【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及纤传感器领域以及电池原位检测领域，尤其设计一种基于空间光通讯的微纳光纤锂电池原位检测装置与方法。
技术介绍
1、锂电池因其高能量密度、长使用寿命和高功率密度等优势，得到了快速发展。而电池的热失控问题较为严重，这是锂电池内部一系列复杂的“链式副反应”，引起电池内部温度快速提升引发起火爆炸。常规的电池检测手段包括如电池阻抗检测、气体测试、bms、热失控试验机等，均通过给电池施加测试条件，分析待测参数来评估电池的健康寿命，这些测试方法保证了测量准确性，但无法对处于工作状态的电池进行实时检测，不利于监测与预防电池内部的热失控问题。目前，光纤传感的广泛应用为锂电池的原位检测提供一种解决方案，植入式光纤传感器作为电池检测的一种新兴技术，具有高灵敏度、抗电磁干扰、寿命稳定等显著优势，使得其在高压高温或易燃易爆等恶劣环境中使用，这在传统的电池检测设备中是难以实现的。
2、光纤传感器的尺寸小、形状灵活，适合大规模生产的标准制造技术，且可以实现一根光纤在电池的多个位置同时监测温度、压力和离子浓度多种关键参数。可见，植入式光纤传感器在电池原位检测领域的研究较为火热，但光纤传感器的尾纤传输连接又限制了其应用范畴，相对应的，非接触式检测成为了更优的解决手段。因此，探索一种非接触式的光纤电池原位检测设备对锂电池的发展具有重要意义。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是解决锂电池在非接触式光纤原位检测技术中的需求，提供一种基于空间光通讯的微纳光纤锂电池原位检测装置与方法，通过将mf-t
2、本专利技术所采取的技术方案：一种基于空间光通讯的微纳光纤锂电池原位检测装置，其特点是包括：锂电池、mf-tfg光纤探针、光通讯窗口、电池检测箱、信号终端；所述mf-tfg光纤探针结构涵盖：微纳光纤、45°倾斜光纤光栅、材料纳米薄膜以及金属反射膜，其中微纳光纤端固定在锂电池内金属阳极与电解质交界处，45°倾斜光纤光栅固定在锂电池封装外壳中，且将栅区对准光通讯窗口位置；所述电池检测箱中包含：电池夹具、宽带光源、单模光纤跳线、光准直器、分光镜、柱透镜、第一凸透镜、第二凸透镜、ccd探测器，两个凸透镜与ccd探测器共轴摆放且轴向与光纤准直器辐射方向相垂直，分光镜置于两光路垂心位置并固定其板面法线与两路角分线重合；
3、进一步的，所述微纳光纤锂电池原位检测方案是：用电池夹具固定锂电池，使光通讯窗口与柱透镜边框对齐，由电池检测箱中的宽带光源产生宽带光信号，偏振控制器将其转换为s偏振光，由光纤准直器准直后经过分光镜一侧透射至柱透镜，随后在电池检测箱外通过光通讯窗口被45°倾斜光纤光栅捕获，s偏振光耦合进光纤探针并传输至微纳光纤区，金属膜将传感信号反射，由45°倾斜光纤光栅分离出s偏振光信号并将其根据波长以不同角度辐射，经光通讯窗口、柱透镜准直、从分光镜的另一侧以90°倾角反射至第一凸透镜与第二凸透镜，二者将传感光信号塑形聚焦并由ccd探测器接收，ccd将光信号的光谱信息传输至信号终端，实现锂电池内部的非接触式原位检测。
4、进一步的，所述宽带光源采用c+l波段ase宽带光源，中心波长为1550nm。
5、进一步的，所述电池检测箱中，空间光传播轨迹在分束器的作用下呈现倒“t”形；传感光在45°倾斜光纤光栅的散射作用下形成一系列散射角度不同的光束，透过柱透镜使光束在横向准直，使各波长光束处在同一平面中，由分束器反射改变光束传播轨迹角度并对准凸透镜组，光束经过第一凸透镜进行准直，使得所有光束透过时保持平行，再经过第二凸透镜将光束塑形聚焦形成光斑。
6、进一步的，所述ccd探测器像素小于10μm，且可检测波长范围包含在宽带光源所发出的光信号波长范围中。
7、进一步的，所述微纳光纤锂电池原位检测具有便捷、随时检测的特点，无需将待测锂电池与电池检测箱进行复杂连接，仅通过电池夹具固定即可进行电池原位检测，且可通过调整夹具间距来适配于多种尺寸类型的锂电池，这满足了电池原位检测装置的多样性。
8、本专利技术相对于现有技术具有如下的有益效果：
9、1、本专利技术采用的微纳光纤级联45°倾斜光纤光栅作为光纤探针，集成度高且可同时检测温度、压力以及锂离子浓度多种参量，可降低传感器制造成本。
10、2、本专利技术的设计方法将光信号通过空间光通信与电池内部传感器进行接口，打破了光纤物理接触的需要，扩展了依赖于较长尾纤的光纤传感应用。
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1.一种基于空间光通讯的微纳光纤锂电池原位检测装置与方法，其特征在于：所述微纳光纤锂电池原位检测装置中包含：锂电池(1)、MF-TFG光纤探针(2)、光通讯窗口(3)、电池检测箱(4)、信号终端(5)；
