CN110469772B - 一种氢气瓶无损检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氢气瓶无损检测装置及检测方法，属于新能源技术领域。本发明基于分布式光纤测量技术提出一种可以对燃料电池汽车的车载氢气瓶强度指标进行测试及分析的方法，以实现气瓶的无损检测。分布式光纤可以实现多通道工作，同时进行温度和应变等信号的动态采集，并可对每个测量点进行准确定位。在车载氢气瓶生产过程中，将分布式光纤提前嵌入到气瓶内胆和外层碳纤维之间，并预留数据采集接头。在充装一定压力过程中，利用光纤传感器实时采集气瓶内胆和碳纤维之间界面的温度和应变数据，通过数据处理及分析，研究是否存在应力集中现象，判断气瓶的损坏程度，决定是否可以继续使用。

Description

一种氢气瓶无损检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于新能源技术领域，涉及一种氢气瓶无损检测装置及检测方法。

背景技术

高压容器储氢具有结构简单、储氢密度高、充装与排放速度快等优点而成为氢燃料电池汽车的主要车载储氢方式。氢气瓶中的氢气均呈高压状态，一旦氢气瓶发生疲劳破损或者突发状况损坏，造成高压氢气泄漏，将会带来严重的安全隐患，因此需对氢气瓶进行定期检测。

目前国内对于车载氢气瓶的无损检测还没有相关标准。由于车载氢气瓶内结构复杂、失效形式多样，即其无损检测工作较难完成。当前针对瓶体的无损检测技术主要有人工检测、渗透检测和声发射检测。人工检测主要由检测人员使用相关仪器通过肉眼观察来判断车载氢气瓶内是否失效，此方法工作复杂、人工成本较高。磁粉检测技术主要用于检测铁磁性工件表面是否存在明显裂纹或缺陷。渗透检测用于检测金属气瓶表面开口缺陷。声发射检测是一种动态无损检测技术，主要用于监测材料在工作或者测试过程中的失效行为。由于车载氢气瓶结构复杂且外表面为非金属结构，上述方法较难完成车载氢气瓶的无损检测。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种氢气瓶无损检测装置及检测方法，可实现数据的动态采集，并对每个测量点进行准确定位，在车载氢气瓶检测过程中，使用数据采集装置获得气瓶结构内部的温度及应变信息，对数据进行处理及分析，研究是否存在应力集中现象，判断气瓶的损坏程度，确定是否可以继续使用。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种氢气瓶无损检测装置，包括依次连接的

车载氢气瓶，

用于采集温度和应变数据的光纤传感器，

用于连接光纤的光纤接口，

解调仪模块。

和用于数据处理的上位机；

所述光纤接口设置在车载氢气瓶的加氢口；

对光纤传感器采集到的温度和应变信号进行空间坐标换算，得到车载氢气瓶上各测点处的温度和应变信息；进行结构温度场和应变场的反演，即根据氢气瓶上各离散测点的信息，通过数据采集模块存储到上位机，进行插值拟合计算得到整个氢气瓶的温度场和应变场；根据整个氢气瓶在一定压力下的温度场和应变场信息，判断是否存在应力集中现象，评估车载氢气瓶的受损程度，从而判断车载氢气瓶是否能够继续使用。

所述装置实现在线监测车载氢气瓶结构的健康状态。

可选的，所述车载氢气瓶包括内胆、碳纤维、玻璃纤维、瓶口阀和尾堵；

所述车载氢气瓶的内胆两端分别设有瓶口阀和尾堵；

所述内胆外覆有光纤；

所述光纤外覆有碳纤维；

所述碳纤维外覆有玻璃纤维。

可选的，所述光纤传感器按共轭缠绕方式，以螺旋状缠绕设置在车载氢气瓶的内胆与碳纤维之间。

一种氢气瓶无损检测方法，该方法为：

在车载氢气瓶生产过程中，将分布式光纤I和光纤II采用共轭缠绕方式，以螺旋状缠绕到内胆与碳纤维之间，用环氧树脂胶水进行固定，外部缠绕碳纤维及玻璃纤车载氢气瓶；两端设置瓶口阀和尾堵；

