课程文献中心 更多>>

关键词： 电池监测   光纤光栅   表面等离子体共振   荷电状态   多参量测量  

摘要： 尽管锂离子电池、固态电池等新型电池迅速发展,但在电动设备、舰船用储能装置和一些大型储能电站中,铅酸电由于高安全性的特点,依然是不可替代的。铅酸电池的电池管理是非常重要的,可以确保电池内的能量安全和最佳使用效果。近年来发展的光纤电池健康监测方法中,实现了一些电池内外各项参数的测量,促进了电池健康监测技术的发展。然而,目前文献报道主要针对锂电池等新型电池的光纤检测技术,很少有人针对铅酸电池进行实时多参量监测。铅酸电池管理目前还主要依靠传统的电压、电流等监测手段,这些技术不能实时显示电池充放电信息,也会导致过度设计和容量使用效率低下的问题。 本文对面向电池安全监测重要应用的光纤传感器进行研究,重点研究嵌入型光纤传感器对铅酸蓄电池的原位监测技术。针对传统的电池电动势、荷电状态等检测方法无法实现准确的在线测量的问题,将离子浓度与电池电动势联系起来,并实现了在电池的工作过程中对电池内部的电解液折射率与温度的双参量测量,为电池的质量检测和可靠性评估提供了新的技术手段。本研究首先通过光纤表面等离子体共振(surface plasma resonance,SPR)传感器对实验室搭建的储能装置进行测试,验证光纤传感器对电池检测的可行性。通过将光纤植入电极附近,在充放电过程中,实时监测电解液离子在电极表面的吸附和解吸附过程,所使用的传感器对电解液折射率表现出良好的灵敏度,能够用于在线测量中提供准确的电池工作状态信息和荷电状态(State of Charge,SOC)信息。在此研究基础上,发展了基于光纤光栅传感测量铅酸电池电池电动势与SOC的新方法,搭建基于光纤传感的铅酸电池原位监测系统,并使用光纤光栅结合SPR技术,制作折射率与温度双参量敏感的传感器。 针对光纤SOC检测方法无法利用现有的电动势故障诊断模型问题,研究原位式倾斜光纤光栅(Tilted Fiber Bragg grating,TFBG)电荷监测技术,实时获取电池工作状态下的电解质信息,实现电池电动势的准确在线测量。通过光谱信号表征电动势,在时间尺度上建立了电动势与SOC之间的关系。此外提出了积分数据处理方法,以整个光谱的面积作为监测信号,对所有光谱的波长强度进行积分处理,所测量的电动势灵敏度达到1.16×10～5(nm·d Bm)/V。通过倾斜光纤光栅传感器实现了铅酸电池内部温度、电动势和荷电状态等信息的实时监测,动态反映铅酸电池的充放电特性。在光纤内部折射率变化与电池电动势之间建立桥梁,为光纤电池监测提供了新的电动势故障诊断手段。

