一种碳纤维缠绕Ⅲ型储氢气瓶缺陷检测方法与流程

一种碳纤维缠绕ⅲ型储氢气瓶缺陷检测方法
技术领域
1.本发明涉及一种碳纤维缠绕ⅲ型储氢气瓶缺陷检测方法，属于无损检测技术领域 。


背景技术：

2.在氢能全产业链中，氢的储运是氢能和燃料电池产业发展的重要环节，气态高压运输是目前应用最广泛的氢气储运方式，而高压储氢气瓶是保证压缩氢安全、高效使用的关键。铝合金内胆型气瓶（ⅲ型瓶）和聚合物内胆型气瓶（ⅳ型瓶）是目前纤维复合材料缠绕制造的主流气瓶，其主要由内胆和高性能纤维复合材料缠绕层组成。碳纤维复合材料储氢气瓶的生产工艺较为复杂，影响因素多，为满足设计压力及后续使用的安全性、可靠性要求，在制造过程中需要对每个气瓶进行无损检测，在后续使用过程中也需要定期对气瓶进行无损检测。
3.国内外针对高压储氢容器的无损检测方法主要有目视检测、射线检测、计算机层析成像（工业ct）检测、超声检测、声发射检测等。目视检测只能对容器外壁纤维缠绕情况进行检测。射线检测、工业ct检测、超声检测主要针对纤维缠绕层内部及其与内胆粘接层缺陷情况进行检测，其中超声脉冲回波法的精度较高，但只能在给定的深度范围内产生不连续的二维平面视图；射线检测法主要是检测夹杂、气孔等体积状的缺陷，不能有效检测裂纹缺陷；工业ct技术的检测精度较高，检测成本高、效率低下。声发射检测仅适用于可发射声信号的分层、树脂开裂等动态缺陷的检测，对静态缺陷无效，且对单个缺陷检测精度较低。
4.相比于上述无损检测技术，微波检测具有非接触、非破坏、灵敏度高、无需电量转换等优点，但是在高压储氢容器无损检测领域还没得到运用，缺少具体的检测方法。


