CN109708807B - 一种复合材料容器内置光纤传感器的标定方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合材料容器内置光纤传感器的标定方法，包括如下步骤：制备用于内置光纤传感器标定的缠绕芯模标定样，且在所述缠绕芯模标定样上设置用于定位光纤传感器的标记；布置所述光纤传感器，并进行纤维缠绕、纤维固化，得到以所述缠绕芯模标定样为内衬的复合材料容器标定样；布置应变片，并将所述光纤传感器与所述应变片分别连接数据采集仪，记录所述复合材料容器标定样在应力下的状态；对采集的数据进行计算，对所述光纤传感器进行标定。本发明还提供了一种复合材料容器内置光纤传感器的标定装置。本发明所述的复合材料容器内置光纤传感器的标定方法具有实施方便、测试准确、数据处理简单等优点。

Description

一种复合材料容器内置光纤传感器的标定方法与装置

技术领域

本发明属于压力容器技术装备领域，具体涉及一种复合材料容器内置光纤传感器的标定方法与装置。

背景技术

含金属内衬复合材料缠绕压力容器用于存储压缩气体，可充分发挥复合材料强度高金属内衬密封性好的特点，是一种轻质高效的高压气体储能装置，被广泛应用于航空航天、交通运输、能源存储等领域。含内衬的复合材料容器通常以薄壁金属为芯模并采用连续纤维缠绕工艺制备复合材料层，得到芯模为金属内衬、套在金属内衬外的复合材料容器。这种含内衬的复合材料容器具有承载压力大、泄露先于爆破、自重低等特点，在其投入使用前，应准确评估在一个使用周期内内衬的应力状态，这是确保其承载密封的关键，同时，合理控制内衬的应力水平可确保复合材料容器的安全可靠服役，也是提高服役寿命的关键。

由于含内衬的复合材料容器的两端通常设置有椭球封头中间圆柱结构，因此，复合材料容器的接嘴尺寸通常远小于其几何尺寸，即无法在容器内布置传感器，实现内衬应力状态的检测，只能在内衬外壁或者复合材料容器外壁布置传感器，以获得内衬的应力状态。然而，上述方式受传感器尺寸、缠绕层厚度、内衬与缠绕层间的材料突变影响较大，导致无法直接获得内衬准确的应力状态。目前大多采用传感器监控获得复合材料容器外表面的应力状态，并采用外推的方法推测出内衬的应力状态，存在测试范围小、数据分析复杂、误差较大等缺点。

发明内容

本发明的解决的技术问题在于现有技术中的含内衬的复合材料容器的内衬应力状态检测方法存在测试范围小、数据分析复杂、误差较大的问题，进而提供一种复合材料容器内置光纤传感器的标定方法与装置。

本发明还提供了一种复合材料容器内置光纤传感器的标定装置。

为了解决上述问题，本发明提供一种复合材料容器内置光纤传感器的标定方法，包括如下步骤：

(1)制备用于内置光纤传感器标定的缠绕芯模标定样，且在所述缠绕芯模标定样上设置用于定位光纤传感器的标记；

(2)在步骤(1)中得到的所述缠绕芯模标定样的标记处布置所述光纤传感器，并进行纤维缠绕、纤维固化，得到以所述缠绕芯模标定样为内衬的复合材料容器标定样；

(3)在步骤(2)中得到的所述复合材料容器标定样的内衬内壁上布置应变片，并将所述光纤传感器与所述应变片分别连接数据采集仪，记录所述复合材料容器标定样在应力下的状态；

(4)对步骤(3)中所述的数据采集仪采集的数据进行计算，对所述光纤传感器进行标定。

优选地，步骤(1)中，制备的所述缠绕芯模标定样的内径不小于150mm；所述缠绕芯模标定样的宽度不小于100mm；且所述缠绕芯模标定样的壁厚，按照如下公式计算：

其中，t^o _m为目标复合材料容器的金属内衬的壁厚；t^s _m为缠绕芯模标定样的壁厚；t^o _c为目标复合材料容器的复合材料层的壁厚；t^s _c为复合材料容器标定样的复合材料层的壁厚；