对光纤传感器采集到的温度和应变信号进行空间坐标换算，得到车载氢气瓶上各测点处的温度和应变信息；进行结构温度场和应变场的反演，即根据氢气瓶上各离散测点的信息，通过数据采集模块存储到上位机，进行插值拟合计算得到整个氢气瓶的温度场和应变场；根据整个氢气瓶在一定压力下的温度场和应变场信息，判断是否存在应力集中现象，评估车载氢气瓶的受损程度，从而判断车载氢气瓶是否能够继续使用。

可选的，该方法为：所述插值拟合计算采用克里金法，公式为：

式中A^*(x)是在位置x处温度/应变的估计值；A(x_i)是位置x_i处温度/应变的测量值；λ是分配给A(x_i)的残差权重；n是用于估算过程的温度测量值的个数；以估计值的方差最小和无偏性作为选取标准，推导出计算权重的克里金法的线性方程组

式中，γ_ij＝γ(x_i-x_j)为距离x_i和x_j之间的变异函数值；μ为估计值方差极小值时引入的拉格朗日乘数；通过上式求解可得到所有的权重λ₁,…,λ_n进而通过(1)式求得估计值A^*，即得到未测点处温度/应变信息。

可选的，所述判断车载氢气瓶是否能够继续使用的准则为：

合金内胆的强度失效准则：根据最大应力或应变失效理论，结合反演的应力应变云图，按如下强度条件判断气瓶内胆是否失效：

强度条件：σ₁≤[σ]＝σ_s/n，n为安全系数，n取2；σ₁为检测到的材料最大应力，[σ]为内胆的许用应力，σ_s为内胆的屈服强度；

ε₁≤ε_jx，ε_jx是指材料拉伸时的最大伸长线应变；ε₁为检测到的材料最大应变；

纤维层的强度失效准则：基于连续损伤力学理论CDM理论、弹塑性力学理论和复合材料层合板理论，包括最大应力或者应变、Hashin、Hoffman、Tsai-Wu和Tsai-Hill失效理论，结合应力云图，找出应力集中的位置，对比复合材料层的失效准则，判断车载氢气瓶复合层的受损程度；

根据应力应变反演云图，结合合金内胆和纤维层的强度失效准则，判断内胆或者复合层是否失效，评估氢气瓶的受损程度，判断氢气瓶是否能够继续使用。

本发明的有益效果在于：

1.本套检测装置具有结构简单、操作方便和后期运营成本低等优点；

2.利用分布式光纤实现多通道的数据动态采集和精准定位，提高了测量的精确度。分布式光纤传感技术可以提供高空间分辨率的应变和温度测试，绘制出测试结构的应变/温度云图；

3.仅需要对采集的数据进行整理及分析便可判断出气瓶的损坏程度以及损坏部位，操作简单，易于实现，提高了燃料电池汽车氢系统的安全性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为车载氢气瓶内部光纤布置方式示意图；

图2为车载氢气瓶结构及测量装置示意图；

图3为车载氢气瓶无损检测工作流程图；

图4为无损检测系统装置原理图。

附图标记：1-光纤I，2-光纤II，3-内胆，4-碳纤维，5-玻璃纤维，6-瓶口阀，7-尾堵。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

1.传感器布置方式

如图1和图2所示，在车载氢气瓶生产过程中，将分布式光纤I1和光纤II 2采用共轭缠绕方式，以螺旋状缠绕到内胆3与碳纤维4之间，用环氧树脂胶水进行固定，外部缠绕碳纤维4及玻璃纤维5，两端设有瓶口阀6和尾堵7。光纤传感器的直径很小，直径大约250μm(为表明各结构相对位置，图示将光纤放大)，因此基本不会对车载氢气瓶的结构强度产生影响，并且其柔韧性好，疲劳寿命长，可以嵌入车载氢气瓶结构内部，进行长时间的结构健康检测。

