自从铅酸蓄电池发明以来,其经过了156年的不断发展和改进,其已成为最广泛使用的化学电池。其相比其他化学电池具有容量大、效率高、性能稳定以及使用寿命长。普通铅酸蓄电池已经应用到汽车后备电源、电信和计算机UPS等领域,其中大型铅酸蓄电池组已成为电力应急电源系统、船舶电力推进系统、互联网和金融数据备份系统、电信通讯系统以及铁路机车动力系统等特种领域中关键组成部分。铅酸蓄电池组在生产和长时间充电和放电操作中,每个电池的性能会出现差异。如果电池组中某个或多个蓄电池出现损坏,这会导致整个铅酸蓄电池组的电力负载失衡,降低了电池组的工作效率和使用寿命,直接影响着这些特种领域。因此需要对大型铅酸蓄电池组中每个电池的剩余电量进行在线高精度监测,确保铅酸蓄电池处于正常工作状态和及时发现存在性能退化的电池,防止电池组的过度充电和过度放电和延长电池组使用寿命。本论文结合铅酸蓄电池的工作特点和实际电池液的物理化学特征,提出了基于光学临界角法对铅酸蓄电池的电池液密度进行在线测量研究,为铅酸蓄电池的剩余电量高精度测量奠定基础。论文的主要研究内容有如下几个方面：(1)本论文首先在理论上对铅酸蓄电池的充电和放电过程中电化学反应过程和电池液的组分变化特征进行了分析,得出电池液的密度与电池的剩余电量存在直接联系,同时电池液的密度和折射率存在较好一一对应关系。结合实际电池液,比较了几种液体折射率测量技术,提出了利用基于光学临界角法对电池液的密度进行测量,建立反射光斑中明暗界线位置与电池液密度的关系。(2)研究了基于临界角法折光仪的明暗界限高精度提取算法。在微分法基础上,提出改进型微分法对界线进行亚像素级别确定,弥补了微分法对单像素内折射率变化无法测量的缺点。第一、通过理论计算和实验验证了改进型微分法的有效性。第二、提出基于光学外差反射型折射率测量系统,使得测量系统不受光源波动的影响,显著提高系统的信噪比。第三、利用改进型微分法和基于光学外差反射型折射率测量系统对氯化钠溶液的盐度进行了测量研究。(3)分析了基于临界角法测量装置在不同折射率值液体下反射率曲线分布。得出探测面上最大入射角和棱镜折射率值限制测量系统上限测量值。当液体折射率大于nprismSin?(θmax)时,反射光斑中不存在由于全反射现象出现的能量突变而是呈现能量渐变分布。首提出了傅里叶功率谱分析法和重心法分别从空间频率域和空间域对不具有全反射特征的反射率曲线进行信息提取,从而扩展了基于临界角法装置的量程,并提出了两个评价算法的有效性的指标。实验结果表明两种量程扩展算法在保证折光仪104RIU精度的前提下,显著提高了装置的上限测量值。(4)设计了基于临界角法的铅酸蓄电池的电池液密度传感器。从铅酸蓄电池恶劣的工作环境和电池液的腐蚀性、密度和温度变化范围的基础上,对传感器进行了材料选型、光路设计、机械结构和封装设计、嵌入式图像处理系统设计、系统算法设计以及系统校正研究。提出了一种新型LED单色角点光源,解决了光场能量分布不均和激光散斑对测量影响。并对样机进行了长时间现场测量试验,样机测量值与真值的最大偏差不超过0.002g/cm3,低于0.005g/cm3,满足设计中对传感器精度要求指标。(5)对批量样机进行了综合性测试和现场试验。第一、对样机进行了实验室长达一个月反复加温和降温的模拟实验和在某电池厂中进行了三个月的真实环境防酸和密封测试实验,验证了利用氟橡胶垫片对聚四氟乙烯底座和光学棱镜进行密封的方法,解决了样机防酸和密封的问题。第二、分析了在实际铅酸蓄电池中存在的气泡、油污以及悬浮颗粒对测量影响,提出了一种倾斜探测面底座、探测面上粘附表面毡、致密网以及滤网方法来去除气泡、油污以及悬浮颗粒的影响,并在真实环境中进行了验证。第三、在真实环境中对6只光电密度传感器进行了三个多月实验研究,实验结果表明所有传感器在未校准和维护的情况下,在静止和动态测量中,测量误差均小于0.005g/cm3,达到了预期的设计指标。