在所述缠绕芯模标定样的两端设置芯模，所述芯模呈圆环状，所述芯模的内环的内径小于或等于所述缠绕芯模标定样的内径；所述芯模的外环外径大于所述缠绕芯模标定样的外径；

所述芯模的外环上设有两个缺口，两个所述缺口之间的连线经过所述芯模的内环圆心，且所述缺口的深度大于或者等于所述t^s _m与所述t^s _c之和。

优选地，步骤(1)中，用于定位光纤传感器的标记为两个或两个以上，分别设置于所述缠绕芯模标定样的两端；所述缠绕芯模标定样两端的标记之间的连线为标记线，所述标记线平行于所述缠绕芯模标定样的中心轴线。

优选地，步骤(2)中，在步骤(1)中得到的所述缠绕芯模标定样的标记处布置所述光纤传感器具体为：在所述标记线上固定所述光纤传感器，使所述光纤传感器的测试点位于所述标记线上，并记录所述光纤传感器与所述标记线所呈的角度。

优选地，步骤(2)还包括如下步骤：将所述光纤传感器的尾纤通过所述缺口，并固定于所述缠绕芯模标定样上；

步骤(2)中，纤维缠绕的缠绕厚度等于所述t^s _c；缠绕方式为环缠。

优选地，步骤(3)中，在所述光纤传感器的位置处的所述复合材料容器标定样的内衬内壁上周向布置所述应变片。

优选地，步骤(3)中，将所述光纤传感器与所述应变片分别连接数据采集仪，记录所述复合材料容器标定样在应力下的状态，具体如下：

将所述复合材料容器标定样固定于万能试验机的加载工装上；其中，所述加载工装的加载端为两个，呈半圆柱状，两个半圆柱状的所述加载端适于拼合形成圆柱，所述圆柱的外径等于所述芯模的内环的内径；

然后，启动所述万能试验机进行预加载，按照0.1-5mm/min的加载速率对所述复合材料容器标定样进行加载，且加载的最大位移小于或者等于2mm，加载完成后卸载，重复加载与卸载的过程3次以上；

最后，将所述光纤传感器与所述应变片分别连接数据采集仪，对所述复合材料容器标定样进行加载，采集加载过程中的数据，至所述复合材料容器标定样发出断裂声音，停止加载与数据采集；其中，加载过程中采集的数据包括所述万能试验机采集的载荷数据、位移数据、时间数据，通过所述应变片采集的应变数据、时间数据，通过所述光纤传感器采集的光纤波长数据、时间数据。

优选地，步骤(4)具体如下：

a、根据步骤(3)中采集的所述万能试验机采集的载荷数据、位移数据、时间数据，绘制载荷-位移曲线，通过曲线斜率的变化识别出所述复合材料容器标定样的最大线性载荷，并确定最大线性载荷的时间点；

b、根据步骤(3)中通过所述应变片采集的应变数据、时间数据，取所述最大线性载荷的时间点之前的数据，绘制应变-时间曲线，计算应变-时间曲线的斜率，记为第一斜率；

c、根据步骤(3)中通过所述光纤传感器采集的光纤波长数据、时间数据，取所述最大线性载荷的时间点之前的数据，绘制光纤波长变化-时间曲线，计算光纤波长变化-时间曲线的斜率，记为第二斜率；其中，光纤波长变化通过如下公式计算得到：

Δλ＝λ-λ_i

公式中，所述Δλ为光纤波长变化；所述λ为光纤波长值；所述λ_i为光纤传感器的初始波长；

d、通过如下公式对内置的所述光纤传感器进行标定：

其中，所述ε为测试点的相关系数；所述κ_ε为步骤b中得到的第一斜率；所述k_λ为步骤c中得到的第二斜率；所述α为步骤(2)中的所述光纤传感器与所述标记线所呈的角度。

