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技术综述
纤维缠绕复合材料压力容器健康监测研究进展
赵海涛,张博明,武湛君,王殿高,戴福洪
(哈尔滨工业大学复合材料方结构研究所,黑龙江哈尔滨150001
摘要:的述了纤维缠绕复合材料压力容器健康监测传感器的特点和原理,対纤维缠绕复合材料结
构健康嗌测T.作中的化过程隘测、服役环境隘测、内压和结构成变嗌测、损伤隘测、爆破压力监
测、泄漏监测进行了介绍和比较。最后,对纤维缠绕复合材料结构健监测工作进行了展鞋,并提
出了几点建议。
关健词:复合材料压力容器;光纤光栅传感器;智能火层;SOFO传感器;健康监测
中图分类号:10051.3:T0060.1文献标识码:A文学编号:1001-4837(2007)03-0048-06
Development of Health Monitoring for Filament Wound
Composite Pressure Vessels
ZHAO Hai-tao, ZHANG Bo-ming, WU Zhan-jun, WANG Dian-fu, DAI Fu-hong
(Centre for Composite Materials &Structures, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)
Abstract: The characteristic and working principles of the sensors used in health monitoring for filament wound
composite pressure vessel are elaborated. Introductions and comparisons were given for cure process, environ
ment, pressure and strain, damage, burst pressure and hydrogen leakage of the structural health monitoring for
filament wound composite pressure vessels. The development prospects of the future sensors used in health mon
itoring for filament wound composite pressure vessels are presented, some suggestion was put forward
Key words: composite pressure vessels; fiber grating sensor; SMART layer; SOFO sensor; health monitoring
纤维缠绕复合材料结构广泛地应用于じ业的实时、动态、在线的特点。健康监测可以始于制造期
各个领域,例如,汽车用的压缩天然气气瓶、石油管间,止于结构的报废,能够实现结构的全寿命监测。
道、火箭的发动机外党、液体燃料儲箱2等。复合采用健康监测技术可以保证结构的安全性和可靠
材料虽然有重量轻的优点,但足容易受到冲损伤,性,避免发牛灾难性故障,保障使用人员的生命安
存在着众多的损伤机理。为了保证结构的安全使全,降低维护成本。
用,需要检查制造、运输和储疲等各个环节发生的意
复合材料压力容器健康监测起源于航天上可重
外损伤。目前广泛采用的传统无损检测技术,如C复使用的储箱。过去航大燃料儲箱均为?次性使
扌」描、超声波、X射线、磁涡流、红外热像法等-9,用,共成本居高不下。为了降低生产和维护成本,把
都是离线、静态、被动的材料及结构损伤檢测,而结结构健康监测技术应用到可重复使用储箱上,在重
构健监测系统的提出,改变了结构及材料安全监复使用过程中进行全寿命监测,保证其安全服役
测的思路。它利川粘贴在结构表面或预埋在结构内
例如,1998年,美困洛马航空公同在X-33可
部的传感器监测外部环境或白身状的变化,具有重复使用低温储箱上粘贴了FBG(光纤光栅)传感网
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第24卷第3期
容器
总第172期
络,提出分布式健康监测的概念?,最大限度地减同优点:
少连接线用量,降低结构重量,使健康监测技术更加
(1)体积小,重量轻,对结构强度的影响小
适合于航空航天领域。
(2)适合丁粘贴在结构表面或者埋入到结构中
日前,复合材料ド力容器健康监测内容主要有
(3)抗干扰能力强,耐久性好;
固化过程监测、服役环境监测、内压和结构应变监
4)易于实现分布式测址,减少述接导线用址
测、损伤监测、爆破压力监测、液体燃料泄滿监测測等
压电类传感器当前主要是指智能火层( SMART-
针対上述内容,木文系统地介绍了纤维缠绕复 laver),足采川印蒯电路方法制造的带有分布式排
合材料压力容器制造利和使用期?采用的健康监测技列压电元件的柔性层。压电元件采用压电陶瓷
术,通过比较分析,对未来健康监测传感技术的使加PZT,不仪是传感器,还是激励器,能进行主动监测。
和纤维缠绕复合材料压力容器的监测T工.作提出儿点
光纤传感的基木原理足以光纤的导波现象为基
建议和看法。
础,利用不同的导波原理可以制作出多种类型的传
感器,如法布里-珀罗千涉光纤传感器、光纤光栅传
复合材料压力容器健康监测传感器
感器(FBC)、SOFO传感器等。本文归纳总结了纤维
缠绕复合材料压力容器健康隘测中采用的传感技
目前应用」复合材料压力容器健康监测的传术,如表1所示。
感器主要分为压电和光纤两大类。它们具有如下共
表1压力容器健监测传感技术比较
类型
原理
监测物理量
优点和缺点
法布里一珀罗十涉光纤传北纤单条光纤中的光下涉
温度,应变
价格低廉,但制作困难、无
感器(FEPH〉(1
SMARTAPE条带式传感器
光纤两条光纤中的光十涉
应变,损伤
近用于大范监测
强度调制型光纤传感
光纤光纤光强的变化
应变
近用于大池国监测
光纤光栅(FBG)
光
外界扰动引起光栅波长的「岡化、温度、应变、「作简易,可监测多和物理
变化
损伤
双轴FBC,
光栅轴向、横向扰动都敏感的光
损伤
应用情況与单轴FBG相同
栅
但制作工艺复杂
光栅氢传感器
光栅上.的钯金属遇氢形胀
光引起液长的变化
氢泄漏
使用简单方便,制作设备
昂贵
SMART Tayer
14,1.5
比诊断波信振幅变化
损伤
主动监测,易于?格化和定
制牛.产
这给光纤测带来了巨人挑战,连续的扭转将使信
复合材料力容器健康监测
号损耗甚至引起传感纤维断裂。那么,如何頂埋光
纤、定位并保证光纤的存活率成为一个关键问题
固化过程监
Richard等I6,1?通过对固化设备进行改进,利川
复合材料固化监测是指预先埋入传感器到未固反转电机的方法成功地将FBC传感器阵列预在
化材料中,在材料固化过程中测量温度、应变等工と复合材料压力容器売体内部,由尽温度场测实:
过程参数,以确定材料内部的温度历程、变历程以现了固化过程隘测(如图1所示):同时