CN114962995B - 一种预制传感器膜层、缠绕气瓶健康监测系统及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预制传感器膜层、缠绕气瓶健康监测系统及制备方法，属于智能复合材料压力容器制造技术领域，解决了现有技术中传感器应用于缠绕气瓶健康监测时会引入缺陷，影响气瓶力学性能、长期监测可靠性差的问题。一种预制传感器膜层，包括依次设置的离型纸、传感层和绝缘层；传感层包括压电树脂传感器、导电树脂导线和绝缘树脂；压电树脂传感器与导电树脂导线连接；传感层未设置压电树脂传感器和导电树脂导线的区域由绝缘树脂填充。本发明提高了缠绕气瓶健康监测可靠性。

Description

一种预制传感器膜层、缠绕气瓶健康监测系统及制备方法

技术领域

本发明属于智能复合材料压力容器制造技术领域，特别涉及一种预制传感器膜层、缠绕气瓶健康监测系统及制备方法。

背景技术

我国现有储氢瓶，主要为35Mpa三型瓶。金属氢脆效应随储氢压力升高更显著，直接沿用现有三型瓶技术路线升级空间受到限制。采用塑料内胆复合材料缠绕70Mpa四型瓶，具有耐腐蚀、重量轻、强度高度的特点，具有良好的发展前景。但其复杂的结构使其自身在制造和服役过程中存在更多、更复杂的损伤机理。

缠绕层在工作过程中需要经历循环压力变化，结合长期工作过程中可能遭遇的局部冲击等因素，可能引起缠绕层内部出现微裂纹。微裂纹往往是缠绕气瓶结构破坏的早期症状，通过监控缠绕层微裂纹情况可以预防缠绕气瓶爆炸等重大事故的发生，为气瓶安全使用寿命评估提供依据。

目前对于缠绕气瓶健康监测方案，传感器主要采用埋入或粘贴方案。但是传感器在埋入缠绕层后，相当于在缠绕层中引入了人为缺陷，从而会对缠绕气瓶整体力学性能造成一定的影响，粘贴方案由于材料物性差异，长期使用对传感器的保护和与气瓶粘贴的可靠性都存在隐患。

发明内容

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种预制传感器膜层、缠绕气瓶健康监测系统及制备方法，用以解决现有技术中传感器应用于缠绕气瓶健康监测时会引入缺陷，影响气瓶力学性能、长期监测可靠性差等问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种预制传感器膜层，包括依次设置的离型纸、传感层和绝缘层；

所述传感层包括压电树脂传感器、导电树脂导线和绝缘树脂；

所述压电树脂传感器与导电树脂导线连接；所述传感层未设置压电树脂传感器和导电树脂导线的区域由绝缘树脂填充，形成绝缘树脂隔离区。

进一步的，所述压电树脂传感器、导电树脂导线、绝缘树脂和绝缘层的基体树脂均与气瓶的缠绕层的基体树脂相同。

进一步的，所述绝缘层上设置有开口，暴露出部分导电树脂导线形成触点。

进一步的，所述传感层厚度为20-200um。

另一方面，本发明还提供了一种预制传感器膜层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.配制压电树脂、导电树脂和绝缘树脂；

步骤2.分别采用所述压电树脂、导电树脂和绝缘树脂在离型纸上打印压电树脂传感器、导电树脂导线和绝缘树脂隔离区，形成传感层；

步骤3.采用绝缘树脂在所述传感层上打印绝缘层，形成触点，完成预制传感器膜层的制备。

进一步的，所述压电树脂通过在基体树脂中添加压电填料制得。

进一步的，所述导电树脂通过在基体树脂中添加导电填料制得；

所述基体树脂为热塑树脂。

另一方面，本发明还提供了一种缠绕气瓶健康监测系统，包括预制传感器膜层、控制系统和电源；

所述预制传感器膜层设置在气瓶的缠绕层外；

所述预制传感器膜层与控制系统连接，所述控制系统与电源连接。

另一方面，本发明还提供了一种缠绕气瓶，包括内胆、缠绕在内胆外的缠绕层和缠绕气瓶健康监测系统。

另一方面，本发明还提供了一种缠绕气瓶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.将预制传感器膜层的离型纸去除后铺覆在所述缠绕层上，所述传感层与缠绕层接触；

步骤2.将缠绕层和预制传感器膜层一起进行固化；

步骤3.采用柔性电路将传感层与控制系统进行连接，将控制系统与电源进行连接，完成缠绕气瓶的制备。

另一方面，本发明还提供了一种气瓶健康监测方法，包括以下步骤：

步骤1.电源为控制系统供电；

步骤2.控制系统对压电传感器进行阻抗特性测试；

步骤3.通过监控气瓶充满后各压电传感器响应的差异和压电传感器每次充气过程的响应差异，根据事先建立的数据模型，判断气瓶结构是否损伤。

与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：

1)本发明采用热塑树脂通过打印技术制备预制传感器膜层，便于批量生产；且可提前进行制备，使用时将预制传感器膜层铺覆在缠绕气瓶表面即可。预制传感器膜层生产和应用都极其便利，可提高具备健康监测系统的缠绕气瓶的制备效率。