本发明所述的复合材料容器内置光纤传感器的标定装置，由所述的复合材料容器内置光纤传感器的标定方法，得到的以缠绕芯模标定样为内衬的复合材料容器标定样。

优选地，所述的复合材料容器内置光纤传感器的标定装置，包括：

复合材料容器标定样，所述复合材料容器标定样包括作为内衬的缠绕芯模标定样与复合材料层；所述缠绕芯模标定样呈圆筒形；所述复合材料层包覆在所述缠绕芯模标定样的外表面；

光纤传感器，所述光纤传感器位于所述缠绕芯模标定样与所述复合材料层之间；

应变片，所述应变片位于所述缠绕芯模标定样的内壁上；

芯模，所述芯模位于所述缠绕芯模标定样的两端，且呈圆环状。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明所述的复合材料容器内置光纤传感器的标定方法，利用光纤传感器体积小、可串联、高敏感的特性，设计出内置免封装光纤传感器的测试方案，结合待测试的目标复合材料容器缩比所述复合材料容器标定样的标定实验，确定出与目标复合材料容器相匹配的标定样，通过测定出标定样的测点应变与光纤波长变化的关系，得出待测试的目标复合材料容器的内衬应力状态。通过在复合材料容器内衬外表面敷设光纤传感器的方式，确保了内置传感器信号的有效输出，实现内衬应力状态的准确测试，通过标准应变片的等同测试确定出内置光纤传感器波长变化、布置角度与测点应变的关系。本发明所述的复合材料容器内置光纤传感器的标定方法具有实施方便、测试准确、数据处理简单等优点。

附图说明

图1为本发明实施例中的缠绕芯模标定样的剖面图。

图2为本发明实施例中的缠绕芯模标定样的结构示意图；

图3为本发明实施例中的复合材料容器标定样的结构示意图。

图中，1-芯模；2-缺口；3-光纤传感器；4-应变片；5-缠绕芯模标定样；6-复合材料层；7-加载工装；8-应变片接线；9-光纤；D^s-缠绕芯模标定样的内径；B-缠绕芯模标定样的宽度；Di-芯模的内环内径；Do-芯模的外环外径；t^s _m-缠绕芯模标定样的壁厚；t^s _c-复合材料容器标定样的复合材料层的壁厚；L-标记线。

具体实施方式

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。

需要说明的是，本发明各实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。不同厂家、型号的原料并不影响本发明技术方案的实施及技术效果的实现。

本实施例的复合材料容器内置光纤传感器的标定方法，包括如下步骤：

(1)制备用于内置光纤传感器标定的缠绕芯模标定样，且在所述缠绕芯模标定样上设置用于定位光纤传感器的标记；

(2)在步骤(1)中得到的所述缠绕芯模标定样的标记处布置所述光纤传感器，并进行纤维缠绕、纤维固化，得到以所述缠绕芯模标定样为内衬的复合材料容器标定样；

(3)在步骤(2)中得到的所述复合材料容器标定样的内衬内壁上布置应变片，并将所述光纤传感器与所述应变片分别连接数据采集仪，记录所述复合材料容器标定样在应力下的状态；

(4)对步骤(3)中所述的数据采集仪采集的数据进行计算，对所述光纤传感器进行标定。

作为本实施例的优选实现方式，所述复合材料容器内置光纤传感器的标定方法具体包括如下步骤：

(1)如图1-2所示，制备用于内置光纤传感器标定的缠绕芯模标定样，制备得到的所述缠绕芯模标定样的内径D^s不小于150mm；所述缠绕芯模标定样的宽度B不小于100mm。

为提高测试精度，可根据待测试的目标复合材料容器的壁厚设计合理的所述缠绕芯模标定样的壁厚，按照如下公式计算：

其中，t^o _m为目标复合材料容器的金属内衬的壁厚；t^s _m为缠绕芯模标定样的壁厚；t^o _c为目标复合材料容器的复合材料层的壁厚；t^s _c为复合材料容器标定样的复合材料层的壁厚；

在所述缠绕芯模标定样的两端设置芯模1，所述芯模1呈圆环状，所述芯模1的内环的内径Di小于或等于所述缠绕芯模标定样的内径D^s；所述芯模1的外环外径Do大于所述缠绕芯模标定样的外径，即Do≥D^s+2t^s _m+2t^s _c。

