[发明专利]一种复合材料贮箱健康监测系统及方法

说明书

本发明提供一种复合材料贮箱健康监测系统及方法。本发明系统，包括：光纤传感系统、神经网络以及声发射系统；光纤传感系统包括设置复合材料贮箱上的光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器；神经网络用于建立温度与液位、应变与损伤的映射关系；声发射系统为声发射传感器，用于综合判定复合材料贮箱的损伤位置及预警。本发明主要利用光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器就可实现贮箱在地面低温介质加注试验中的表面温度场、应变场、液位和损伤的测量和监测；与声发射传感器相配合，增加了系统的冗余度，能够更加准确的实现损伤的定位和预警。

技术领域

本发明涉及一种监测系统，具体而言，尤其涉及一种复合材料贮箱健康监测系统及方法。

背景技术

随着航天探索活动的不断兴起，以大推力、可重复使用为特点的运载器成为未来的发展趋势。碳纤维复合材料以其轻质、高强、耐腐蚀等优良特性受到广泛关注，以全复合材料贮箱为代表的新一代贮箱为进一步降低运载器发射成本提供了可能。在对贮箱结构的测试中，需要对贮箱结构的结构状态(温度场、应变场、液位)、健康状态(损伤)等健康参数进行测量和监测，确保对贮箱安全性能的实时掌控。

目前针对结构的健康监测主要通过布置相应的传感器，通过分析其信号从而实现其监测功能。在对复合材料状态参数测量方面，唐青春等人发明了一种基于预埋光纤光栅的复合材料健康状态监测系统，该系统通过解调光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器的信号，从而获得温度和应变数据，进而实现对复合材料在结构成型过程、地面试验和空中作业过程的实时监测。在对复合材料损伤状态监测方面，郭云力等人发明了一种复合材料在线健康监测系统和监测方法；首先通过光纤光栅传感器获得结构的应变场，然后处理器调用复合材料损伤数据库，建立三维模型，输出复合材料的损伤分布，最后通过有限元分析计算复合材料剩余强度，从而对复合材料的健康情况进行评估。王恺等人通过在复合材料气瓶表面布置声发射传感器并检测其内部的声发射机械波，经信号处理后从而对复合材料气瓶进行健康监测。但上述的监测系统还存在以下问题：

(1)目前针对结构的状态监测主要是布置不同类型的传感器，所需传感器数量繁多、布线复杂且成本高；

(2)针对复合材料结构剩余强度的预测，首先需要获取结构应变数据，然后通过建立有限元模型并进行分析，预测的实时性不足；

(3)基于声发射传感器的复合材料结构健康监测，主要针对的是复合材料整体结构的损伤，对于损伤位置的确定存在不足。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种复合材料贮箱健康监测系统及方法。本发明主要利用光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器就可实现贮箱在地面低温介质加注试验中的表面温度场、应变场、液位和损伤的测量和监测；与声发射传感器相配合，增加了系统的冗余度，能够更加准确的实现损伤的定位和预警。

本发明采用的技术手段如下：

一种复合材料贮箱健康监测系统，包括光纤传感系统、神经网络以及声发射系统；

所述光纤传感系统包括设置复合材料贮箱上的光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器；

所述神经网络用于建立温度与液位、应变与损伤的映射关系；

所述声发射系统为声发射传感器，用于综合判定复合材料贮箱的损伤位置及预警。

进一步地，沿复合材料贮箱上的轴向位置设置一排或多排所述光纤光栅温度传感器，用于测量复合材料贮箱壁的表面温度场。

进一步地，沿复合材料贮箱上的轴向和环向布置所述光纤光栅应变传感器，使其形成一个应变传感网络，用于测量复合材料贮箱壁的表面应变场。

进一步地，所述光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器的布置间距根据所限定的复合材料最大分层损伤面积确定。