2)由于传感层和绝缘层的基体树脂与气瓶缠绕层的基体树脂一致，传感层和绝缘层与气瓶缠绕层一起固化后融合为一体，形成复合材料结构。从功能分解角度讲，复合材料结构承担了气瓶安全监测的功能，对复合材料结构损伤进行监测，减少了测量传递流程，不会对气瓶造成结构破坏，具有良好的可靠性。

3)本发明电源为基于温差发电的自供给能源模块，在充气阶段利用气瓶内部压力迅速升高发热产生的能量，由温差发电的自供给能源模块转化为电能为控制系统供电。本发明充分利用气瓶充气过程产生的升温为控制系统提供能量，通过对气瓶充气过程的结构应力变化动态过程和差异测量气瓶结构安全，既保证了测量的覆盖性，同时降低了长期监测的系统开销和复杂性。

4)在自供给能源模块的冷端设置热管，可进一步的降低自供给能源模块冷端的温度，提高自供给能源模块两端的温差。

5)考虑到缠绕气瓶工作时不同部位的受力不同，将传感层的压电树脂传感器分为重点受力区传感器和普通受力区传感器。既可对重点受力区实现重点监测，又可将普通受力区全面覆盖，监测效果更可靠。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

图1为缠绕气瓶示意图；

图2为预制传感器膜层侧视示意图；

图3为预制传感器膜层俯视示意图；

图4为缠绕气瓶健康监测系统示意图。

附图标记：

1-预制传感器膜层；101-离型纸；102-传感层；1021-压电树脂传感器；1022-导电树脂导线；1023-绝缘树脂隔离区；103-绝缘层；104-触点；2-柔性电路转接线；3-缠绕层；4-测控模块；5-温差发电片；6-热管。

具体实施方式

以下结合具体实施例对一种预制传感器膜层、缠绕气瓶健康监测系统及制备方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。

一种预制传感器膜层，如图2、图3所示，由依次设置的离型纸101、传感层102和绝缘层103组成；传感层102包括压电树脂传感器1021、导电树脂导线1022和绝缘树脂；压电树脂传感器1021与导电树脂导线1022连接；传感层102未设置压电树脂传感器1021和导电树脂导线1022的区域由绝缘树脂填充，形成绝缘树脂隔离区1023；压电树脂传感器1021、导电树脂导线1022、绝缘树脂和绝缘层103的基体树脂均与缠绕气瓶的缠绕层3的基体树脂相同。

具体的，基体树脂为热塑树脂，优选的，热塑树脂为增韧环氧树脂。本发明采用热塑性改性树脂通过打印技术制备预制传感器膜层1，便于批量生产；且可提前进行制备，使用时将预制传感器膜层1铺覆在缠绕气瓶表面即可。预制传感器膜层1生产和应用都极其便利，可提高具备健康监测系统的缠绕气瓶的制备效率。

由于传感层102和绝缘层103的基体树脂与气瓶缠绕层3的基体树脂一致，传感层102和绝缘层103与气瓶缠绕层3一起固化后融合为一体，形成复合材料结构。从功能分解角度讲，复合材料结构承担了气瓶安全监测的功能，对复合材料结构损伤进行监测，减少了测量传递流程，不会对气瓶造成结构破坏，具有良好的可靠性。

绝缘层103上设置有开口，暴露出部分导电树脂导线1022形成触点104。预制传感器膜层1在后续应用时，触点104用于将其与控制系统等元件连接。

优选的，传感层102厚度为20-200um。若传感层102太薄，会造成预制传感器膜层1性能不稳定；若传感层102太厚，会造成重量较大且成本较高。

考虑到缠绕气瓶工作时不同部位的受力不同，将传感层102的压电树脂传感器1021分为重点受力区传感器和普通受力区传感器。示例性的，如图1、图3所示，气瓶上、下两端收缩弯曲部位存在的应力较大，长期使用过程中较易出现损伤，在预制传感器膜层1两端对应于气瓶上、下两端收缩弯曲部位的压电树脂传感器1021，局部增加传感器数量；在预制传感器膜层1中间对应于气瓶圆柱形瓶身的压电树脂传感器1021设置为波浪形条状传感器，主要监测气瓶结构的非对称形变。