所述芯模1的外环上设有两个缺口2，两个所述缺口2之间的连线经过所述芯模1的内环圆心，且所述缺口2的深度大于或者等于所述t^s _m与所述t^s _c之和。

在所述缠绕芯模标定样上设置用于定位光纤传感器3的标记，用于定位光纤传感器3的标记为两个或两个以上，分别设置于所述缠绕芯模标定样的两端；本实施例中，所述标记为四个，所述缠绕芯模标定样两端的标记中，两个设置于所述芯模1的内环上，两标记之间的连线平行于所述缠绕芯模标定样的中心轴线；另外两个标记设置于所述芯模1的外环上，用记号笔在两标记之间连线，为标记线L，所述标记线L平行于所述缠绕芯模标定样的中心轴线。

(2)在步骤(1)中得到的所述缠绕芯模标定样的所述标记线L上固定所述光纤传感器3，使所述光纤传感器3的测试点位于所述标记线L上，采用角度器和量尺实现所述光纤传感器3在标记线L上的准确定位，并记录所述光纤传感器3与所述标记线L所呈的角度α；将所述光纤传感器3的尾纤以渐变的方式平缓地通过所述缺口2，并固定于所述缠绕芯模标定样上，芯模1上的光纤应避免相互交错引起的信号衰减；

然后，按照与待测试的目标复合材料容器相同的工艺进行纤维缠绕，纤维缠绕的缠绕厚度等于所述t^s _c，缠绕方式为环缠；最后，纤维固化，得到以所述缠绕芯模标定样为内衬的复合材料容器标定样；

需要说明的是，所述光纤传感器3的种类并不唯一，包括但不限于布拉格光纤光栅传感器，亦可采用其它具有体积小、精度高特点的传感器，如布里渊光时域和拉曼光时域分析技术的光纤传感器等。

(3)取步骤(2)中得到的所述复合材料容器标定样，如图3所示，在所述光纤传感器的位置处的所述复合材料容器标定样的内衬内壁上周向布置所述应变片4，图3中还示出了应变片接线8，及所述光纤传感器的光纤9。

将所述复合材料容器标定样固定于万能试验机的加载工装7上，布置所述光纤传感器的缠绕芯模标定样不与任何工装接触；其中，所述加载工装的加载端为两个，呈半圆柱状，两个半圆柱状的所述加载端适于拼合形成圆柱，两个半圆柱组合后的间隙不超过20mm，以避免加载时所述缠绕芯模标定样由于变形引起的附加应力；所述圆柱的外径等于所述芯模1的内环的内径Di；

然后，启动所述万能试验机进行预加载，按照0.1-5mm/min的加载速率对所述复合材料容器标定样进行加载，且加载的最大位移小于或者等于2mm，加载完成后卸载，重复加载与卸载的过程3次以上，对万能试验机进行清零操作；

最后，将所述光纤传感器3与所述应变片4分别连接数据采集仪，以5mm/min的加载速率对所述复合材料容器标定样进行加载，采集加载过程中的数据，至所述复合材料容器标定样发出断裂声音，停止加载与数据采集；其中，加载过程中采集的数据包括所述万能试验机采集的载荷数据、位移数据、时间数据，通过所述应变片采集的应变数据、时间数据，通过所述光纤传感器采集的光纤波长数据、时间数据。

(4)对步骤(3)中所述的数据采集仪采集的数据进行如下计算：

a、根据步骤(3)中采集的所述万能试验机采集的载荷数据、位移数据、时间数据，绘制载荷-位移曲线，即以载荷为X轴、以位移为Y轴绘制曲线，通过曲线斜率的变化识别出所述复合材料容器标定样的最大线性载荷，并确定最大线性载荷的时间点；

b、根据步骤(3)中通过所述应变片采集的应变数据、时间数据，取所述最大线性载荷的时间点之前的数据，绘制应变-时间曲线，即以应变为X轴、以时间为Y轴绘制曲线，计算应变-时间曲线的斜率，记为第一斜率；

c、根据步骤(3)中通过所述光纤传感器采集的光纤波长数据、时间数据，取所述最大线性载荷的时间点之前的数据，绘制光纤波长变化-时间曲线，即以光纤波长变化为X轴、以时间为Y轴绘制曲线，计算光纤波长变化-时间曲线的斜率，记为第二斜率；其中，光纤波长变化通过如下公式计算得到：

