一种基于光纤传感的车载储氢气瓶服役监测装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于光纤传感的车载储氢气瓶服役监测装置和方法，通过在储氢气瓶上缠绕光纤光栅并带应变传感器，通过加氢枪连接光纤法兰对储氢气瓶的内胆的充胀变形以及储氢气瓶复合材料结构的变形的双重形变信号进行感知、解调与分析，实时监测储氢气瓶的应力应变情况，通过反演识别和定位储氢气瓶的疲劳损伤结构，结合大数据云平台分析技术进一步对比和确认数据，实现了实时监测车载储氢气瓶的应力状态的功能，便于及时采取有效的防护措施，保障储氢气瓶的安全可靠，综合实现了车载储氢气瓶的实时监测和预警功能。储氢气瓶的实时监测和预警功能。储氢气瓶的实时监测和预警功能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤传感的车载储氢气瓶服役监测装置和方法


[0001]本专利技术属于车载储氢气瓶实时监测
，具体涉及一种基于光纤传感的车载储氢气瓶服役监测装置和方法。

技术介绍

[0002]中国车用氢能产业正处于快速起步阶段，然而相对于燃料电池汽车、加氢站及相关产业的快速发展，我国对氢能源利用安全技术的系统性研究相对匮乏，落后于产业发展的现实需求，尚不具备支撑产业健康快速发展的能力。一是我国氢能安全技术研究基础薄弱，氢能安全技术研究主要集中在氢燃料电池安全、氢行为、涉氢设备的材料相容性等基础领域，研究力量分散、深度不足，涉氢设备、材料和部件的安全可靠性测试方法和检测认证手段缺乏，燃料电池安全、整车安全、储氢罐安全研究不能包括实际应用过程的所有事故场景，加氢站安全技术研究接近空白。二是我国不具备国外普遍使用的供氢系统装备的产业化能力，与之相关的安全技术研究处于空白状态。国外供氢系统压力普遍是70MPa，由于技术和制造能力限制，我国车载用氢压力为35MPa。35MPa供氢压力极大降低了氢能汽车的行驶里程，增加了氢气的储存运输成本。目前国内70MPaⅢ型气瓶已经进入装车实验阶段，但尚未正式装车使用。未来70MPa系统的装车应用是必然趋势，这就要求储氢气瓶必须有与之相对应的可靠检验测试标准和方法做保障。三是车载储氢气瓶燃料汽车动力能源的安全性问题，车载气瓶监测准确性直接关系到生命财产安全和社会稳定。车载气瓶的缺陷，疲劳等问题已成为储氢燃料汽车的一个普遍隐患。因此，需要建立一套车载气瓶实时监测预警系统，在车载气瓶快速充气过程中对气瓶进行实时在线监测、预警、预报及紧急处理，对保证储氢燃料汽车的运营安全显得尤为重要。此外，本专利方法应用后，可在后续的科研实验、储氢行业、汽车行业推广应用，将有力的提升我国氢能的能源利用，极大的改善我国能源卡脖子问题。
[0003]目前，储氢气瓶检验比较好的监测方式是应变电测法技术、声发射技术、超声波技术等。应变电测法的工作原理就是利用电阻的应变效应来测量气瓶，对环境的要求比较好，电信号不够稳定，容易受到电磁干扰导致数据报误；声发射技术进行气瓶检测，主要检测气瓶瓶体内部和表面的缺陷，但是声发射易受到环境的干扰，无法满足气瓶运行中的应力状态监测；超声波应力技术的工作原理主要是利用超声波来实现气瓶的应力测量，可以测量气瓶的残余应力、工作应力、表面应力，但是由于该监测技术无法做到实时、在线监测，所以不能满足车载实时应力状态监测。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是：提供一种基于光纤传感的车载储氢气瓶服役监测装置和方法，用于实时监测车载储氢气瓶的应力状态。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于光纤传感的车载储氢气瓶服役监测装置，包括储氢气瓶、光纤光栅并带应变传感器、加氢枪、上位机、云平台；储