关键词： 透射式光纤传感   结冰监测   粘附强度   风电叶片   高分子电热膜  

摘要： 中国75%的风机安装在拥有较高风力资源的高纬度和高山地区,在湿冷的冬季极易结冰,粘附力强的坚冰通常难以自动掉落而累积,导致叶片过载折断或脱落后高空坠冰,产生安全隐患。虽然许多新型风机都设计了自动的除冰系统,但野外高空中如何及时准确获取结冰与否和冰的粘附性能,为优化除冰系统控制策略提供科学依据,仍是一项具有挑战性的任务。针对上述问题,本文提出一种透射式光纤结冰探测传感器,研究传感器的透射光功率与结冰工况的映射关系,对叶片用复合材料表面冰粘附力进行表征,研究结果对结冰早期预警、降低风机效率损失和风机运行风险,有着重要实际应用价值和社会经济价值。论文主要内容包括: 首先,介绍结冰粘附强度表征及测试方法,综述表面结冰粘附特性和当前结冰探测技术研究现状,分析光纤传感器用于叶片结冰探测的优势与存在的问题。 其次,提出了一种透射式光纤结冰探测传感器,阐述其工作原理;基于风电叶片表面气动性和材料力学性能匹配性原则设计透射式光纤结冰探测传感器,研究传感器制作工艺,并制备透射式光纤结冰探测传感器;通过透射式光纤传感器的结冰探测实验,分析其光功率特性、灵敏度及其抗干扰性能,建立传感器光功率与结冰状态的映射关系,研究空气、液态水、积冰介质对透射式光纤传感器光功率的影响。 接着,研究玻璃纤维复合材料(Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP)基底表面结冰粘附特性。设计并搭建一套结冰粘附力测试装置,制备有疏水涂层和无涂层的GFRP基底在典型工况下的结冰样件,分别测试其粘附力,重点研究结冰时长、环境温度和基底表面浸润性三个参数对GFRP表面结冰粘附强度的影响。 最后,搭建基于高分子电热膜加热的结冰-除冰实验系统,研究GFRP表面结冰粘附强度对热除冰效率、热功耗的影响;基于自行研制的透射式光纤结冰探测传感器,监测热除冰过程中不同结-融冰状态下传感器的输出光功率,分析动态光功率信号特性,验证通过传感器的光信号特征对除冰过程中粘附界面结冰状态表征的可行性和工程应用可靠性。

关键词： 光纤电压传感器   非互易相移   测量方法   误差补偿方法   光强扰动  

摘要： 反射式光纤电压传感器(Reflective Fiber Optic Voltage Sensor)作为电力系统中一种先进的电压检测技术,其拥有优秀的绝缘性能和安全性能,且具有体积小、抗电磁干扰能力强、能够实现电压的在线监测等诸多优点,符合未来电力系统信息化发展趋势。然而,目前对于提高其环境适应能力的研究还存在不足,导致其至今仍未走向实用化,尤其是解决非互易相移和光强扰动问题方面缺乏相关研究。因此,本文针对这两个关键问题,提出并研究了非互易相移的测量方法、抑制光强扰动的相位解调方法以及非互易相移误差补偿方法。为加快光纤电压传感器的实用化提供了新思路。 本文以提升反射式光纤电压传感器的环境适应性为目标,针对其存在的非互易相移和光强扰动两大问题展开以下研究:首先根据课题组的前期研究基础,推导出了非理想条件下的系统输出模型,并构建了光路系统的动态仿真模型。深入分析了非互易相移和光强扰动对系统性能的影响,总结了其特性,为后续的研究提供了理论基础。随后,针对非互易相移问题,提出了一种利用光谱中相邻谷值功率处的波长及波长间隔来测量系统非互易相移的方法,结果表明根据非互易相移测量结果绘制的仿真光谱与传感器实际光谱波谷位置的波长差仅为0.07nm和0.17nm。此外,在30℃至35℃的实验温度下非互易相移与温度之间的线性系数达到了0.9988,基本呈线性关系。在解决光强扰动问题上,本文基于相位载波技术并采用复合控制的方式设计了一种抑制光强扰动的相位解调方法,仿真结果表明其解调误差仅为0.077%。该方法可以解决光强扰动带来的测量误差,提升了系统的环境适应能力。最后,为解决非互易相移误差问题,提出了基于修正值和傅里叶变换的误差补偿方法,结果表明在30℃至35℃的实验温度下,修正值补偿法可以将误差降低至原来的1/45。而综合使用这两种方法理论上能够将非互易相移误差减小至±0.2%以内。 本研究为反射式光纤电压传感器中非互易相移难以测量的问题提供了新的理论依据和分析方法,同时也针对光强扰动问题和非互易相移补偿方法进行了研究,为增强反射式光纤电压传感器的环境适应能力提供了可靠的理论,从而推动其实用化进程。