1前言

经过多年的发展与建设，储能电池被广泛应用于储能电站、军事和航天设备等重要领域，作为众多场合中提供用电、储能的重要装置，其能否正常运作将直接影响整套系统以及设备的安全运行。储能电池长期运作时将不断的产生热量，而储能电池的使用寿命和安全性受温度等条件的影响较大，长期处于不适条件下将严重影响储能电池的性能、使用寿命和安全性。因储能电池监测不当所引发的火灾、爆炸等安全问题愈发严重，不仅带来了恶劣的影响和严重的损失，且极大地影响了经济的可持续性发展，储能电池的安全检测问题已成为影响人们生命安全和经济发展的关键点之一，已引起国家的高度重视，为防止安全问题所带来的不必要损失，必须准确的监测储能电池的健康状态。储能电池安全检测技术是保证储能电池使用寿命和使用安全的重要前提，本文结合储能电池安全检测的需求，对储能电池电解液进行多参数的研究，设计了一种能实时准确测量电解液变化情况的全光纤在线检测系统。

2基于光纤传感方法的电池温度监测

温度是影响电池安全性和可靠性的最重要的因素。目前，光纤传感技术在电池温度传感方面得到了广泛应用，其中最普遍的是光纤布拉格光栅（FBG）传感器，此外，光纤光致发光传感器、DFOS也已开始尝试应用于电池温度传感。

2.1光纤布拉格光栅传感器

FBG传感器制造简单，反射信号强，是应用最广泛的光纤传感技术之一。FBG是通过沿纵向对光纤纤芯的折射率进行周期性调制而制成的：通过光敏效应将折射率光栅刻写进光纤中，由于紫外线辐射，光纤的折射率发生永久性变化；当在光纤中传播的入射光与界面不连续的背散射光发生干涉时，会形成驻波图案。当光在光栅结构内部传播时，部分波长光从每个光栅平面反射回来。除了温度变化会引起FBG传感器中反射光谱的偏移之外，外部应变等也能导致反射波长的峰值偏移，这导致实际应用时FBG传感器的校准较为困难。开发了一种集成数据驱动的校准模型。该模型包括线性部分和非线性补偿部分，实验结果证实，该方法可以在线进行FBG传感器温度校准，并且重复测量得到准确的温度数据，使FBG传感器更适合于实际应用。

2.2光纤光致发光传感器

光纤光致发光传感器可以建立电池特性和光学参量之间的关系，其中光学参量包括荧光强度、荧光寿命和荧光强度比（FIR）等，目前已有研究将其用于监测电池内部温度和产气。当发光物质的电子被激发光激发时，电子吸收光子的能量发生跃迁，随后释放出能量，重新跃迁回基态，此过程中发射的电磁辐射称为荧光和磷光。与吸光度相比，荧光光谱法具有更高的灵敏度，荧光团与各种分析物相互作用更加灵活。

2.3分布式光纤传感器

分布式光纤传感器（DFOS）也称为光纤散射传感器，其原理主要基于光纤中的瑞利、布里渊和拉曼散射效应，当局部温度、湿度、应变等发生变化时，光纤中的散射信号频移。DFOS的两种主要技术是光时域反射计（OTDR）和光频域反射计（OFDR）。在OTDR中，一系列的光脉冲被耦合到被测光纤，被测光纤中产生的反向散射光脉冲通过环行器或分离器被光电二极管检测。将信号波形转换为成数字格式并在数据采集设备中进行分析。数据采集设备与光脉冲源同步，可以精确计算出后向散射信号的传播时间，从而准确定位沿光纤的后向散射发生的位置。与OTDR相比，OFDR在短距离监测的情况下具有更高的分辨率和较大的动态范围。在OFDR中，光源为频率随时间线性扫描的连续波光源，线性扫描信号被分成传感信号和参考信号。探测信号通过被测光纤发送，将被测光纤反向散射的光与参考信号进行相干检测。增加频率扫描范围可以显著提高OFDR的空间分辨率，但是其传感长度受光源的相干长度和沿光纤的偏振变化状态的限制。

3基于光纤FP传感器的储能电池电解液浓度监测

实验研究由于电解液中的水份在循环或储存一段时间之后，以结晶水、被范德华力束缚、被氢键等力所束缚，而不能参与电化学反应(即升高了电解液的浓度)，导致电化学过程中离子传导困难，内阻升高，充电电位升高，放电电位下降，最终导致电解液中硫酸浓度降低。

3.1光纤FP腔传感器探头设计与封装

在3cm的U型毛细石英玻璃管内，左右两端各放置一根单模光纤，并在光纤反射端面镀一层高反射膜，构成了开放式FP腔的两个反射端面，通过控制两端面的距离可制作不同腔长的FP腔传感器。利用一段长为3cm、内径为600um、外径为3mm的U形石英玻璃管作为封装固定基座，左、右两端各放置一根标准单模光纤，作为反射的光纤在端面镀一层高反射膜，构成了开放式FP腔的末端反射端面。制作过程中利用光谱仪实时监测光纤FP腔的反射谱，利用三维微位移平台调整光纤端面位于U形管中心，调整两段光纤至最佳相对位置（损耗最小/反射谱最强），控制两端面的不同距离即可制作不同腔长的FP腔，以便获得适合监测的FP传感光谱。调整到理想状态后，在毛细管端口上涂覆光学胶并使其填充进光纤和毛细管之间的部分缝隙，可使用紫外光对光学胶进行固化处理，待完全固化后撤去三维位移平台，即可获得稳定的FP腔传感器。

3.2光纤FP腔解调系统

由半导体激光器、光电转换器、高性能采集模和控制电路FPGA构成，最多可支持16个传感器同时监测，且各个通道解调速度可达2kHz。解调模块采用半导体激光器为输出光源，扫描频率范围为190920GHz-196250GHz，即光谱范围为1528.66nm-1571.354nm，光谱带宽范围约为43nm；通过光电转换器和采集模块，能够将光信号转换成电信号，并对电信号进行处理，以提高数据的质量，可编程FPGA模块控制激光器和光电转换器的工作及数字信号的采集和传输。

3.3硫酸温度测量实验研究

将自来水灌满恒温水槽，使得水槽中的水可以在加热过程中更好的循环，后将装有浓度为20%的硫酸溶液的烧杯放置其中，放在室温环境中静置一段时间，使烧杯中的溶液与室温一致时，对制作的温度传感器进行标定，在30℃到80℃之间，每隔10℃记录一次温度，先进行升温标定，再进行降温标定，每个测试点都待温度稳定后恒温静置10min，以确保其测量数据的精确度。

结束语

随着电池储能技术的迅速发展，储能电池应用日益广泛，高效、经济的电池传感系统的开发至关重要。与传统的电池传感技术相比，光纤传感技术以其独特的优势，近些年得到了迅速的发展。但是，目前针对电池内各项参数监测的相关光纤传感技术研究仍局限于实验室，其实际应用仍面临挑战。

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