一种预置光纤传感器的全缠绕式气瓶及其制造方法
阅读说明：本技术 一种预置光纤传感器的全缠绕式气瓶及其制造方法 (Fully-wound gas cylinder with preset optical fiber sensor and manufacturing method thereof ) 是由 陈东晖 白勇 白强 李均 付志勇 李俊 于 2021-03-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种预置光纤传感器的全缠绕式气瓶及其制造方法,包括内胆和瓶阀座,内胆上设置有瓶阀座,内胆及瓶阀座外连续缠绕有一层或多层浸渍纤维增强层,浸渍纤维增强层外连续缠绕有一层或多层用于温度检测的光纤传感器,一层或多层浸渍纤维增强层及光纤传感器整体固化成型,光纤传感器两端设置预留接头,预留接头末端连接有信号线接口,预留接头外罩有一层接头连接保护套,接头连接保护套与内胆和瓶阀座固定连接。本发明通过一根预置于气瓶缠绕层的光纤传感器,实现对整个气瓶表面的温度监测。同时设置有连通预留接头的信号线接口,一体注塑有接头连接保护套,方便连接信号发射和处理单元,同时保护好预留接头和信号线接口。(The invention discloses a full-winding gas cylinder with a preset optical fiber sensor and a manufacturing method thereof, wherein the full-winding gas cylinder comprises an inner container and a cylinder valve seat, the cylinder valve seat is arranged on the inner container, one or more layers of impregnated fiber reinforced layers are continuously wound outside the inner container and the cylinder valve seat, one or more layers of optical fiber sensors for temperature detection are continuously wound outside the impregnated fiber reinforced layers, the one or more layers of impregnated fiber reinforced layers and the optical fiber sensors are integrally cured and molded, reserved joints are arranged at two ends of the optical fiber sensors, the tail ends of the reserved joints are connected with signal wire interfaces, a joint connecting protective sleeve is covered outside the reserved joints, and the joint connecting protective sleeve is fixedly connected with the inner container and. The invention realizes the temperature monitoring of the whole gas cylinder surface through the optical fiber sensor preset on the gas cylinder winding layer. Meanwhile, a signal line interface communicated with