一种预制传感器膜层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.配制压电树脂、导电树脂和绝缘树脂；

步骤2.分别采用压电树脂、导电树脂和绝缘树脂在离型纸101上打印(如3D打印)压电树脂传感器1021、导电树脂导线1022和绝缘树脂隔离区1023，形成传感层102；

步骤3.采用绝缘树脂在传感层102上打印(如3D打印)绝缘层103，形成触点104，完成预制传感器膜层1的制备。

步骤1中，压电树脂、导电树脂和绝缘树脂是通过对相同的基体树脂进行改性得到的，从而使压电树脂、导电树脂和绝缘树脂具有相似的应力应变性能。优选的，基体树脂采用绝缘性树脂，绝缘树脂直接采用基体树脂即可。

压电树脂通过在基体树脂中添加压电填料制得。示例性的，压电填料为PZT陶瓷粉末、铁电共聚物粉末等材料。复合材料结构固化后，充气时复合材料结构产生的结构应变将改变压电树脂传感器1021的阻抗特性，通过测量压电树脂传感器1021的阻抗特性变化，监控复合材料结构内部缺陷(微裂纹)的产生。

导电树脂通过在基体树脂中添加导电填料制得。示例性的，导电填料为导电炭黑、银粉、镍粉、铜粉、导电石墨烯或镀膜微球等材料。

一种缠绕气瓶健康监测系统，包括预制传感器膜层1、控制系统和电源；控制系统包括测控模块4、数据存储器、数据读出接口。预制传感器膜层1去除离型纸101后，铺覆在气瓶的缠绕层3表面。传感层102与控制系统连接，控制系统与电源连接。

预制传感器膜层1使用的数量为1个或多个，根据需要进行选择。示例性的，如图1所示，采用多个重复的预制传感器膜层1覆盖整个瓶体。

本发明通过预制传感器膜层1在气瓶缠绕层3表面形成一层传感层，使气瓶缠绕层具有应变变化自感知功能(特别针对气瓶缠绕层3的微裂纹)，实现气瓶全寿命健康监测。

缠绕气瓶健康监测系统的工作流程为：测控模块4对传感层102压电树脂传感器1021进行阻抗特性测试，由于压电树脂传感器1021的阻抗特性与气瓶复合材料结构的结构特性相关，通过监控气瓶充气充满后各压电树脂传感器1021响应的差异，和同一压电树脂传感器1021每次充气过程的响应差异，根据事先建立的数据模型，判断气瓶复合材料结构损伤。测试数据保存在非易失性数据存储器中以备读出。通过数据读出接口进行数据读取。

优选的，本发明电源为基于温差发电的自供给能源模块，例如半导体温差发电片5。在充气阶段利用气瓶内部压力迅速升高发热产生的能量，由温差发电片5转化为电能为控制系统供电。本发明充分利用气瓶充气过程产生的升温为控制系统提供能量，通过检测气瓶充气过程引起的结构应力动态变化和差异，监测气瓶结构安全，既保证了测量对气瓶工作过程结构缺陷发生重点阶段的安全监测覆盖，同时降低了长期监测的系统开销和复杂性。

进一步的，为了提高自供给能源模块两端的温差，在自供给能源模块的冷端设置热管6，降低自供给能源模块冷端的温度。

一种缠绕气瓶，包括内胆、缠绕在内胆外的缠绕层3和上述气瓶健康监测系统。

一种缠绕气瓶的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.将预制传感器膜层1的离型纸101去除后铺覆在缠绕层3上，传感层102与缠绕层3接触。

步骤2.将缠绕层3和预制传感器膜层1一起进行固化，形成表面含有压电传感器的复合材料结构；在内胆外进行缠绕形成缠绕层3后先不进行固化，待将预制传感器膜层贴1在缠绕层3外铺覆好后再一起进行固化，从而使缠绕层3和预制传感器膜层1固化后成为一体结构。

步骤3.将预制传感器膜层1的传感层102与控制系统进行连接，将控制系统与电源进行连接，完成缠绕气瓶的制备。

具体的，通过导电胶将传感层102的触点104与柔性电路转接线2或导线进行连接，引出电路接口，连接控制系统，再将控制系统与电源连接，实现对控制系统的供电和传感信号的读取。

一种缠绕气瓶的健康监测方法，包括以下步骤：

步骤1.利用在充气阶段气瓶内部压力迅速升高发热产生的能量，由温差发电片5转化为电能为控制系统供电；

步骤2.测控模块4对传感层102压电树脂传感器1021进行阻抗特性测试；

步骤3.通过监控气瓶充满后各压电树脂传感器1021响应的差异和同一压电树脂传感器1021每次充气过程的响应差异，根据事先建立的数据模型，判断气瓶结构是否损伤；

步骤4.测试数据保存在非易失性存储器中以备读出。

步骤5.测试结束后通过推送二维点阵数据构成的图案，构成人员可读的气瓶安全状态信息和二维码数据信息，直至气瓶与环境温差消失，结束测试。

实施例1

一种预制传感器膜层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1.通过在在基体树脂中添加导电炭黑构成导电树脂；通过在基体树脂中添加铁电共聚物粉末，构成压电传感树脂。