Δλ＝λ-λ_i

公式中，所述Δλ为光纤波长变化；所述λ为光纤波长值；所述λ_i为光纤传感器的初始波长；

d、通过如下公式对内置的所述光纤传感器进行标定：

其中，所述ε为测试点的相关系数；所述k_ε为步骤b中得到的第一斜率；所述k_λ为步骤c中得到的第二斜率；所述α为步骤(2)中的所述光纤传感器与所述标记线所呈的角度。

依据弹性力学理论可知，当复合材料容器标定样未发生屈服等非线性现象时，面内载荷作用下，作为内衬的缠绕芯模标定样的内表面和外表面应一致，从而可获得光纤传感器3的波长变化与测点应变的换算关系实现内置光纤传感器的标定。

本实施例的复合材料容器内置光纤传感器的标定装置，由所述的复合材料容器内置光纤传感器的标定方法的步骤(3)中得到的以缠绕芯模标定样为内衬的复合材料容器标定样。

作为本实施例的具体实现方式，所述复合材料容器内置光纤传感器的标定装置包括：

复合材料容器标定样，所述复合材料容器标定样包括作为内衬的缠绕芯模标定样5与复合材料层6；所述缠绕芯模标定样5呈圆筒形；所述复合材料层6包覆在所述缠绕芯模标定样5的外表面；

光纤传感器3，所述光纤传感器3位于所述缠绕芯模标定样5与所述复合材料层6之间；

应变片4，所述应变片4位于所述缠绕芯模标定样5的内壁上；

芯模1，所述芯模1位于所述缠绕芯模标定样5的两端，且呈圆环状。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种复合材料容器内置光纤传感器的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)制备用于内置光纤传感器标定的缠绕芯模标定样，且在所述缠绕芯模标定样上设置用于定位光纤传感器的标记；

(2)在步骤(1)中得到的所述缠绕芯模标定样的标记处布置所述光纤传感器，并进行纤维缠绕、纤维固化，得到以所述缠绕芯模标定样为内衬的复合材料容器标定样；

(3)在步骤(2)中得到的所述复合材料容器标定样的内衬内壁上布置应变片，并将所述光纤传感器与所述应变片分别连接数据采集仪，记录所述复合材料容器标定样在应力下的状态；

(4)对步骤(3)中所述的数据采集仪采集的数据进行计算，对所述光纤传感器进行标定；

步骤(1)中，制备的所述缠绕芯模标定样的内径不小于150mm；所述缠绕芯模标定样的宽度不小于100mm；且所述缠绕芯模标定样的壁厚，按照如下公式计算：

其中，t^o _m为目标复合材料容器的金属内衬的壁厚；t^s _m为缠绕芯模标定样的壁厚；t^o _c为目标复合材料容器的复合材料层的壁厚；t^s _c为复合材料容器标定样的复合材料层的壁厚；

在所述缠绕芯模标定样的两端设置芯模，所述芯模呈圆环状，所述芯模的内环的内径小于或等于所述缠绕芯模标定样的内径；所述芯模的外环外径大于所述缠绕芯模标定样的外径；

所述芯模的外环上设有两个缺口，两个所述缺口之间的连线经过所述芯模的内环圆心，且所述缺口的深度大于或者等于所述t^s _m与所述t^s _c之和。

2.根据权利要求1所述的复合材料容器内置光纤传感器的标定方法，其特征在于，步骤(1)中，用于定位光纤传感器的标记为两个或两个以上，分别设置于所述缠绕芯模标定样的两端；所述缠绕芯模标定样两端的标记之间的连线为标记线，所述标记线平行于所述缠绕芯模标定样的中心轴线。

3.根据权利要求2所述的复合材料容器内置光纤传感器的标定方法，其特征在于，步骤(2)中，在步骤(1)中得到的所述缠绕芯模标定样的标记处布置所述光纤传感器具体为：在所述标记线上固定所述光纤传感器，使所述光纤传感器的测试点位于所述标记线上，并记录所述光纤传感器与所述标记线所呈的角度。

