一种用于超级电容器电导率的检测方法

1.本发明涉及电导率检测技术领域，具体涉及一种用于超级电容器电导率的检测方法。


背景技术：

2.超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，它既具有电容器快速充放电的特性、又具有电池的储能特性；与蓄电池和传统电容器相比，超级电容器的特点主要体现在：功率密度高、循环寿命长、工作温限宽、无需维护、绿色环保等。可见，超级电容器在能源、汽车、医疗卫生、电子、军事等领域具有十分广泛的应用前景。超级电容器的性能与其电极材料的电导率息息相关，其电导率大小决定了超级电容器的充放电性能，因此，在研制与生产过程中，对超级电容器电导率的检测是至关重要且不可缺少的环节。
3.目前，超级电容器电极材料的电导率检测方法主要为四探针法和感应式热声检测法两种。其中，四探针法为接触式，接触式测试极易造成电容器内部材料的破坏、检测报废率高，且四探针法要求检测的目标体形状为圆形或矩形、检测适用对象范围窄；相比于接触式检测法，作为非接触式的感应式热声检测法不会与电极材料接触、不会造成材料损伤，同时对于检测材料的形状没有限定、适用对象广；然而，感应式热声检测法需求的交变磁场大、耗能高、检测成本高，且感应式热声检测法系统庞大、不便于携带、占地空间大，后期保养、维护困难，工业化、连续性检测操作复杂。