2.根据权利要求1所述的一种基于空间光通讯的微纳光纤锂电池原位检测装置，其特征在于：所述MF-TFG光纤探针(2)由一根标准单模光纤制成，首先通过飞秒激光在光纤一端加工刻写45°倾斜光纤光栅(2-2)，调控栅距使其透射光谱中基模干涉损耗峰位于1550nm波长位置，其次将光纤另一端去除涂覆层用熔融拉锥法制备出直径为8μm的微纳光纤(2-1)，最终利用磁控溅射设备在微纳光纤(2-1)端面镀一层银金属反射膜(2-4)，更改光信号传播方向构成反射式探针；所述微纳光纤(2-1)因直径小发生光泄漏，从而在光纤表面激发大比例倏逝场，导致光纤中的传输模式受背景折射率调控，微纳光纤(2-1)的微纳区表面覆盖一层锂离子敏感的材料纳米薄膜(2-3)，材料折射率因吸附锂离子浓度差异而改变，进而增强MF-TFG光纤探针(2)对锂离子浓度的灵敏度；所述材料纳米薄膜(2-3)为冠醚功能化氧化石墨烯
3.根据权利要求1所述的一种基于空间光通讯的微纳光纤锂电池原位检测装置，其特征在于：所述宽带光源(4-2)为C+L波段ASE宽带光源，输出光谱中心波长为1550nm，带宽范围100nm，涵盖微纳光纤(2-1)反射光谱密集干涉区域波长范围。
4.一种基于空间光通讯的微纳光纤锂电池原位检测方法，该方法用于根据权利要求1所述的一种基于空间光通讯的微纳光纤锂电池原位检测装置，其特征在于：所述实现对锂电池(1)内部进行原位检测，具体是通过CCD探测器(4-9)所接收的光谱中所呈现出包层模间干涉的波长漂移变化，作为锂电池(1)内部温度、压力以及锂离子浓度传感的判定依据，光谱信息通过信号终端(5)进行参量解调与呈现。
5.根据权利要求5所述的一种基于空间光通讯的微纳光纤锂电池原位检测方法，其特征在于：所述对锂电池(1)内部进行温度、压力以及锂离子浓度传感，具体是通过各参量作用在微纳光纤(2-1)与45°倾斜光纤光栅(2-2)上，因位置与功能的差异，诱导光纤中传输模式的变化引发光谱漂移进行传感，特别关注微纳光纤(2-1)的包层模、45°倾斜光纤光栅(2-2)的芯模与包层截止模所对应波长的迁移；其中，锂离子浓度影响所述包层模；压力形变对处在锂电池(1)内部中央的微纳光纤(2-1)带来的影响可忽略，但会对在锂电池(1)封装外壳中的45°倾斜光纤光栅(2-2)挤压产生形变，影响所述的芯模与包层截止模；温度同时影响所述包层模、芯模与包层截止模。
6.根据权利要求5所述的一种基于空间光通讯的微纳光纤锂电池原位检测方法，其特征在于：所述锂电池(1)原位检测方法，是将植入MF-TFG光纤探针(2)的锂电池(1)通过电池夹具(4-1)固定，使光通讯窗口(3)与柱透镜(4-6)轮廓严格对准，避免因缝隙产生传感光信号的干扰，实现光信号的空间通讯传输。
...【技术特征摘要】
1.一种基于空间光通讯的微纳光纤锂电池原位检测装置与方法，其特征在于：所述微纳光纤锂电池原位检测装置中包含：锂电池(1)、mf-tfg光纤探针(2)、光通讯窗口(3)、电池检测箱(4)、信号终端(5)；
2.根据权利要求1所述的一种基于空间光通讯的微纳光纤锂电池原位检测装置，其特征在于：所述mf-tfg光纤探针(2)由一根标准单模光纤制成，首先通过飞秒激光在光纤一端加工刻写45°倾斜光纤光栅(2-2)，调控栅距使其透射光谱中基模干涉损耗峰位于1550nm波长位置，其次将光纤另一端去除涂覆层用熔融拉锥法制备出直径为8μm的微纳光纤(2-1)，最终利用磁控溅射设备在微纳光纤(2-1)端面镀一层银金属反射膜(2-4)，更改光信号传播方向构成反射式探针；所述微纳光纤(2-1)因直径小发生光泄漏，从而在光纤表面激发大比例倏逝场，导致光纤中的传输模式受背景折射率调控，微纳光纤(2-1)的微纳区表面覆盖一层锂离子敏感的材料纳米薄膜(2-3)，材料折射率因吸附锂离子浓度差异而改变，进而增强mf-tfg光纤探针(2)对锂离子浓度的灵敏度；所述材料纳米薄膜(2-3)为冠醚功能化氧化石墨烯复合壳聚糖结合聚氯乙醇(go-ce-cs-pva)的纳米纤维膜。
3.根据权利要求1所述的一种基于空间光通讯的微纳光纤锂电池原位检测装置，其特征在于：所述宽带光源(4-2)为c+l波段ase宽带光源，输出光谱中心波长为1550nm，带宽范围100nm，涵盖微纳光纤(2-1)反射光谱密集干涉区域波长范围。
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【专利技术属性】
技术研发人员：冯月，穆罕默德，吴昊东，王思彤，郝文博，刘驰，刘欣，沈涛，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：
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