[发明专利]一种基于光纤传感的车载储氢气瓶服役监测装置和方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于车载储氢气瓶实时监测技术领域，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。

背景技术

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。

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。

发明内容

本发明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。

本发明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。