步骤2.分别采用压电树脂、导电树脂和绝缘树脂在离型纸101上打印(如3D打印)压电树脂传感器1021、导电树脂导线1022和绝缘树脂隔离区1023，构成100um的胶膜，形成传感层102；

步骤3.采用绝缘树脂在传感层102上打印(如3D打印)绝缘层103，形成触点104，完成预制传感器膜层1的制备。

其图样根据气瓶尺寸和监控进行需要设计，可裁剪分隔，贴于气瓶缠绕层3表面，本实施例如图2、图3所示，提供了一种侧重于气瓶肩部和轴向应变差异监控的传感层102设计。预制传感器膜层1对应气瓶肩部位置的压电树脂传感器1021设置为环形；对应气瓶轴向瓶身位置的压电树脂传感器1021设置为波浪形条状传感器。

实施例2

一种缠绕气瓶健康监测系统，如图4所示，包括预制传感器膜层1、控制系统和电源；预制传感器膜层1包括传感层102和绝缘层103；控制系统包括测控模块4；电源为温差发电片5。

传感层102、绝缘层103与气瓶缠绕层3同步固化后，传感层102、绝缘层103与缠绕层3融为一体，形成复合材料结构。在触点104通过导电胶与柔性电路转接线2连接，柔性电路转接线2连接接口连接至安装在气瓶尾部金属凸台的测控模块4，测控模块4对压电树脂传感器1021施加不同频率的电压激励，测试其阻抗特性。在气瓶充气阶段其复合材料结构的应力和应变变化最为显著，在此时机进行检测具有最佳的测试效率。

测试系统的供电由安装在气瓶尾部金属凸台中的温差发电片5提供，温差发电片5热端紧贴在金属凸台上，冷端通过热管6传至大气，保持冷端低温，实现温差发电。

本实施例提供了一种自供电的缠绕气瓶健康监测系统，具有与缠绕层3融合性好，批量生产效率高，实施灵活，接口简单的优点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种缠绕气瓶的制备方法，其特征在于，所述缠绕气瓶包括内胆、缠绕在内胆外的缠绕层和缠绕气瓶健康监测系统，所述缠绕气瓶健康监测系统包括预制传感器膜层、控制系统和电源；

所述预制传感器膜层设置在气瓶的缠绕层外；所述预制传感器膜层与控制系统连接，所述控制系统与电源连接；

所述预制传感器膜层，包括依次设置的离型纸、传感层和绝缘层；所述传感层包括压电树脂传感器、导电树脂导线和绝缘树脂；所述绝缘层上设置有开口，暴露出部分导电树脂导线形成触点；

所述压电树脂传感器与导电树脂导线连接；所述传感层未设置压电树脂传感器和导电树脂导线的区域由绝缘树脂填充，形成绝缘树脂隔离区；

分别采用压电树脂、导电树脂和绝缘树脂在离型纸上打印压电树脂传感器、导电树脂导线和绝缘树脂隔离区，形成所述传感层；

所述压电树脂、所述导电树脂和所述绝缘树脂是通过对相同的基体树脂进行改性得到，且基体树脂与所述缠绕层的基体树脂相同，所述传感层、所述绝缘层与所述缠绕层固化融合为一体；其中，所述压电树脂通过在所述基体树脂中添加压电填料制得，所述导电树脂通过在所述基体树脂中添加导电填料制得；

所述预制传感器膜层对应气瓶肩部位置的压电树脂传感器设置为环形；对应气瓶轴向瓶身位置的压电树脂传感器设置为波浪形条状传感器；所述制备方法包括以下步骤：

步骤1.将预制传感器膜层的离型纸去除后铺覆在所述缠绕层上，所述传感层与缠绕层接触；

步骤2.将缠绕层和预制传感器膜层一起进行固化；

步骤3.采用柔性电路将传感层与控制系统进行连接，将控制系统与电源进行连接，完成缠绕气瓶的制备。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述传感层厚度为20-200um。

3.一种缠绕气瓶，其特征在于，使用权利要求1或2所述的制备方法制备而得。

4.一种气瓶健康监测方法，其特征在于，应用于权利要求3所述的缠绕气瓶，所述监测方法包括以下步骤：

步骤1.电源为控制系统供电；

步骤2.控制系统对压电传感器进行阻抗特性测试；

步骤3.通过监控气瓶充满后各压电传感器响应的差异和压电传感器每次充气过程的响应差异，根据事先建立的数据模型，判断气瓶结构是否损伤。