the reserved connector is arranged, and a connector connecting protective sleeve is integrally molded, so that the signal transmitting and processing unit is conveniently connected, and the reserved connector and the signal line interface are well protected.)
技术领域
本发明涉及压力气瓶技术领域，尤其涉及一种预置光纤传感器的全缠绕式气瓶及其制造方法。
背景技术
压力气瓶作为一种重要的存储容器，广泛地应用于能源、交通、医疗、市政、工业等各行各业。鉴于其高压力所具有的危险性，及其存储介质所具有的有毒、有害、易燃易爆等特性，其安全性一直是考核气瓶品质的第一指标。
常用的气瓶通过型式试验和年检年审来保障其安全性，在一些高安全性要求的应用场合（例如车载气瓶），可能会设置一些气体浓度传感器或防泄漏装置来探测泄漏气体浓度并给予处置，这些装置大多数需要一个气体捕集罩（例如CN112393820A）或者一个额外的密封装置（例如CN108679437A、CN111174100A、CN111156420A、CN111156414、CN111174101B、CN111153061A、CN111156423B、CN111156424A、CN111174103B、CN112216852A）来收集泄漏气体并将其引导到气体浓度传感器或防泄漏装置，由此造成使用空间上的浪费。
分布式光纤传感器具有体积小，全分布，能耗低，抗干扰，耐腐蚀，耐温宽，本质安全，长期稳定的特点，非常适合危险、恶劣环境场合的传感监测，目前已应用于压力管道、油气储罐、隧道等场合的传感监测。
当前分布式光纤传感器的安装通常在监测对象安装施工完成后进行，安装方式主要是粘接、悬挂，存在粘接不牢、传感效果差、意外损伤的可能性。且现有的分布式光纤传感器缠绕后两端预留接头，比较散乱，使用时在施工场地接线不便，且预留接头的线头裸露也容易遭受污染和损坏。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明设计了一种预置光纤传感器的全缠绕式气瓶及其制造方法。
本发明采用如下技术方案：
一种预置光纤传感器的全缠绕式气瓶，包括内胆和瓶阀座，内胆上设置有瓶阀座，内胆及瓶阀座外连续缠绕有一层或多层浸渍纤维增强层，浸渍纤维增强层外连续缠绕有一层或多层用于温度检测的光纤传感器，一层或多层浸渍纤维增强层及光纤传感器整体固化成型，光纤传感器两端设置预留接头，预留接头末端连接有信号线接口，预留接头外罩有一层接头连接保护套，接头连接保护套与内胆和瓶阀座固定连接，信号线接口露出在接头连接保护套外，用于连接信号发射和处理单元。浸渍增强纤维和光纤传感器缠绕完成后，气瓶整体进烘箱固化，使内胆、增强纤维、光纤传感器固化成一个整体，既有利于保护光纤不受损伤，也有利于温度传导。
作为优选，所述浸渍纤维增强层每层包括浸渍纤维螺旋向缠绕层和浸渍纤维环向缠绕层，浸渍纤维螺旋向缠绕层由浸渍增强纤维螺旋向缠绕于内胆和瓶阀座外表面，并布满整个内胆和瓶阀座外表面形成，浸渍纤维环向缠绕层由浸渍增强纤维环向缠绕于内胆和瓶阀座外表面，并布满整个内胆和瓶阀座外表面形成。浸渍纤维可优选碳纤维。
作为优选，所述光纤传感器每层包括光纤传感器螺旋向缠绕层和光纤传感器环向缠绕层，光纤传感器螺旋向缠绕层由光纤传感器螺旋向缠绕于内胆和瓶阀座外表面，并布满整个内胆和瓶阀座外表面形成，光纤传感器环向缠绕层由光纤传感器环向缠绕于内胆和瓶阀座外表面，并布满整个内胆和瓶阀座外表面形成。
作为优选，所述内胆为塑料内胆，瓶阀座为金属瓶阀座。
作为优选，所述内胆的两端分别固定连接有瓶阀座。
作为优选，所述光纤传感器上涂覆有一层对气瓶的存储介质敏感的涂层。
