[0001] 本发明涉及储氢罐技术领域，具体涉及一种IV型储氢罐工作状态实时监测的传感系统。

[0002] 近年来，基于各种储氢技术带动的氢能源的发展，人们越发的关注储氢罐在生产生活以及工业领域中的应用如汽车、能源、航天等。但是氢本身具有活泼的化学性质，一旦出现在富氧环境中会快速燃烧甚至发生爆炸，危害系统和人身安全。考虑到这一点，IV型储氢罐对于安全工作的设计要求较高，所以在IV型储氢罐工作过程中对其状态进行实时监测以及反馈是必要的。

[0003] 目前IV型储氢罐现有的监测技术(公开号为CN117570364A、名称为：一种车载供氢系统泄露报警装置)，是在储氢罐内部或内胆表面放置应变片或者传感器，但是这种方法存在监测手段单一以及仅仅能监测压力变化这一问题，而储氢罐在服役过程中更易出现的冲击损伤、疲劳损伤、基体开裂等极易导致系统瘫痪的前期损伤是难以监测的，这将会使预警变得不够及时，无法快速的对损伤做出应对；另外，对于纤维缠绕层间发生的损伤，很难保证不影响强度的同时进行全面监测。

[0025] 下面结合附图以及实施例对本发明作进一步说明。

[0026] 如图1所示，一种IV型储氢罐工作状态实时监测的传感系统，包括由罐内感知模块、内胆感知模块、缠绕层感知模块、表层感知模块组成的感知模块，感知模块的输出和信息收集分类模块的输入连接，信息收集分类模块的输出和监测分析模块的输入连接，监测分析模块的输出和显示预警模块的输入连接；依靠罐内感知模块、内胆感知模块、缠绕层感知模块、表层感知模块确定储氢罐各个部位的多元多维度参数信息，包括应力、应变、温度、湿度、氢气密度、冲击等，由总线汇总至信息收集分类模块，信息收集分类模块对大量复杂信息进行整合分类，排除无用与多余信息，保留关键信息，并按位置关系进行整合，再传输至监测分析模块，监测分析模块对储氢罐各部位的信息进行分析，包括确定损伤、预测可能损伤、发现异常参数、寻找薄弱位置；显示预警模块接收并整合由监测分析模块传递的异常信息，内部存有各传感器组正常工作状态数据，用于实时对比分析，确定异常的可能处理方案，对储氢罐维护人员进行示警，以便于实际维护和修复。

[0027] 感知模块的具体设置：储氢罐内的瓶口、瓶身、焊缝、瓶底易发生损伤部位放置多个监测传感器；在内胆表面易发生损伤部位放置多个监测传感器；在缠绕层内部放置多个监测传感器；在储氢罐表面放置多个监测传感器形成整体感知模块系统，传感器类型包括温度传感器、应变传感器、压力传感器、表面形貌传感器、纤维压阻传感器等；考虑到储氢罐通常具有体积较大，部位关联不紧密的特点，传感器组采取周期或阵列方式放置，以便于形成对罐内的全方位无错漏感知；之后将信息汇总传输至信息分类收集模块，并在监测分析模块进行处理，形成罐内参数感知网络，生成工作状态图像，显示风险可能发生或已发生区域。

[0028] 传感器组对于不同的感知模块具有不同的周期或阵列方式：对于罐内，空间受到的限制较大且内部参数较为一致，采用从瓶口沿筒体母线方向的线性阵列放置少量传感器的方式；对于内胆，由于存在较多关键部位与损伤可能性，集中在焊缝、瓶体等部分沿圆周周期布置大量传感器；对于缠绕层内部，减小传感器对强度影响，在关键过渡层与普通层交替布置少量传感器；对于表层，沿圆周周期布置大量传感器。

[0029] 不同传感器实现不同监测功能，以实现全方位全面监测：

[0030] 温度传感器对温度信号作出反馈，显示氢气存入以及排放过程中瓶口及瓶身温度变化，经监测分析模块处理后，与正常理论温度值进行对比，判断储氢放氢过程罐体工作状态是否正常，有无损伤风险；

[0031] 压力传感器对罐内压力作出反馈，显示储氢罐运行状态下罐内压力变化过程，经监测分析模块处理后，与正常理论工作状态下的压力值进行对比，判断是否存在气体的泄漏与不足，以便于及时发现风险；

[0032] 表面形貌传感器对表面的状态作出反馈，显示内胆表面和外表面的腐蚀、冲击等损伤状况，并与应力传感器的反馈相结合，经监测分析模块对比分析确定后续可工作时长，避免泄漏与损伤风险；