4.根据权利要求3所述的复合材料容器内置光纤传感器的标定方法，其特征在于，步骤(2)还包括如下步骤：将所述光纤传感器的尾纤通过所述缺口，并固定于所述缠绕芯模标定样上；

步骤(2)中，纤维缠绕的缠绕厚度等于所述t^s _c；缠绕方式为环缠。

5.根据权利要求4所述的复合材料容器内置光纤传感器的标定方法，其特征在于，步骤(3)中，在所述光纤传感器的位置处的所述复合材料容器标定样的内衬内壁上周向布置所述应变片。

6.根据权利要求5所述的复合材料容器内置光纤传感器的标定方法，其特征在于，步骤(3)中，将所述光纤传感器与所述应变片分别连接数据采集仪，记录所述复合材料容器标定样在应力下的状态，具体如下：

将所述复合材料容器标定样固定于万能试验机的加载工装上；其中，所述加载工装的加载端为两个，呈半圆柱状，两个半圆柱状的所述加载端适于拼合形成圆柱，所述圆柱的外径等于所述芯模的内环的内径；

然后，启动所述万能试验机进行预加载，按照0.1-5mm/min的加载速率对所述复合材料容器标定样进行加载，且加载的最大位移小于或者等于2mm，加载完成后卸载，重复加载与卸载的过程3次以上；

最后，将所述光纤传感器与所述应变片分别连接数据采集仪，对所述复合材料容器标定样进行加载，采集加载过程中的数据，至所述复合材料容器标定样发出断裂声音，停止加载与数据采集；其中，加载过程中采集的数据包括所述万能试验机采集的载荷数据、位移数据、时间数据，通过所述应变片采集的应变数据、时间数据，通过所述光纤传感器采集的光纤波长数据、时间数据。

7.根据权利要求6所述的复合材料容器内置光纤传感器的标定方法，其特征在于，步骤(4)具体如下：

a、根据步骤(3)中采集的所述万能试验机采集的载荷数据、位移数据、时间数据，绘制载荷-位移曲线，通过曲线斜率的变化识别出所述复合材料容器标定样的最大线性载荷，并确定最大线性载荷的时间点；

b、根据步骤(3)中通过所述应变片采集的应变数据、时间数据，取所述最大线性载荷的时间点之前的数据，绘制应变-时间曲线，计算应变-时间曲线的斜率，记为第一斜率；

c、根据步骤(3)中通过所述光纤传感器采集的光纤波长数据、时间数据，取所述最大线性载荷的时间点之前的数据，绘制光纤波长变化-时间曲线，计算光纤波长变化-时间曲线的斜率，记为第二斜率；其中，光纤波长变化通过如下公式计算得到：

Δλ＝λ-λ_i

公式中，所述Δλ为光纤波长变化；所述λ为光纤波长值；所述λ_i为光纤传感器的初始波长；

d、通过如下公式对内置的所述光纤传感器进行标定：

其中，所述ε为测试点的相关系数；所述k_ε为步骤b中得到的第一斜率；所述k_λ为步骤c中得到的第二斜率；所述α为步骤(2)中的所述光纤传感器与所述标记线所呈的角度。

8.一种复合材料容器内置光纤传感器的标定装置，其特征在于，由权利要求1-7中任意一项权利要求所述的复合材料容器内置光纤传感器的标定方法，得到的以缠绕芯模标定样为内衬的复合材料容器标定样。

9.根据权利要求8所述的复合材料容器内置光纤传感器的标定装置，其特征在于，包括：

复合材料容器标定样，所述复合材料容器标定样包括作为内衬的缠绕芯模标定样与复合材料层；所述缠绕芯模标定样呈圆筒形；所述复合材料层包覆在所述缠绕芯模标定样的外表面；

光纤传感器，所述光纤传感器位于所述缠绕芯模标定样与所述复合材料层之间；

应变片，所述应变片位于所述缠绕芯模标定样的内壁上；

芯模，所述芯模位于所述缠绕芯模标定样的两端，且呈圆环状。

Images