作为优选，所述光纤传感器外连续缠绕有一层或多层浸渍玻璃纤维保护层，浸渍玻璃纤维保护层每层包括浸渍玻璃纤维螺旋向缠绕层和浸渍玻璃纤维环向缠绕层，浸渍玻璃纤维螺旋向缠绕层由浸渍玻璃纤维螺旋向缠绕于内胆和瓶阀座外表面，并布满整个内胆和瓶阀座外表面形成，浸渍玻璃纤维环向缠绕层由浸渍玻璃纤维环向缠绕于内胆和瓶阀座外表面，并布满整个内胆和瓶阀座外表面形成。螺旋向缠绕可以满足光纤传感器在气瓶端部的分布，环向缠绕可以加强气瓶圆柱部分的光纤传感器分布——大部分气瓶泄漏发生在气瓶圆柱部分。利用全缠绕气瓶缠绕浸渍增强纤维的过程，将用于温度检测的分布式光纤传感器缠绕于气瓶表面；使之形成一个覆盖气瓶整个外表面的连续、分布的温度传感器网络；网络的密度可以达到cm级别，当缠绕层数增加时，网络密度可以达到mm级别。缠绕层数的增加有利于提高光纤传感器的密度。
作为优选，所述一层或多层浸渍玻璃纤维保护层整体固化成型。浸渍玻璃纤维保护层，用以保护内部光纤传感器不受损伤。保护用的浸渍玻璃纤维层与内部的浸渍增强纤维、光纤传感器固化成一个整体。
该预置光纤传感器的全缠绕式气瓶的制造方法，其步骤是：
1. 将浸渍增强纤维螺旋向缠绕于内胆和瓶阀座的外表面，每缠绕一圈，气瓶转过一个角度继续缠绕下一圈；n1圈以后，浸渍增强纤维布满整个内胆和瓶阀座外表面，形成一层浸渍纤维螺旋向缠绕层；
2. 将浸渍增强纤维环向缠绕于内胆和瓶阀座的外表面，浸渍增强纤维从一端缠n2圈到另一端，形成一层浸渍纤维环向缠绕层，浸渍纤维螺旋向缠绕层和浸渍纤维环向缠绕层形成一层浸渍纤维增强层；
3. 重复第1-2步骤缠绕形成m1层浸渍纤维增强层，n1、n2、m1数值根据气瓶的大小和需承受压力值设计给定；
4. 将光纤传感器按第1至3步的方式同样缠绕于浸渍纤维增强层的外表面，缠绕参数根据气瓶的大小和需要测量的网络密度由设计给定；光纤两端设置预留接头，设计长度并做好保护，预留接头连接有信号线接口，用于连接信号发射和处理单元；
5. 用注塑模具定位好信号线接口和预留接头位置后进行注塑，形成一层接头连接保护套，接头连接保护套与内胆和瓶阀座注塑成一体，同时接头连接保护套与信号线接口和预留接头注塑成一体；
6. 把用作保护层的浸渍玻璃纤维按第1至3步的方法方式缠绕于光纤传感器的外表面，缠绕参数根据气瓶的大小由设计给定；
7. 把完成步骤6缠绕的气瓶送进烘箱整体固化成型；完成整个预置光纤传感器的全缠绕式气瓶的制造。
该预置光纤传感器的全缠绕式气瓶使用时，将预留的光纤传感器两端连接的信号线接口处插入信号发射和处理单元连接线，通过光信号的散射、干涉随外部环境发生的变化，从而实现对气瓶表面分布式的温度测量，气瓶表面任何位置处的泄漏，会因为压力变化引起的周围材质的温度变化，从而被附近的光纤传感器感知。信号处理单元通过发现局部区域温度异常从而发出泄漏警告。
本发明的有益效果是：（1）、通过一根预置于气瓶缠绕层的光纤传感器，实现对整个气瓶表面的温度监测，省去了用于收集泄漏气体所需的气体捕集罩或额外的密封装置，简化结构，节省空间。当多个气瓶一起使用时，光纤传感器还可以串联，实现一套外部信号发射和处理单元监控多个气瓶的目的；（2）、设置有连通预留接头的信号线接口，同时一体注塑有接头连接保护套，方便连接信号发射和处理单元，同时保护好预留接头和信号线接口。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是本发明中光纤传感器螺旋向缠绕时的一种结构示意图；
图3是本发明中光纤传感器环向缠绕时的一种结构示意图；
图中：1、内胆，2、瓶阀座，3、光纤传感器，4、预留接头，5、接头连接保护套，6、信号线接口。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
实施例：如附图1-3所示，一种预置光纤传感器的全缠绕式气瓶，包括内胆1和瓶阀座2，内胆上设置有瓶阀座，内胆及瓶阀座外连续缠绕有一层或多层浸渍纤维增强层，浸渍纤维增强层外连续缠绕有一层或多层用于温度检测的光纤传感器3，一层或多层浸渍纤维增强层及光纤传感器整体固化成型，光纤传感器两端设置预留接头4，预留接头末端连接有信号线接口6，预留接头外罩有一层接头连接保护套5，接头连接保护套与内胆和瓶阀座固定连接，信号线接口露出在接头连接保护套外，用于连接信号发射和处理单元。浸渍增强纤维和光纤传感器缠绕完成后，气瓶整体进烘箱固化，使内胆、增强纤维、光纤传感器固化成一个整体，既有利于保护光纤不受损伤，也有利于温度传导。
