如图 4 所示， 图 4 中 5 为腐蚀后的纤芯， 6 为凹槽， 7 为板栅筋条， 8 为电池 极板。光纤 ATR 传感器在蓄电池极板栅筋条上的安装示意图， 如图 6 所示， 图中 6 为凹槽， 7 为板栅筋条， 9 为光纤， 10 为 ATR 传感器， 11 为环氧树脂胶。在安装光纤 ATR 传感器时， 在。
30、 板栅筋条 7 设置约为 0.3mm 的深、 0.3mm 宽的凹槽 6， 然后在凹槽 6 的板栅筋条 7 上涂上一 层环氧树脂胶 11 （为了防止在充放电过程中， 板栅筋条被腐蚀而发生微变， 导致光纤脱落） ， 将光纤 ATR 传感器放平， 再涂上一层环氧树脂胶将光纤 ATR 传感器固定在电极极板 8 的板 栅筋条 7 上。 0022 3） 、 光源 12 发出的光束通过光源 - 光纤耦合器 13 进入光分路器 14， 由光分路器 14 分为两路并通过入射光纤 15 和入射光纤 16， 再通过光纤适配器 17 分别进入铅酸蓄电池 18 内的正极板 19 上的光纤 ATR 传感器 20 和负极板。
31、 21 上的光纤 ATR 传感器 22 内， 衰减后 的光束分别通过出射光纤23和出射光纤24进入光电探测器25， 由光电探测器25将光能量 转换为电信号， 并经前置放大器26和A/D转换器27进入数据处理单元28， 最后通过数字显 示器 29 显示， 如图 6 所示。光源 12 选用 850nm 近红外光源， 数据处理单元 28 选用 TI 公司 说 明 书 CN 101963654 A CN 101963655 A6/9 页 10 的 TMS320VC5410 芯片。光纤适配器 17 选用美国莫仕公司生产的四口 LC 光纤适配器， 其目 的是为了对传感器输出信息进行远距离传输。 0023 。
32、4） 、 正极板 19 上的光纤 ATR 传感器 20 输出的电压和负极板 21 上的光纤 ATR 传感 器 22 输出的电压可由下实例推出 ： Khijwania（S.K.Khijwania, B.D.Gupta. Fiber optic evanescent field absorption sensor: effect of fiber patameters and geometry of the probe J. Optical and Quantum Electronics, 31(1999):625-636） 等人研究表明 ： 光纤 ATR 传感器 灵敏度与光纤数值孔径， 光纤曲率。
33、半径， 经过腐蚀或碾磨后参与感应的光纤纤芯长度、 纤芯 直径等参数有关。光纤倏逝波透射深度的数学表达式为 ： (1) (1) 式中 : 表示光源波长 ； 表示纤芯的折射率 ； 表示电解液折射率 ; 表示界 面入射夹角的大小。 为增大光纤倏逝波透射深度， 提高光纤倏逝波光纤 ATR 传感器的灵敏度， 需根据电 解液性质和光纤特征参数确定界面入射夹角的大小。光源 12 发出的光在光纤端面耦合 示意图， 如图 7 所示的光源 - 光纤耦合器的示意图， 图 7 中 1 为包层， 2 为纤芯， 30 为物镜， 31 为光纤端面， 32 为折射光。 0024 以表示光束有效接收角，的大小由光纤数值孔径 N。
34、A 决定， 关系式为 ： (2) 图中角的取值范围为 ：。光纤的数值孔径为 NA=0.5， 则有 。入射夹角与角的关系为 ： (3) (3) 式表明 ： 角越大， 光收集能力越强， 界面入射夹角越小， 倏逝波透射深度越 大， 光纤ATR传感器灵敏越高。 在实际过程取，。 即当 时， 光纤 ATR 传感器投射深度最深， 在有限的感应区内具有佳灵敏度。 0025 腐蚀后光纤纤芯经过吸收介质 （电解液） 后， 输入和输出光强之间满足 ： (4) (4) 式中， 其中为电解液倏逝波吸收系数， 为光纤 ATR 传感器的总长度。图 8 为 U 形结构的光纤 ATR 传感器直线段的光纤倏逝波原理示意图， 图。
35、中 2 为纤芯， 33 为入射光， 34 为反射光， 35 为透射光， 36 为倏逝波区。文献 （A. W. SNYDER and J. D. LOVE, Optical Waveguide Theory M. (Chapman 表 示腐蚀后纤芯的半径 ； 表示纤芯的折射率 ； 为纤芯与电解液分界面全反射临界角 ； 表示界面入射夹角的大小 ； 为偏斜角。从 (5) 式中可以看出当时， 达到 最大 ；时， 最小。假定只考虑光纤 ATR 传感器的最低灵敏度和精度， 则， 将 带入式 (5)， 变形后为 ： (6) 式 (6) 中， 参数为 ： 对于 U 形结构的光纤 ATR 传感器， 光束由光纤 。
36、ATR 传感器的直线段纤芯进入光纤 ATR 传感器时， 界面入射夹角分为外界面夹角和内界面夹角， 如图 9 所示。 0026 文献 （B.D. Gupta, H. dodeja, and A.K. Tomar, Fiber optic evanescent field absorption based on U-shaped probe J. Opt Quantum Electron, 28 (1996):1629-1639） 和 （Pabitra Nath. Enhanced sensitive fiber-optic sensor with double pass evanescent f。