氢气瓶包括内胆和覆盖在内胆外侧的复合材料层，储氢气瓶的开口处设有瓶阀，瓶身固定有与储氢气瓶唯一对应的二维码；光纤光栅并带应变传感器螺旋缠绕在储氢气瓶的内胆的表面，并且在内胆成型后的复合材料层的表面继续缠绕，从瓶阀的出纤口处引出；光纤光栅并带应变传感器缠绕形成的线圈的层数为偶数，同一层线圈间平行，第奇数层线圈的方向与第偶数层线圈的方向交叉；加氢枪上设有光纤法兰接口，用于在加氢枪对接瓶阀加氢时连接瓶阀的出纤口处引出的光纤光栅并带应变传感器、采集储氢气瓶在快速充放氢气时的应变数据，光纤法兰接口的另一端连接上位机；上位机包括依次连接的光路模块和电路模块，用于实时接收、处理光纤光栅并带应变传感器感知氢气瓶的应变数据并通过网络上传云平台，根据储氢气瓶的特征模型判断储氢气瓶的应力集中情况、评估受损程度、评估储氢气瓶的寿命特征；云平台用于根据大数据下的储氢气瓶在充放压力下的应变场时序数据建立数据库和储氢气瓶的特征模型。
[0006]按上述方案，光纤光栅并带应变传感器包括若干根按照一定间距平行共面放置的光纤，和采用包覆型工艺涂敷的包覆所有光纤的包层。
[0007]按上述方案，光路模块包括依次连接的高速扫频光源、光耦合器和光信号分路调制模块；光信号分路调制模块包括梳状滤波器；高速扫频光源用于产生宽调谐范围、高稳定性的窄带光信号并输入若干个光耦合器；光耦合器用于将窄带光信号分路成多通道光信号；梳状滤波器和光纤光栅并带应变传感器分别连接在光耦合器的输出端，梳状滤波器用于得到透射光信号，光纤光栅并带应变传感器用于根据储氢气瓶在快速冲放下的物理量变化得到调制的反射光信号。
[0008]进一步的，电路模块包括依次连接的光电转换模块、多通道数据采集模块、AD模块、FPGA芯片、DA模块、特征生成模块、特征识别模块、数据异常监控模块、报警模块；光电转换模块包括集成光子芯片和光电探测器，光电转换模块用于将收到的光信号转换为电流信号并发送至多通道数据采集模块；多通道数据采集模块用于采集电流信号进行滤波、放大并发送至AD模块；AD模块用于对收到的电流信号进行模数转换处理并发送至FPGA芯片；FPGA芯片用于对收到的信号进行调理并发送至DA模块；DA模块用于对收到的信号进行数模转换处理并发送至特征生成模块；特征生成模块用于将具有特征点的电信号转换为模拟储氢气瓶的物理量并上传至云平台；特征识别模块用于根据二维码识别储氢气瓶，并从云平台调取对应的储氢气瓶的特征模型；数据异常监控模块用于根据储氢气瓶的特征模型评估判断当前储氢气瓶是否出现异常，并在判断异常时向报警模块发送报警信号；报警模块用于发出声光报警提醒人员及时维护或更换储氢气瓶。
[0009]按上述方案，上位机还包括无线通信模块和存储模块；无线通信模块用于在上位机和云平台之间建立通信；存储模块用于存储实时的监测数据、评估结论和报警记录。
[0010]一种光纤传感的车载储氢气瓶服役监测方法，包括以下步骤：
[0011]S0：搭建基于光纤传感的车载储氢气瓶服役监测装置，具体步骤如下；
[0012]S01：将若干根光纤按照一定间距平行共面放置，采用包覆型工艺涂敷的包覆所有光纤，制备出光纤光栅并带应变传感器；将光纤光栅并带应变传感器螺旋缠绕在储氢气瓶的内胆的表面，并且在内胆成型后的复合材料层的表面继续缠绕，从瓶阀的出纤口处引出；光纤光栅并带应变传感器缠绕形成的线圈的层数为偶数，同一层线圈间平行，第奇数层线圈的方向与第偶数层线圈的方向交叉；在储氢气瓶的瓶身设置与储氢气瓶唯一对应的二维
码，将储氢气瓶安装在车辆上；
[0013]S02：在加氢站的加氢枪上设置光纤法兰接口，光纤法兰接口的另一端连接上位机；在上位机中设置依次连接的光路模块和电路模块；光路模块包括依次连接的高速扫频光源、光耦合器和光信号分路调制模块；光信号分路调制模块中的梳状滤波器和光纤光栅并带应变传感器分别连接在光耦合器的输出端；电路模块包括依次连接的光电转换模块、多通道数据采集模块、AD模块、FPGA芯片、DA模块、特征生成模块、特征识别模块、数据异常监控模块、报警模块；光电转换模块包括集成光子芯片和光电探测器；上位机通过网络连接云平台；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤传感的车载储氢气瓶服役监测装置，其特征在于：包括储氢气瓶、光纤光栅并带应变传感器、加氢枪、上位机、云平台；储氢气瓶包括内胆和覆盖在内胆外侧的复合材料层，储氢气瓶的开口处设有瓶阀，瓶身固定有与储氢气瓶唯一对应的二维码；光纤光栅并带应变传感器螺旋缠绕在储氢