技术实现要素：

5.本发明主要是解决现有技术所存在的高压储氢容器缺陷缺少微波检测方法的技术缺陷，提供一种碳纤维缠绕ⅲ型储氢气瓶缺陷检测方法。
6.本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明使用微波检测设备并包括如下步骤：步骤一：采集标准气瓶的反射信号，测定标准气瓶的特征频率段并得到反射系数s
11-频率参考曲线；具体来说，就是取一与待检气瓶型号相同且无缺陷的碳纤维缠绕ⅲ型储氢气瓶作为标准气瓶，将微波探头置于距离标准气瓶瓶身外表面0-2厘米的位置，在3-40ghz的频率范围内向标准气瓶任一位置点发射频率连续变化的微波信号，采集并观察反射信号的变化，在该频率范围内，以反射信号幅值的最大值与最小值之差为极差，选定反射信号幅值与最小值之差达到极差的80 %时所对应的频率段为特征频率段，根据标准气瓶的反射系数s
11
在特征频率段内的变化曲线，得到反射系数s
11-频率参考曲线；步骤二：采集待检气瓶的反射信号，得到反射系数s
11-频率检测曲线；具体来说，就是微波探头在距离待检气瓶瓶身外表面0-2厘米的位置，以步骤一选
定的特征频率段内连续变化的频率向待检气瓶发射微波信号，并采集待检气瓶的反射信号，根据反射系数s
11
在所述特征频率段范围内的变化曲线，得到所述待检气瓶瓶身各位置点的反射系数s
11-频率检测曲线；步骤三：对比所述反射系数s
11-频率参考曲线与所述反射系数s
11-频率检测曲线，判断所述待检气瓶碳纤维缠绕层是否存在缺陷；具体来说，就是将所述待检气瓶各位置点的反射系数s
11-频率检测曲线与所述标准气瓶的反射系数s
11-频率参考曲线进行比对，计算根据所述待检气瓶某位置点的反射系数s
11-频率检测曲线的波谷所对应的反射系数s
11
与所述标准气瓶的反射系数s
11-频率参考曲线的波谷所对应的反射系数s
11
的差值，当该差值大于3db，则判断所述待检气瓶该位置点碳纤维缠绕层存在缺陷。
7.作为优选，反射系数s
11
分辨率设定为0.01db。
8.作为优选，在步骤三中，根据缺陷与所述差值之间的对应关系，所述差值大于3db而小于5.5db时，判断该位置点碳纤维缠绕层存在缺陷且缺陷为裂纹；所述差值大于5.5db时，判断该位置点碳纤维缠绕层存在缺陷且缺陷为空隙。
9.本发明的检测方法简便有效，具有以下优点：本发明中，碳纤维缠绕层中的缺陷被视为具有不同介电特性的介质。当微波穿透碳纤维缠绕层时，会发生一定的反射，而如果遇到缺陷，反射会显著增强，反射系数s
11
的值会发生明显的变化。反射系数s
11
的公式计算如下：反射系数s
11
＝20lg(vr/vi)其中，vr为入射微波信号电压，vi为反射微波信号电压。
10.通过微波检测设备扫描待检气瓶时，当瓶体表面某位置点的反射系数s
11-频率检测曲线波谷所对应的反射系数s
11
与标准气瓶的反射系数s
11-频率参考曲线波谷所对应的反射系数s
11
相比出现明显变化，则可判断待检气瓶该位置点的碳纤维缠绕层存在缺陷。
11.本发明的检测步骤一，使用微波探头通过频率扫描的方法测定标准气瓶的特征频率段。微波的反射与复合缠绕层的介电特性密切相关，为了便于观察和比较标准气瓶与待检气瓶的反射信号的不同，测定无缺陷标准气瓶的特征频率段，是后续检测步骤的前提；同时，观察标准气瓶的反射系数s
11
在特征频率段内的变化，以特征频率段的频率为横轴，以反射系数s
11
为纵轴，得出反射系数s
11
在特征频率段内的变化曲线，将该变化曲线作为反射系数s
11-频率参考曲线。
12.对于无缺陷的标准样瓶，反射系数s
11-频率参考曲线显示为一个具有波谷的下凹曲线，反射系数s
11
的波谷值显示为较小的负值（绝对值较大）。
13.本发明的检测步骤二，在步骤一确定的特征频率段范围内，通过微波探头以连续变化的频率，对待检气瓶外表面进行移动扫描，获得瓶体表面各位置点的反射系数s
11-频率检测曲线；当某一位置点的检测曲线上的波谷所对应的反射系数s
11
与标准气瓶的参考曲线上的波谷所对应的反射系数s
11
的差值大于3db，则判断出待检气瓶在该位置点存在缺陷。
14.进一步地，在检测步骤中，反射系数s
11
分辨率设定为0.01db，可便于观察和分辨反射系数s
11
的变化幅度，从而提高频率扫描的效率和检测的效率。
15.进一步地，根据反射系数s
11
波谷值的差值，以及该差值与缺陷（裂缝/空隙）之间的对应关系，判断出待检气瓶的碳纤维缠绕层存在的缺陷为裂缝或空隙。
16.因此，本发明解决了微波检测在高压储氢容器无损检测领域的应用问题，提供了一种碳纤维缠绕ⅲ型储氢气瓶缺陷检测方法。相比于其他无损检测技术，本发明基于微波技术，具有检测成本低、效率高、检测范围广以及非接触、非破坏、灵敏度高、无需电量转换等优点。
附图说明
17.图1是本发明中检测步骤的框图；图2是本发明一种优选实施例中待检气瓶上某一位置点的反射系数s
11-频率检测曲线；图3是本发明一种优选实施例中待检气瓶上另一位置点的反射系数s
11-频率检测曲线；图4是本发明一种优选实施例中标准气瓶的反射系数s
11-频率参考曲线图。
具体实施方式
18.下面通过实施例，并结合说明书附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
19.实施例1：如图1、图2、3、图4所示，本发明采用矢量网络分析仪进行检测，反射系数分辨率设定为0.01db，并包括如下步骤：步骤一：取一与待检气瓶型号相同且无缺陷的碳纤维缠绕ⅲ型储氢气瓶作为标准气瓶，矢量网络分析仪的微波探头与标准气瓶瓶身表面距离0-2厘米，向标准气瓶瓶身任一位置点发射频率连续变化的微波信号，采集并观察反射信号的变化，在3-40 ghz频率范围内，以反射信号幅值的最大值与最小值之差为极差，选定反射信号幅值与最小值之差达到极差的80 %时所对应的频率段为特征频率段，确定特征频率段13.4-14.5ghz，向标准气瓶瓶身任一位置点发射频率在13.4-14.5ghz内连续变化的微波信号；将标准气瓶瓶身的反射系数s
11
在13.4-14.5ghz 内的变化曲线作为反射系数s
11-频率参考曲线（如图4所示），该曲线显示反射系数s
11
的波谷值为-13.42db；步骤二：矢量网络分析仪的 微波探头与待测气瓶瓶身表面距离0-2厘米，以步骤一所确定的特征频率段13.4-14.5ghz内连续变化的频率对待检气瓶瓶身各位置点分别进行扫描，采集待检气瓶瓶身的反射信号，得到待检气瓶瓶身各位置点的反射系数s
11-频率检测曲线；其中，待检气瓶某一位置点的反射系数s
11-频率检测曲线如图2所示，该曲线显示反射系数s
11
的波谷值为-6.93db；待检气瓶另一位置点的反射系数s
11-频率检测曲线如图3所示，该曲线显示反射系数s
11
的波谷值为-9.39db；步骤三：将待检气瓶上不同位置点的反射系数s
11-频率检测曲线与标准气瓶的反射系数s
11-频率参考曲线进行比对，计算待检气瓶各位置点的反射系数s
11-频率检测曲线的波谷所对应的反射系数s
11
与所述标准气瓶的反射系数s
11-频率参考曲线的波谷所对应的反射系数s
11
的差值，根据该差值判断待检气瓶的相应位置点是否存在缺陷；图2所示的反射系数s
11-频率检测曲线与标准气瓶的反射系数s
11-频率参考曲线相比，两者反射系数s
11
波谷值的差值为6.49db，该差值大于3db，判断该位置点存在缺陷，由
于该差值大于5.5db，进而判断判断待检气瓶的该位置点的缺陷为空隙；图3所示的反射系数s
11-频率检测曲线与标准气瓶的反射系数s
11-频率参考曲线相比，两者反射系数s
11
波谷值的差值为4.03db，该差值大于3db，判断该位置点存在缺陷，由于该差值大于3db而小于5.5db，进而判断待检气瓶该位置点的缺陷为裂缝。
20.当然上述说明书附图和实施例仅为了用于解释和说明本发明，并不能作为本发明的不当限定。凡本领域技术人员依据本发明做出等效调整与变化而得到的技术方案均落入本发明的保护范围。