光纤布拉格传感器及用于监测锂离子电池热失控的系统

技术领域

本发明涉及光纤布拉格传感器技术领域，特别涉及光纤布拉格传感器及用于监测锂离子电池热失控的系统。

背景技术

在火灾发生前或者发生时可能会产生一些气体，这些气体可以作为引发火灾或者已经发生火灾的判断依据。现有火灾气体检测技术正是通过监测或检测引发火灾或爆炸风险的气体来判断火灾是否会发生的技术手段，旨在及早发现隐患，以便采取适当的措施来保护生命和财产。例如：锂离子电池在充放电过程中会存在放热，容易引发热失控行为，在热失控的过程中会产生氢气、一氧化碳、二氧化碳等气体，通过监测这些气体，可判断锂离子电池的状态，进而避免火灾的发生。在模拟锂离子电池热失控的状态时发现：CO

现有火灾气体检测技术包括：离子化烟雾探测器、光电式烟雾探测器、一氧化碳(CO)探测器、可燃气体探测器、火焰探测器、热成像摄像头等，广泛应用于一些火灾易发生现场。但是，这些火灾气体检测技术存在针对性差，容易出现假警报和误报的情况；存在灵敏度不足，反应时间长，导致浓度较高时仍未报警，可能会延误采取紧急措施的时机的缺陷；以及尺寸大，维护成本高，适应性差，对环境要求高等缺陷。

而光纤光栅布拉格传感器是一种新型的气体检测手段，其利用光栅的布拉格反射原理及气体的吸收特性会影响光纤光栅的光谱特性，因此，当目标气体存在时，它会吸收特定波长的光，从而导致光纤光栅的布拉格反射波长发生变化，因此，通过测量光栅的反射光谱可以分析光栅周围环境中气体的吸收特性，进而确定目标气体的存在和浓度。光纤光栅布拉格传感器相较于主流的烟雾探测器、可燃气体探测器、有毒气体探测器等，具有高灵敏度、高分辨率、实时监测、多气体同时检测、非侵入性、远程监测等特点。

公开号为CN116337787A的中国发明专利申请公开了一种光纤光栅传感器和锂离子电池内部氢气监测系统，通过设置的光纤布拉格光栅获取锂离子电池内部氢气含量的变化，进而保证锂离子电池的安全性。但是该申请还存在以下缺陷：(1)只能对氢气这一种气体进行检测；(2)用于检测氢气的光纤布拉格光栅是以钯合金作为气敏材料，然而，钯膜容易受到晶格膨胀引起的开裂、气泡、分层等脆化损伤，使得其稳定性和灵敏度受到影响。

针对钯膜易因膨胀导致的脆性损伤的问题，现有技术公开了一种基于Pt-WO

可见，现有技术还有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种光纤布拉格传感器及用于监测锂离子电池热失控的系统，旨在解决现有监测锂离子电池热失控的光纤布拉格传感器灵敏度及稳定性差的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

本发明第一方面公开了一种光纤布拉格传感器，其中，包括光纤芯体及第一支柱元件和第二支柱元件，所述第一支柱元件外涂覆有Pt-WO

所述的光纤布拉格传感器中，用于制备Pt-WO

步骤S01.通过3D打印机制备打印同轴夹具及中空管，3D打印所采用的材料为PVA水溶性材料；

步骤S02.将第一支柱元件与同轴夹具、中空管进行限位固定；

步骤S03.在第一支柱元件与中空管之间的空隙中注入Pt-WO

步骤S04.通过蒸发去除Pt-WO

步骤S05.将同轴夹具、中空管及第一支柱元件置于清水中，待同轴夹具、中空管溶解后，得到涂覆有Pt-WO

所述的光纤布拉格传感器中，所述Pt-WO

所述的光纤布拉格传感器中，所述Pt-WO

所述的光纤布拉格传感器中，所述Pt-WO

所述的光纤布拉格传感器中，所述Pt-WO

取二水合钨酸钠和酒石酸溶于去离子水中，搅拌混匀；加入盐酸使溶液的pH值为1，继续搅拌直至钨酸沉淀完全；取二水合草酸加入混合液中，搅拌，得钨酸母液；将钨酸母液置于反应釜中，并进行水热反应；反应结束后冷却，离心分离并洗涤固体颗粒，干燥后得WO