作为优选，所述浸渍纤维增强层每层包括浸渍纤维螺旋向缠绕层和浸渍纤维环向缠绕层，浸渍纤维螺旋向缠绕层由浸渍增强纤维螺旋向缠绕于内胆和瓶阀座外表面，并布满整个内胆和瓶阀座外表面形成，浸渍纤维环向缠绕层由浸渍增强纤维环向缠绕于内胆和瓶阀座外表面，并布满整个内胆和瓶阀座外表面形成。浸渍纤维可优选碳纤维。
作为优选，所述光纤传感器每层包括光纤传感器螺旋向缠绕层和光纤传感器环向缠绕层，光纤传感器螺旋向缠绕层由光纤传感器螺旋向缠绕于内胆和瓶阀座外表面，并布满整个内胆和瓶阀座外表面形成，光纤传感器环向缠绕层由光纤传感器环向缠绕于内胆和瓶阀座外表面，并布满整个内胆和瓶阀座外表面形成。
作为优选，所述内胆为塑料内胆，瓶阀座为金属瓶阀座。
作为优选，所述内胆的两端分别固定连接有瓶阀座。
作为优选，所述光纤传感器上涂覆有一层对气瓶的存储介质敏感的涂层。
作为优选，所述光纤传感器外连续缠绕有一层或多层浸渍玻璃纤维保护层，浸渍玻璃纤维保护层每层包括浸渍玻璃纤维螺旋向缠绕层和浸渍玻璃纤维环向缠绕层，浸渍玻璃纤维螺旋向缠绕层由浸渍玻璃纤维螺旋向缠绕于内胆和瓶阀座外表面，并布满整个内胆和瓶阀座外表面形成，浸渍玻璃纤维环向缠绕层由浸渍玻璃纤维环向缠绕于内胆和瓶阀座外表面，并布满整个内胆和瓶阀座外表面形成。螺旋向缠绕可以满足光纤传感器在气瓶端部的分布，环向缠绕可以加强气瓶圆柱部分的光纤传感器分布——大部分气瓶泄漏发生在气瓶圆柱部分。利用全缠绕气瓶缠绕浸渍增强纤维的过程，将用于温度检测的分布式光纤传感器缠绕于气瓶表面；使之形成一个覆盖气瓶整个外表面的连续、分布的温度传感器网络；网络的密度可以达到cm级别，当缠绕层数增加时，网络密度可以达到mm级别。缠绕层数的增加有利于提高光纤传感器的密度。
作为优选，所述一层或多层浸渍玻璃纤维保护层整体固化成型。浸渍玻璃纤维保护层，用以保护内部光纤传感器不受损伤。保护用的浸渍玻璃纤维层与内部的浸渍增强纤维、光纤传感器固化成一个整体。
该预置光纤传感器的全缠绕式气瓶的制造方法，其步骤是：
1. 将浸渍增强纤维螺旋向缠绕于内胆和瓶阀座的外表面，每缠绕一圈，气瓶转过一个角度继续缠绕下一圈；n1圈以后，浸渍增强纤维布满整个内胆和瓶阀座外表面，形成一层浸渍纤维螺旋向缠绕层；
2. 将浸渍增强纤维环向缠绕于内胆和瓶阀座的外表面，浸渍增强纤维从一端缠n2圈到另一端，形成一层浸渍纤维环向缠绕层，浸渍纤维螺旋向缠绕层和浸渍纤维环向缠绕层形成一层浸渍纤维增强层；
3. 重复第1-2步骤缠绕形成m1层浸渍纤维增强层，n1、n2、m1数值根据气瓶的大小和需承受压力值设计给定；
4. 将光纤传感器按第1至3步的方式同样缠绕于浸渍纤维增强层的外表面，缠绕参数根据气瓶的大小和需要测量的网络密度由设计给定；光纤两端设置预留接头，设计长度并做好保护，预留接头连接有信号线接口，用于连接信号发射和处理单元；
5. 用注塑模具定位好信号线接口和预留接头位置后进行注塑，形成一层接头连接保护套，接头连接保护套与内胆和瓶阀座注塑成一体，同时接头连接保护套与信号线接口和预留接头注塑成一体；
6. 把用作保护层的浸渍玻璃纤维按第1至3步的方法方式缠绕于光纤传感器的外表面，缠绕参数根据气瓶的大小由设计给定；
7. 把完成步骤6缠绕的气瓶送进烘箱整体固化成型；完成整个预置光纤传感器的全缠绕式气瓶的制造。
该预置光纤传感器的全缠绕式气瓶使用时，将预留的光纤传感器两端连接的信号线接口处插入信号发射和处理单元连接线，通过光信号的散射、干涉随外部环境发生的变化，从而实现对气瓶表面分布式的温度测量，气瓶表面任何位置处的泄漏，会因为压力变化引起的周围材质的温度变化，从而被附近的光纤传感器感知。信号处理单元通过发现局部区域温度异常从而发出泄漏警告。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。