2.无损检测装置系统组成

本发明主要基于车载氢气瓶、分布式光纤传感器、出口光纤接线接口、解调仪模块和上位机软件组成，并按照图4方式进行信号传递及数据采集。光纤传感器采集氢气充装过程中的温度和应变信号，通过数据采集模块存储到上位机，进行数据处理及分析，通过插值算法反演出被测气瓶的温度场及应变场，寻找应力集中及温度上升异常点，结合宏观检查结果，综合分析判断气瓶是否产生较大的失效现象。出口光纤预留一定长度并用橡胶套等固定与瓶口等部位，在加氢口位置设置光纤接口，实现在线监测车载氢气瓶结构的健康状态，而不必把容器拆卸下来。

3.通过数据分析判断车载氢气瓶是否失效

对光纤传感器采集到的温度和应变数据进行空间坐标换算，得到氢气瓶上各测点处的温度和应变信息。进行结构温度场和应变场的反演，即根据氢气瓶上各离散测点的信息，进行插值拟合计算得到整个氢气瓶的温度场和应变场。根据整个氢气瓶在一定压力下的温度场和应变场信息，判断是否存在应力集中现象，评估氢气瓶的受损程度，从而判断氢气瓶是否可以继续使用。

4.数据处理与三维可视化空间插值

分布式光纤传感技术可提供高空间分别率的应变和温度测试，1m传感光纤能够获取1000个应变/温度测试点。按图1方式在氢气瓶中布置光纤传感器，气瓶进行充气试验时，对分布式光纤传感器采集到的数据进行空间坐标换算，即可得到气瓶测点位置的温度/应变数据。以测点数据为基础，采用外推或内插的数据处理方式，估计未布置传感器区域处的温度/应变情况从而反演出气瓶的温度/应变场。

目前常用的插值方法有样条函数法、趋势面法、最近邻点插值法、克里金法。本发明拟采用克里金法进行插值。克里金法是一种空间插值方法，其估计公式为：

式中A^*(x)是在位置x处温度/应变的估计值；A(x_i)是位置x_i处温度/应变的测量值；λ是分配给A(x_i)的残差权重；n是用于估算过程的温度测量值的个数。以估计值的方差最小和无偏性作为选取标准，推导出计算权重的克里金法的线性方程组

式中，γ_ij＝γ(x_i-x_j)为距离x_i和x_j之间的变异函数值；μ为估计值方差极小值时引入的拉格朗日乘数。通过上式求解可得到所有的权重λ₁,…,λ_n进而通过(1)式求得估计值A^*，即可得到未测点处温度/应变信息。

5.车载氢气瓶失效判断准则

合金内胆的强度失效准则：根据最大应力或应变失效理论，结合反演的应力应变云图，按如下强度条件判断气瓶内胆是否失效。

强度条件：σ₁≤[σ]＝σ_s/n；n为安全系数，根据实际需求选取；这里，n取2；σ₁为检测到的材料最大应力，[σ]为内胆的许用应力，σ_s为内胆的屈服强度；

ε₁≤ε_jx，ε_jx是指材料拉伸时的最大伸长线应变，ε₁为检测到的材料最大应变；

纤维层的强度失效准则：基于CDM理论(连续损伤力学理论)、弹塑性力学理论和复合材料层合板理论，包括最大应力或者应变、Hashin、Hoffman、Tsai-Wu和Tsai-Hill等失效理论，结合应力云图，找出应力集中的位置，对比复合材料层的失效准则，判断车载氢气瓶复合层的受损程度。

根据应力应变反演云图，结合合金内胆和纤维层的强度失效准则，判断内胆或者复合层是否失效，评估氢气瓶的受损程度，判断氢气瓶是否可以继续使用。

气瓶试验前记录受试气瓶的具体型号。按照如图3所示的检测流程，首先将待测气瓶内部氢气排空或者排至某一较低压力值，然后按照标准GB/T 9252-2017《气瓶压力循环试验》和GB/T 35544《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》等标准或相关新标准对氢气瓶进行压力循环试验。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种氢气瓶无损检测方法，其特征在于：该方法为：

在车载氢气瓶生产过程中，将分布式光纤I和光纤II采用共轭缠绕方式，以螺旋状缠绕到内胆与碳纤维之间，用环氧树脂胶水进行固定，外部缠绕碳纤维及玻璃纤车载氢气瓶；两端设置瓶口阀和尾堵；