所述的光纤布拉格传感器中，所述二水合钨酸钠与酒石酸的质量比为1.5:1。

所述的光纤布拉格传感器中，所述二水合草酸与二水合钨酸钠的质量比为4:3～3.5。

所述的光纤布拉格传感器中，所述水热反应的温度为130～160℃，时间为12～24h；所述烧结温度为300～350℃，烧结时间为2～3h。

本发明第二方面公开了一种用于监测锂离子电池热失控的系统，其中，包括计算机、解调仪及如上所述的光纤布拉格传感器，所述光纤布拉格传感器置于锂离子电池内部上方，用于获取锂离子电池内部氢气及二氧化碳的浓度。

有益效果：

本发明提供了一种光纤布拉格传感器及用于监测锂离子电池热失控的系统，所述光纤布拉格传感器通过设置表面涂覆有Pt-WO

附图说明

图1为本发明提供的光纤芯体、支柱元件、同轴夹具及中空管的结构示意图。

图2为光纤芯体、支柱元件与同轴夹具及中空管限位固定时的结构示意图。

附图中标注：1-光纤芯体，2-支柱元件，3-同轴夹具，4-中空管。

具体实施方式

本发明提供一种光纤布拉格传感器及用于监测锂离子电池热失控的系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明较佳实施例提供的一种光纤布拉格传感器(FBG)，该FBG包括光纤芯体及第一支柱元件和第二支柱元件，所述第一支柱元件外涂覆有Pt-WO

其中，所述Pt-WO

所述聚醚砜膜中为对二氧化碳气体具有良好气敏性的高分子材料，其在二氧化碳气氛中会发生膨胀并带动光纤栅区伸长，进而引起中心波长漂移，并且该中心波长漂移量与二氧化碳气体的浓度具有较好的线性关系，因此，根据中心波长漂移量即可获取二氧化碳气体的浓度。

因此，在本实施例中，通过设置表面涂覆有Pt-WO

现有技术中，气敏膜通常通过提拉法或静置加热法涂覆于支柱元件上，由于受重力的影响，导致气敏膜的厚度难以均一，最终影响光纤布拉格传感器的稳定性。对此，在本实施例中，所述Pt-WO

具体的，如图1所示，所述模具包括同轴夹具3和中空管4。其中，所述中空管4为中空的管状结构，其内径大于支柱元件2的外径，其长度大于支柱元件2的长度，当支柱元件2穿设于中空管4中时，支柱元件2与中空管4内壁之间形成有环形的间隙，该间隙的距离可根据待涂覆的膜层厚度设置。所述同轴夹具3设有用于光纤芯体1穿设的中心通孔和用于卡接中空管的环形卡槽，其用于封闭中空管4的其中一端，并可固定光纤芯体1和支柱元件2。使用时，将支柱元件2穿入中空管4中，支柱元件2其中一端的光纤芯体1穿过中心通孔，然后将中空管4的端部与环形卡槽卡接，使中空管4其中一端封闭，如图2所示，中空管的另一端用于注入含气敏材料的溶液。

基于上述模具，所述用于制备Pt-WO

步骤S01.通过3D打印机制备打印同轴夹具及中空管，3D打印所采用的材料为PVA水溶性材料；

步骤S02.将第一支柱元件与同轴夹具、中空管进行限位固定，使中空管与同轴夹具相对的一端朝上放置；

步骤S03.在第一支柱元件与中空管之间的空隙中注入Pt-WO

步骤S04.通过蒸发去除Pt-WO

步骤S05.将同轴夹具、中空管及第一支柱元件置于清水中，待同轴夹具、中空管溶解后，得到涂覆有Pt-WO

通过上述用于制备Pt-WO

上述用于制备Pt-WO

上述用于制备Pt-WO

在上述用于制备Pt-WO

上述用于制备Pt-WO

此外，由于Pt-WO

取二水合钨酸钠和酒石酸溶于去离子水中，搅拌混匀；加入盐酸使溶液的pH值为1，继续搅拌直至钨酸沉淀完全，所述盐酸的浓度为3～6mol/L；取二水合草酸加入混合液中，搅拌，直至混合液变得澄清，得钨酸母液；将钨酸母液置于反应釜中，并进行水热反应，水热反应的温度为130～160℃，反应时间为12～24h；反应结束后冷却，离心分离并用去离子水洗涤固体颗粒，干燥后得WO