技术实现要素：

4.针对以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于超级电容器电导率的检测方法，该方法能够实现非接触式检测超级电容器电极材料的电导率，且该方法需求的脉冲磁场强度低、测试简便。
5.本发明的另一个目的在于提供一种实现上述用于超级电容器电导率的检测方法所采用的系统。
6.本发明的目的通过以下技术方案实现：
7.一种用于超级电容器电导率的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
8.首先，将超级电容器的待检测电极材料放置在脉冲激励源线圈与磁铁之间，通过脉冲激励源激励待检测电极材料产生涡流、并通过磁铁的静磁场将涡流转换为洛伦兹力；然后，在超级电容器待检测电极材料周围阵列布置超声换能器，通过超声换能器接收待检测电极材料受洛伦兹力作用发出的超声信号；最后，采用信号采集模块处理超声换能器中接收的超声信号、并反馈到电导率重建模块中，利用电导率重建模块根据超声信号重建待检测电极材料的电导率；
9.所述电导率重建模块根据超声信号重建待检测电极材料的电导率具体为：首先采用时间反演法重建超声信号中待检测电极材料的洛伦兹力散度；然后利用获得的洛伦兹力
散度重建待检测电极材料的内部电场强度；最后采用最小二乘迭代法重建待检测电极材料的电导率分布。
10.作进一步优化，所述采用时间反演法重建待检测电极材料的洛伦兹力散度具体为：
[0011][0012]
式中，表示梯度、为数学计算符号，f表示待检测材料内部的洛伦兹力，表示待检测电极材料的洛伦兹力散度；ω表示超声换能器所处的曲面，具体为：以待检测电极材料所处位置为中心位置，以超声换能器与中心位置的距离为半径所获得的圆，此圆即为超声换能器所处的曲面；cs表示声波的传播速度；r表示待检测电极材料所处的位置；p(rd,t)表示超声换能器在检测点rd处接收的超声信号；t表示接收时间。
[0013]
作进一步优化，所述声波的传播速度采用超声换能器测量、计算获得，具体为：测试开始前，结合待检测电极材料所处的环境，由所采用的超声换能器发出与接收声波，通过声波的传播距离与时间差计算得到声波的传播速度。
[0014]
作进一步优化，所述利用获得的洛伦兹力散度重建待检测电极材料的内部电场强度、以及采用最小二乘迭代法重建待检测电极材料的电导率分布具体为：
[0015]
首先通过洛伦兹力散度重建电场强度：
[0016][0017]
式中，j表示待检测电极材料内部电流密度；b表示待检测电极材料所处位置的磁通密度；e表示待检测电极材料内部电场强度；σ表示待检测电极材料的电导率；z表示方向；
[0018][0019][0020]
式中，a1表示脉冲电流产生的一次磁矢位；(a,b)表示脉冲激励源线圈的中心点坐标；(x,y)表示计算场点的坐标；φ表示标量电位；
[0021]
然后采用最小二乘迭代法重建待检测电极材料的电导率分布：
[0022][0023]
式中，f(σ)表示建立的最小二乘目标函数。
[0024]
作进一步优化，所述标量电位具体获得方法为：
[0025][0026][0027]
式中，n表示边界s的法向单位矢量，边界s为电极材料所处待测区域的边界。
[0028]
上述用于超级电容器电导率的检测方法所采用的系统，其特征在于：
[0029]
包括：
[0030]
脉冲磁场激励模块，用于激励待检测电极材料内部产生涡流；
[0031]
磁铁静磁场模块，用于与脉冲磁场激励模块配合产生洛伦兹力；
[0032]
超声换能器，用于接收待检测电极材料发出的超声信号；
[0033]
信号采集模块，用于对超声换能器中的超声信号进行放大和滤波；
[0034]
电导率重建模块，用于重建待检测电极材料的电导率分布；
[0035]
所述脉冲磁场激励模块的线圈与磁铁静磁场模块分别设置在超级电容器的待检测电极材料的上、下端；所述超声换能器呈阵列布置在超级电容器的待检测电极材料的周围；所述信号采集模块分别与脉冲磁场激励模块、超声换能器、电导率重建模块电连接。
[0036]
作进一步优化，所述脉冲磁场激励模块采用能发出680～720ns脉宽的单脉冲交变磁场的脉冲激励源。
[0037]
作进一步优化，所述磁铁静磁场模块采用能产生0.28～0.32t静磁场的磁体。
[0038]
作进一步优化，所述信号采集模块包括放大器与滤波器。
[0039]
本发明具有如下技术效果：
[0040]
与现有的接触式检测电极材料电导率的方法相比，本技术能够实现非接触式检测超级电容器电极材料的电导率，无需与待检测材料进行接触，从而避免对电极材料造成破坏，检测适用范围广；与现有感应式热声检测法相比，本技术所需的脉冲磁场小：感应式热声检测法中的激励线圈需要激励电压为1000v左右，而本技术所需的激励电压不高于100v(即所需的脉冲磁场小)，能耗小，避免高压环境检测、有效保证测试环境的安全性，同时本技术检测系统小型化、便于携带、操作简便，应用范围广、测试成本低。
附图说明
[0041]
图1为本发明实施例中的磁声检测系统的结构示意图。
[0042]
100、脉冲磁场激励模块；200、磁铁静磁场模块；300、超声换能器；400、信号采集模块；401、放大器；402、滤波器；500、电导率重建模块；600、待检测电极材料。
具体实施方式
[0043]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
实施例：
[0045]
如图1所示，一种用于超级电容器电导率的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0046]
首先，将超级电容器的待检测电极材料600放置在脉冲激励源线圈与磁铁之间，通过脉冲激励源激励待检测电极材料600产生涡流、并通过磁铁的静磁场将涡流转换为洛伦兹力；然后，在超级电容器待检测电极材料600周围阵列布置超声换能器300，通过超声换能器300接收待检测电极材料600受洛伦兹力作用发出的超声信号；最后，采用信号采集模块400处理超声换能器300中接收的超声信号、并反馈到电导率重建模块500中，利用电导率重建模块500根据超声信号重建待检测电极材料600的电导率；
[0047]
电导率重建模块500根据超声信号重建待检测电极材料600的电导率具体为：首先采用时间反演法重建超声信号中待检测电极材料600的洛伦兹力散度，具体为：
[0048][0049]
式中，表示梯度、为数学计算符号，f表示待检测材料内部的洛伦兹力，表示待检测电极材料600的洛伦兹力散度；ω表示超声换能器300所处的曲面，具体为：以待检测电极材料600所处位置为中心位置，以超声换能器300与中心位置的距离为半径所获得的圆，此圆即为超声换能器300所处的曲面；cs表示声波的传播速度；r表示待检测电极材料600的位置；p(rd,t)表示超声换能器300在检测点rd处接收的超声信号；t表示接收时间；
[0050]
其中，声波的传播速度采用超声换能器300测量、计算获得，具体为：测试开始前，结合待检测电极材料600所处的环境，由所采用的超声换能器300发出与接收声波，通过声波的传播距离与时间差计算得到声波的传播速度。
[0051]
然后利用获得的洛伦兹力散度重建待检测电极材料600的内部电场强度，最后采用最小二乘迭代法重建待检测电极材料600的电导率分布，具体为：
[0052]
首先通过洛伦兹力散度重建电场强度：
[0053][0054]
式中，j表示待检测电极材料600内部电流密度；b表示待检测电极材料600所处位置的磁通密度；e表示待检测电极材料600内部电场强度；σ表示待检测电极材料600的电导率；z表示方向；
[0055][0056][0057]
式中，a1表示脉冲电流产生的一次磁矢位；(a,b)表示脉冲激励源线圈的中心点坐标；(x,y)表示计算场点的坐标；φ表示标量电位；
[0058]
然后采用最小二乘迭代法重建待检测电极材料的电导率分布：
[0059][0060]
式中，f(σ)表示建立的最小二乘目标函数；
[0061]
标量电位具体获得方法为：
[0062][0063][0064]
式中，n表示边界s的法向单位矢量，边界s为电极材料所处待测区域的边界。
[0065]
上述用于超级电容器电导率的检测方法所采用的系统，包括：
[0066]
脉冲磁场激励模块100，用于激励待检测电极材料600内部产生涡流；
[0067]
磁铁静磁场模块200，用于与脉冲磁场激励模块100配合产生洛伦兹力；
[0068]
超声换能器300，用于接收待检测电极材料600发出的超声信号；
[0069]
信号采集模块400，用于对超声换能器300中的超声信号进行放大和滤波；
[0070]
电导率重建模块500，用于重建待检测电极材料600的电导率分布；
[0071]
脉冲磁场激励模块100的线圈与磁铁静磁场模块200分别设置在超级电容器的待检测电极材料600的上、下端；超声换能器300呈阵列布置在超级电容器的待检测电极材料600的周围；信号采集模块400分别与脉冲磁场激励模块100、超声换能器300、电导率重建模块500电连接；脉冲磁场激励模块100采用能发出680～720ns脉宽(优选发出700ns的脉宽)的单脉冲交变磁场的脉冲激励源；磁铁静磁场模块200采用能产生0.28～0.32t静磁场(优选产生0.3t的静磁场)的磁体；信号采集模块400包括放大器401与滤波器402。
[0072]
测试时，首先将待检测电极材料600放置在脉冲磁场激励模块100的线圈与磁铁静磁场模块200之间(如图1所示)，然后启动脉冲磁场激励模块100激励待检测电极材料600；待检测电极材料600内部产生涡流，涡流在磁铁静磁场模块200的静磁场作用下，产生洛伦兹力；待检测电极材料600受到洛伦兹力的作用会发生振动、从而向外发出超声信号；此超声信号含有待检测电极材料600的电导率信息，此时，待检测电极材料600周围布置的阵列超声换能器300接收到超声信号，经过信号采集模块400内部的放大和滤波，传输给电导率重建模块500，最后电导率重建模块500内结合时间反演法与最小二乘迭代法，重建处待检测电极材料600的电导率分布。
[0073]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。