高压传感器

日前，山东省科学院激光研究所在国内首次自主研发的固定式高精度光纤压力传感器获得成功。这台光纤高温高压传感器可在油井下温度220℃和压力100MPa下长期作业，解决了常规电子传感器和光纤压力传感器受油井下高温高压干扰而无法正常工作的难题。光纤高温高压传感器的研发成功，不仅打破了国外对此技术的长期垄断，更将对我国油气井的科学开采发挥出重要作用。　　据山东省科学院激光研究所副所长王昌博士介绍，这台光纤高温高压传感器通过对油井状态在线实时监测，可以及时探测到井内诸如漏水等状态变化的详细信息。根据这些信息，对油井采油工艺进行优化和调整，可提高油气采收率5%—10%。　　山东省科学院激光研究所从2005年开始从事光纤油气井温度压力在线监测的研究。2006年，该所研究的《光纤高温高压井筒测试技术》被列为国家863项目和山东省技术攻关项目。通过对胜利油田、中海油、辽河油田的示范应用表明，光纤高温高压传感器不仅探测准确，其敏感元件的耐高温高压和耐腐蚀的保护技术等均优于国外技术，价格仅是国外进口设备的1/3。油田专家认为，这项新技术的推广应用，将为我国油井实现智能化监控打下良好基础。　　王昌介绍说，据不完全统计，全国现有生产油井约15万口，按照每口井提高采油率5%，推广普及1%计算，年可提高油气产量超过9万吨。这项先进技术除高温高压油井监测应用外，在电力、化工、矿山等许多领域都有着非常广阔的应用前景，可产生巨大的经济效益和社会效益。

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手机爆炸、电动汽车行驶或充电过程中的火灾事故在生活中经常可见，让人们在享受锂电池带来的便利的同时，也担心其在安全方面的重大问题。如何降低这一风险？近日，中国科学技术大学教授孙金华、研究员王青松团队与暨南大学教授郭团团队研制出一款可植入电池内部的高精度光纤传感器。相关研究成果日前在线发表于《自然-通讯》。“这款高精度光纤传感器可以在1000摄氏度的高温、高压环境下正常工作，同步测量出电池热失控全过程内部温度和压力，为快速切断电池热失控链式反应提供预警手段。”王青松向《中国科学报》介绍。破解国际性科学难题手机、笔记本电脑、电动自行车、电动汽车中都有一个关键部件——锂离子电池。随着全球范围内能源危机的出现、“双碳”目标的驱动，锂离子电池产业迅速发展。然而，锂离子电池常常会发生爆炸，也就是热失控，这是威胁电池安全的“癌症”，是制约电动汽车与新型储能规模化发展的瓶颈。研究表明，电池热失控源于电池内部一系列复杂且相互关联的“链式反应”。“这可以从电池内部和外部两方面讨论。从内部来看，电池由正负极、电解液、隔膜等组成，其中电解液和隔膜都是易燃物，正负极和电解液在一定温度下又会产生化学反应，进而产生热量和可燃气体。也就是说，电池内部本身就是一个热不稳定的体系。”王青松说。从外部来看，电池在使用过程中容易出现各种外部滥用：电滥用，如过充、过放等；热滥用，如高温、局部发热等；机械滥用，如撞击、挤压等。这些外部滥用会造成电池内部材料发生一系列连锁化学反应，电池内部温度快速提升，最高可达800摄氏度，导致电池起火或爆炸。如何科学、及时、准确地预判电池安全隐患，是当前电池安全领域的国际性科学难题。为攻克这一难题，研究团队提出一种可植入电池内部的高精度光纤传感器，在国际上率先实现对商业化锂电池热失控全过程的精准分析与提早预警。《自然-通讯》的一位审稿专家评价道，“该研究有助于电池健康状态监测，并在不可逆损害前发出预警信号。”小巧光纤实时监测电池健康状态将光纤植入电池，并非王青松等人首创。因光纤传感器具备体积小、重量轻、耐受高温高压、耐受电解液腐蚀等优势，前人将其植入电池。但他们主要测量的是电池循环过程中的内部参数，从未涉足电池热失控监测领域。于是，王青松等人想将光纤植入电池内部，以监测电池热失控过程，并探索电池内部参数能否为电池热失控预警提供新思路。研究思路有了，做起来却非常难，因为现有的大多数光纤传感器无法在热失控过程中“幸存”。王青松解释说，电池热失控过程中，内部压力高达2MPa、温度高达500至800摄氏度，在这种高温高压的冲击下，光纤信号会中断，无法测得电池内部温度和压力数据。研究的关键是开发一款“健壮”的光纤传感器。他们与郭团团队联合攻关，多次改进光纤结构，开展热失控实验，反复修改和验证，最终通过对光纤进行套管保护，在保证内部信号传输的同时解决了光纤容易断的难题。“这款高精度光纤传感器总长度12毫米、直径125毫米，能够植入商业18650电池，实时监测电池热失控期间的内部温度和压力影响。”王青松向《中国科学报》介绍了光纤传感器的结构。相比现有的外部监测技术，内部光纤传感技术更具有及时性、灵活性。“就好比人们患病，当感知到疼痛时，往往为时已晚。这就像电池外部特征的变化一般都是滞后的。”王青松解释道，“而去医院体检，可以通过CT等看到内部器官变化，从而预知疾病的发生，并通过治疗手段阻止疾病进一步发展。但这种大型设备体积庞大，无法随时随地监测内部状态变化。如果在人体内植入芯片，就可以做到实时跟踪预警。就像在电池内部植入光纤传感器，可以做到实时监测预警。”值得一提的是，该研究通过解析压力和温度变化速率，首次发现温度和压力变化速率的转变点可作为电池热失控早期预警区间。该发现适用于不同电量的电池，能够在电池内部发生“不可逆反应”之前发出预警信号，保证了电池后续的安全使用。用于同时监测电池内温度和压力的FBG/FPI传感器工作原理适合大规模推行量产在王青松看来，光纤传感器尺寸小、形状灵活，具有抗电干扰性和远程操作的能力和适合大规模生产的标准制造技术，并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、气体组分、离子浓度等多种关键参数。光纤传感技术与电池的结合将在新能源汽车、储能电站安全监测等领域发挥重要作用。为此，研究团队将探索光纤传感器在大容量储能电池中的应用。“大容量储能电池热失控相比此次研究中的18650电池更加剧烈，并且其热失控特性和机理与小电池有所差异，这将是对我们研究的进一步考验。”王青松说。另一方面，团队将与电池制造商合作，希望在电池制作过程中植入光纤传感器，避免对电池二次破坏，加快光纤传感在储能和新能源汽车电池管理系统中的应用进程。相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40995-3