在上述Pt-WO

上述Pt-WO

需要说明的是，在烧结乙酰丙酮铂和WO

当完成在第一支柱元件上涂覆Pt-WO

上述光纤布拉格传感器，通过在光纤芯体上设置对氢气敏感的第一支柱元件和对二氧化碳气体敏感的第二支柱元件，利用中心波长的偏移与气体的浓度呈线性变化的特点，进而实现对氢气和二氧化碳浓度的检测。通过设置中空管和同轴夹具，可实现在第一支柱元件上均匀的涂覆Pt-WO

本发明第二方面还公开了一种用于监测锂离子电池热失控的系统，该系统包括计算机、解调仪及光纤布拉格传感器，该光纤布拉格传感器为如上所述的传感器，其设置于锂离子电池内部上方，用于监测锂离子电池内部氢气及二氧化碳的浓度，并通过监测锂离子电池内部氢气或二氧化碳的浓度，形成不同的光学信号，所述解调仪用于接收光纤布拉格传感器的光学信号并进行数据处理，然后将处理后的数据信息传送给计算机，所述计算机根据数据信息进行分析、比对，并根据比对的结果进行判断锂离子电池是否处于热失控状态，根据判断的结果提前作出预警提示，以便于提前采取措施，避免造成损失。

需要说明的是，由于计算机、解调仪均为现有技术，在此不做详细介绍。

为进一步的阐述本发明提供的一种光纤布拉格传感器，提供如下实施例。

实施例1

一种光纤布拉格传感器，包括光纤芯体和设置于光纤芯体上的第一支柱元件和第二支柱元件，所述第一支柱元件表面涂覆有厚度为10μm的Pt-WO

所述Pt-WO

将实施例1所述光纤布拉格传感器用于氢气和二氧化碳气体的检测，具体检测结果如下：在4％的氢气浓度下，布拉格光栅的中心波长漂移了356pm，响应时间和恢复时间均为57s，重复敏感性能良好；在45％的CO

实施例2

一种光纤布拉格传感器，其结构和制备方法均与实施例1基本相同，区别在于：(1)Pt-WO

将实施例2所述光纤布拉格传感器用于氢气和二氧化碳气体的检测，具体检测结果如下：在4％的氢气浓度下，布拉格光栅的中心波长漂移了330pm，响应时间为60s，恢复时间为62；在45％的CO

实施例3

一种光纤布拉格传感器，其结构与实施例1基本相同，区别在于：(1)Pt-WO

将实施例3所述光纤布拉格传感器用于氢气和二氧化碳气体的检测，具体检测结果如下：在4％的氢气浓度下，布拉格光栅的中心波长漂移了337pm，响应时间为59s，恢复时间为61；在45％的CO

对比例1

一种光纤布拉格传感器，其结构与实施例1基本相同，且Pt-WO

对比例1所述光纤布拉格传感器对氢气及二氧化碳气体的检测结果如下：在4％的氢气浓度下，布拉格光栅的中心波长漂移了171pm，响应时间为71s，恢复时间为65；在45％的CO

对比例2

一种光纤布拉格传感器，其结构与实施例1基本相同，制备方法也基本相同，区别在于：所述Pt-WO

对比例2所述光纤布拉格传感器对氢气及二氧化碳气体的检测结果如下：在4％的氢气浓度下，布拉格光栅的中心波长漂移了352pm，重复试验大于120次时，所述Pt-WO

对比例3

一种光纤布拉格传感器，其结构与实施例1基本相同，制备方法也基本相同，区别在于：所述Pt-WO

对比例3所述光纤布拉格传感器对氢气及二氧化碳气体的检测结果如下：在4％的氢气浓度下，布拉格光栅的中心波长漂移了204pm，响应时间为86s，恢复时间为54s；在45％的CO

由上述实施例1-3可知，本发明所述光纤布拉格传感器对氢气和二氧化碳具有较好的气敏性，特别是对氢气，灵敏度高，响应和恢复时间均较短，可及时获取锂离子电池内部氢气的含量，进而对锂离子电池内部热失控具有较好的预判作用。

而对比例1所述光纤布拉格传感器，由于采用提拉法制备Pt-WO

对比例2中Pt-WO

对比例3中Pt-WO

在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施方式的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。