气瓶的内胆的表面，并且在内胆成型后的复合材料层的表面继续缠绕，从瓶阀的出纤口处引出；光纤光栅并带应变传感器缠绕形成的线圈的层数为偶数，同一层线圈间平行，第奇数层线圈的方向与第偶数层线圈的方向交叉；加氢枪上设有光纤法兰接口，用于在加氢枪对接瓶阀加氢时连接瓶阀的出纤口处引出的光纤光栅并带应变传感器、采集储氢气瓶在快速充放氢气时的应变数据，光纤法兰接口的另一端连接上位机；上位机包括依次连接的光路模块和电路模块，用于实时接收、处理光纤光栅并带应变传感器感知氢气瓶的应变数据并通过网络上传云平台，根据储氢气瓶的特征模型判断储氢气瓶的应力集中情况、评估受损程度、评估储氢气瓶的寿命特征；云平台用于根据大数据下的储氢气瓶在充放压力下的应变场时序数据建立数据库和储氢气瓶的特征模型。2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的车载储氢气瓶服役监测装置，其特征在于：光纤光栅并带应变传感器包括若干根按照一定间距平行共面放置的光纤，和采用包覆型工艺涂敷的包覆所有光纤的包层。3.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的车载储氢气瓶服役监测装置，其特征在于：光路模块包括依次连接的高速扫频光源、光耦合器和光信号分路调制模块；光信号分路调制模块包括梳状滤波器；高速扫频光源用于产生宽调谐范围、高稳定性的窄带光信号并输入若干个光耦合器；光耦合器用于将窄带光信号分路成多通道光信号；梳状滤波器和光纤光栅并带应变传感器分别连接在光耦合器的输出端，梳状滤波器用于得到透射光信号，光纤光栅并带应变传感器用于根据储氢气瓶在快速冲放下的物理量变化得到调制的反射光信号。4.根据权利要求3所述的一种基于光纤传感的车载储氢气瓶服役监测装置，其特征在于：电路模块包括依次连接的光电转换模块、多通道数据采集模块、AD模块、FPGA芯片、DA模块、特征生成模块、特征识别模块、数据异常监控模块、报警模块；光电转换模块包括集成光子芯片和光电探测器，光电转换模块用于将收到的光信号转换为电流信号并发送至多通道数据采集模块；多通道数据采集模块用于采集电流信号进行滤波、放大并发送至AD模块；AD模块用于对收到的电流信号进行模数转换处理并发送至FPGA芯片；FPGA芯片用于对收到的信号进行调理并发送至DA模块；DA模块用于对收到的信号进行数模转换处理并发送至特征生成模块；特征生成模块用于将具有特征点的电信号转换为模拟储氢气瓶的物理量并上传至云平台；特征识别模块用于根据二维码识别储氢气瓶，并从云平台调取对应的储氢气瓶的特征模型；数据异常监控模块用于根据储氢气瓶的特征模型评估判断当前储氢气瓶是否出现异常，并在判断异常时向报警模块发送报警信号；报警模块用于发出声光报警提醒人员及时维护或更换储氢气瓶。5.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的车载储氢气瓶服役监测装置，其特征在于：上位机还包括无线通信模块和存储模块；无线通信模块用于在上位机和云平台之间建立通信；存储模块用于存储实时的监测数据、评估结论和报警记录。
6.一种基于权利要求1至5中任意一项所述的基于光纤传感的车载储氢气瓶服役监测装置的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：S0：搭建基于光纤传感的车载储氢气瓶服役监测装置，具体步骤如下；S01：将若干根光纤按照一定间距平行共面放置，采用包覆型工艺涂敷的包覆所有光纤，制备出光纤光栅并带应变传感器；将光纤光栅并带应变传感器螺旋缠绕在储氢气瓶的内胆的表面，并且在内胆成型后的复合材料层的表面继续缠绕，从瓶阀的出纤口处引出；光纤光栅并带应变传感器缠绕形成的线圈的层数为偶数，同一层线圈间平行，第奇数层线圈的方向与第偶数层线圈...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁磊，段宇星，童晓玲，戴澍，吴崧，杜尚明，杨建宇，骆丙铈，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：