对光纤传感器采集到的温度和应变信号进行空间坐标换算，得到车载氢气瓶上各测点处的温度和应变信息；进行结构温度场和应变场的反演，即根据氢气瓶上各离散测点的信息，通过数据采集模块存储到上位机，进行插值拟合计算得到整个氢气瓶的温度场和应变场；根据整个氢气瓶在一定压力下的温度场和应变场信息，判断是否存在应力集中现象，评估车载氢气瓶的受损程度，从而判断车载氢气瓶是否能够继续使用。

2.根据权利要求1所述的一种氢气瓶无损检测方法，其特征在于：该方法为：所述插值拟合计算采用克里金法，公式为：

式中A^*(x)是在位置x处温度/应变的估计值；A(x_i)是位置x_i处温度/应变的测量值；λ是分配给A(x_i)的残差权重；n是用于估算过程的温度测量值的个数；以估计值的方差最小和无偏性作为选取标准，推导出计算权重的克里金法的线性方程组

式中，γ_ij＝γ(x_i-x_j)为距离x_i和x_j之间的变异函数值；μ为估计值方差极小值时引入的拉格朗日乘数；通过上式求解可得到所有的权重λ₁,…,λ_n进而通过(1)式求得估计值A^*，即得到未测点处温度/应变信息。

3.根据权利要求1所述的一种氢气瓶无损检测方法，其特征在于：所述判断车载氢气瓶是否能够继续使用具体为：

合金内胆的强度失效准则：根据最大应力或应变失效理论，结合反演的应力应变云图，按如下强度条件判断气瓶内胆是否失效：

强度条件：σ₁≤[σ]＝σ_s/n，n为安全系数，n取2；σ₁为检测到的材料最大应力，[σ]为内胆的许用应力，σ_s为内胆的屈服强度；

ε₁≤ε_jx，ε_jx是指材料拉伸时的最大伸长线应变；ε₁为检测到的材料最大应变；

纤维层的强度失效准则：基于连续损伤力学CDM理论、弹塑性力学理论、复合材料层合板理论、最大应力理论、最大应变理论、Hashin理论、Hoffman理论、Tsai-Wu理论和Tsai-Hill失效理论，结合应力云图，找出应力集中位置的情况，对比复合材料层的失效准则，判断车载氢气瓶复合层的受损程度；

根据应力应变反演云图，结合合金内胆和纤维层的强度失效准则，判断内胆或者复合层是否失效，评估氢气瓶的受损程度，判断氢气瓶是否能够继续使用。

4.基于权利要求1～3中任一项所述方法的氢气瓶无损检测装置，其特征在于：该装置包括依次连接的

车载氢气瓶，

用于采集温度和应变数据的光纤传感器，

用于连接光纤的光纤接口，

解调仪模块；

和用于数据处理的上位机；

所述光纤接口设置在车载氢气瓶的加氢口；

对光纤传感器采集到的温度和应变信号进行空间坐标换算，得到车载氢气瓶上各测点处的温度和应变信息；进行结构温度场和应变场的反演，即根据氢气瓶上各离散测点的信息，通过数据采集模块存储到上位机，进行插值拟合计算得到整个氢气瓶的温度场和应变场；根据整个氢气瓶在一定压力下的温度场和应变场信息，判断是否存在应力集中现象，评估车载氢气瓶的受损程度，从而判断车载氢气瓶是否能够继续使用。

5.根据权利要求1所述的一种氢气瓶无损检测装置，其特征在于：所述车载氢气瓶包括内胆、碳纤维、玻璃纤维、瓶口阀和尾堵；

所述车载氢气瓶的内胆两端分别设有瓶口阀和尾堵；

所述内胆外覆有光纤；

所述光纤外覆有碳纤维；

所述碳纤维外覆有玻璃纤维。

6.根据权利要求5所述的一种氢气瓶无损检测装置，其特征在于：所述光纤传感器按共轭缠绕方式，以螺旋状缠绕设置在车载氢气瓶的内胆与碳纤维之间。

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