[0033] 纤维压阻传感器对缠绕层的内部状态作出反馈，显示各缠绕层与层间的应力变化，经监测分析模块处理后，与正常理论值进行对比，判断是否存在层间断裂以及内部裂纹等微小内部损伤，以便于及时进行修复。

[0034] 信息收集分类模块的具体设置：将感知模块各部分传感器传递的信息按位置与强度进行分类，对低于设定强度阈值的信号进行识别剔除，对高于设定强度的信号进行优先发送，保证监测分析模块对于损伤响应的及时与迅速，同时缓解信息量压力，减小负担。

[0035] 监测分析模块的具体设置：将信息收集分类模块传递的信息按不同的优先级进行解析与图像显示，对于损伤等危险信息标红优先呈现于还原的三维立体图形中，以便于操作人员快速找准损伤位置进行修复；同时对于其他可能损伤信息进行示警，最大程度的保证安全工作。

[0036] 本实施例的内胆为筒身长600mm，内径165mm，壁厚3mm，两端开口60mm的椭圆封头内胆。

[0037] 如图2所示，罐口作为充氢放氢过程最为关键也是最为危险的部分，本实施例放置一个温度传感器1与压力传感器2监测附近的温度和压力，确保罐口处安全稳定，没有泄漏风险；在罐内内胆薄弱位置如筒身封头连接处，沿圆周间隔180°阵列放置2个表面形貌传感器3，监测表面的腐蚀状况；罐内中央放置1个压力传感器2监测内部整体压力状态；各传感器组组合形成罐内感知模块，完整感知罐内工作状态。

[0038] 如图3所示，在缠绕层中，保持恒定的应力维持系统最为重要，但各缠绕层之间联系较为密切，关系错综复杂，本实施例需要在各缠绕层之间与缠绕模式切换层间放置应变传感器4，监测缠绕层的应力状态；同时，纤维缠绕层在长时间运行过程中容易发生疲劳损伤、层间断裂、脱粘等现象，少量的纤维压阻传感器5可以有效的监测运行过程中缠绕层碳纤维间的变化，且对整体强度影响较小，实现对疲劳损伤、层间断裂、脱粘的提前预警。

[0039] 本实施例缠绕层采用环向缠绕和螺旋缠绕交替进行的方式进行整体缠绕排布，以工业四轴缠绕机进行缠绕工作，缠绕所用纤维为T700SC，首层螺旋缠绕以10°～15°的缠绕角进行，张力从140‑180N至70‑100N逐层递减，保证基体内部应力；环向缠绕角取80‑88°，张力跟随螺旋缠绕层变化；螺旋纤维总厚度为4.2mm，环向纤维厚度为6.2mm。即螺旋缠绕纤维23层，环向缠绕纤维34层；整体缠绕过程采用4股纱线并用的湿法缠绕方法，所用环氧树脂为高强度环氧树脂，粘结剂占比12％，纤维比重占总重70％；为防止纤维缠绕过程中的端部堆积现象，缠绕角以每两层1‑2°扩展螺旋缠绕角至30°。

[0040] 本实施例纤维压阻传感器以电辅助浸润方法进行制备，选用1根T700或T800纤维去除表面杂丝以及污染物，于300‑500V电场中浸润CNT溶液15min，强化电阻特性并保证结合效果；之后于30‑70V电场中浸润PVA30min，强化机械性能与内部结合力；最后浸泡在树脂中形成纤维压阻传感器，在缠绕过程中以0°母线方向嵌入螺旋缠绕层与环向缠绕层间，跟随螺旋缠绕方向嵌入缠绕层中，作为第5股纱线辅助缠绕，将传感器紧密的结合在缠绕层内部。

[0041] 本实施例制备的纤维压阻传感器实际拉伸强度可达2300Mpa，与缠绕所用纤维强度接近，可以同时保证缠绕层强度需求与传感需求。

[0042] 本实施例制造的IV型储氢罐工作压强可达35Mpa，爆破压强可达70Mpa，可以有效满足大部分使用需求；本实施例制造的IV型储氢罐缠绕层监测覆盖率可达100％，缠绕层强度无明显下降，满足日常监测以及使用需求。

[0043] 本实施例中共嵌入20根纤维压阻传感器5，交错排列在环向缠绕层与螺旋缠绕层间，能够检测缠绕层内部发生的断裂，层间破坏，疲劳损伤，检测准确率可达97％。