37、ield absorption J. Microwave and Optical technology Letters, 51(2009):3004-3006） 给出了U形结构的光纤ATR传感器倏逝波在纤芯内表面和 外表面的有效吸收系数， 纤芯外表面倏逝波吸收系数 ： (7) 式 （7） 中 ： 参数表达式如下 ： (8) 式 （8） 中和分别为 ： ； 其中 ： 表示光束由光纤 ATR 传感器的直线段进入弯曲段纤芯时， 光束与分界面的垂 距 ； 表示光纤包层折射率。纤芯内表面倏逝波吸收系数 ： (9) 说 明 书 CN 101963654 A CN 101963655 A8/9 页 12 式。
38、 （9） 中 ： 参数表达式如下 ： (10) 式 （10） 中， 为 ： 将式 （6） 、 式 （7） 、 式 （9） 代入式 （4） 后， 经过变形后可得输入、 输出光强之间的表达式 ： (11) 式 （11） 表明 ： 经倏逝波衰减后的光能量与光纤 ATR 传感器感应区特征参数 （即腐蚀后 的纤芯半径、 光纤 ATR 传感器直线段长度、 光纤 ATR 传感器弯曲段的弯曲半径） 和电 解液折射率有关。但是， 式 （11） 并未考虑温度变化对折射率的影响。由于地区差异以及 对铅酸蓄电进行充放电， 均可能导致电解液温度变化， 同时导致电解液折射率变化。因此， 需对式 （11） 进行修正后才适用。
39、于模拟计算蓄电池电解液的折射率。 Samedov （F. Samedov. Laser-based optical facility for determination of refractive index of liquids J. Optics & Laser Technology, 38(2006):28-36） 对流体折射关系与温度研究表明 ： 流体折射率与温度间具有负关系， 经验公式为 ： (12) 式 （12） 中， 表示电解液特征参数，表示温度为 20时电解液的折射率， 表示电 解液温度，表示温度为时电解液的折射率。 0027 假定在铅酸蓄电池充放电过程， 正极板表面电解液的折。
40、射率为， 负极板表面 电解液的折射率为。在考虑温度对电解液折射率影响的条件下， 根据式 （11） 和式 （12） 可以分别得到正极板和负极板表面输入光强和输出光强间的修正函数表达式。 正极板表面 输出光能量的表达式为 ： (13) 同样， 负极板表面输出光能量的表达式为 ： (14) 用、分别表示图 6 中出射光纤 23 和出射光纤 24 输出的光经过光电探测器 25 转 换后输出电压， 表示光电转换系数。正极板和负极板上的光纤 ATR 传感器输出电压分别 为 ： 说 明 书 CN 101963654 A CN 101963655 A9/9 页 13 (15) (16) 式 （15） 和式 (。
41、16) 经过变换后可得光纤 ATR 传感器输出的信号电压： (17) 式 （17） 从理论上证实， 采用差分光纤 ATR 传感器能实现铅酸蓄电剩余容量的测量。传 感器输出信号电压只与光纤 ATR 传感探头敏感区特征参数 （即腐蚀后纤芯的半径、 光纤 ATR 传感器直线段的长度、 光纤 ATR 传感器弯曲段的弯曲半径） 和电池正、 负极板表面 电解液在 20时折射率差有关， 与电解液温度变化无关， 消除了温度对待侧信号的影响， 能 实现蓄电池容量的准确测量。 0028 实验结果及理论分析表明 ： 该方法可用于在线测量铅酸蓄电池剩余容量， 传感器 的设计原理和方法均具有一定的普遍意义。 该传感器对。
42、铅酸蓄电池的开发和广泛运用具有 一定的推动作用。 0029 最后说明的是， 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明， 本领域的普通技术人员应当理解， 可以对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换， 而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围， 其均应涵盖在本 发明的权利要求范围当中。 说 明 书 CN 101963654 A CN 101963655 A1/4 页 14 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 101963654 A CN 101963655 A2/4 页 15 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 101963654 A CN 101963655 A3/4 页 16 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 101963654 A CN 101963655 A4/4 页 17 图 8 图 9 说 明 书 附 图 CN 101963654 A 。