《复合材料压力容器结构健康监测中的传感器集成：综述》

本文来源:Sensors integration for structural health monitoring in composite pressure

vessels: A review

1. 研究背景与目的

- 背景

- 纤维缠绕复合材料压力容器（CPV）在航空航天、汽车和船舶等行业广泛应用于压力下的气体或流体储存。这些行业对CPV的需求不断增长，其应用范围也在不断扩大，包括从家用的10巴到储氢应用的700巴等不同压力环境。

- CPV在运行过程中会受到诸如临界载荷、极端温度、破裂等恶劣条件的影响，同时复合材料本身具有各向异性且可能出现意外损伤，因此需要深入了解其力学性能，以确保其结构完整性和安全性。

- 传统的无损评估（NDE）技术如数字图像相关（DIC）、声发射（AE）和超声波检测等存在局限性，如工作空间有限、不适合长期在线监测等，而纤维缠绕（FW）技术为传感器集成提供了可能，从而为CPV的实时监测提供了新的途径。

- 目的

- 全面综述用于CPV结构健康监测（SHM）的传感器技术，包括对最常用的压电、压阻和光纤传感器的详细介绍。

- 深入分析这些传感器在CPV中的集成方法，包括集成位置、方式以及对复合材料结构完整性的影响。

- 通过对传感器集成的研究，探讨如何构建有效的CPV的SHM系统，为未来的实验工作和实际应用提供理论基础和指导。

2. CPV及传感器集成概述

- CPV结构与制造

- CPV通常由圆柱形区域和位于罐体端部的两个端盖组成，其制造的核心技术是纤维缠绕技术。该技术是将连续纤维缠绕在旋转的芯轴（内衬）上，复合材料提供承载能力，内衬防止气体或水泄漏。

- 根据内衬和复合材料层的不同组合，标准工业压力容器可分为五种类型，其中III型和IV型是研究中传感器集成的主要对象。

- 纤维缠绕方式包括环向缠绕（纤维与芯轴轴线成接近90°角）、螺旋缠绕（纤维角度小于90°）和极向缠绕（纤维从一极到另一极缠绕，角度取决于芯轴长度），每种方式都有其独特的优势和应用场景。

- 传感器集成的重要性与方法

- SHM对于CPV至关重要，它通过传感器集成对CPV在运行过程中的多个物理参数（如位移和温度）进行定期测量和检查，以确保CPV的结构完整性和安全性。这种方法在其他复合材料结构应用中也被广泛使用。

- 传感器在CPV中的集成方式主要有两种：嵌入复合材料层之间或安装在容器的外表面。嵌入传感器可以更好地检测内部关键参数，同时受到周围环境的保护，但可能面临高温影响和对复合材料性能的潜在损害；表面安装传感器则更便于实施、维护和更换，但防护性相对较差，容易受到外部冲击的影响。传感器集成过程需要考虑多个因素，包括传感器的类型、位置、与复合材料的相互作用以及对结构性能的影响等。

3. 用于CPV的SHM传感器类型

- 压电传感器（PZT和PVDF）

- 原理：压电传感器基于压电效应工作。当受到机械应力时，能够产生电荷（直接压电效应）；当受到电场作用时，会发生变形（间接压电效应），从而可用于应变测量。

- 特点：具有较高的机械强度，价格相对光纤传感器较低。可以安装在容器的外表面以提高耐久性和对结构劣化的敏感性，也可嵌入复合材料层间。然而，在静态条件下可能不会产生显著的电压信号，对高温敏感，并且形状比光纤传感器复杂，通常为圆形颗粒状，直径和厚度有一定范围。

- 应用：多位作者将其用于CPV健康监测。例如，通过将SMART LayersTM PZT网络传感器嵌入复合瓶中展示了损伤定位的潜力；将PVDF和FBG传感器嵌入III型CPV中比较灵敏度，证明PVDF在动态测量中有效；还有将PZT传感器粘结在复合管外表面用于检测缺陷等。

- 压阻传感器（BP和MXene）

- 原理：当基于压阻材料的传感器受到机械应变或应力时，通过纳米碳材料（如聚合物填料）的作用，传感器的导电网络会发生变化，从而导致电阻变化，以此来监测结构的应变和损伤。

- 特点：灵敏度较高，可用于原位结构健康监测。BP传感器具有高可靠性、灵敏度、抗冲击、稳定性好和重量轻等优点，可在曲率较大的地方使用；MXene传感器具有优异的力学性能和高导电性。但传感器的集成可能会在复合材料中形成应力集中，导致复合材料的力学性能下降。

- 应用：在过去五年中在纤维缠绕CPV领域的使用增加。例如，通过将MWCNT传感器嵌入复合材料层中检测容器破裂行为；MXene传感器在CPV上的集成显示出在抗疲劳测试中的潜力；还有将BP和MXene传感器组合在FPC上用于监测多种变形等。

- 光纤传感器（SOFO®、OBR和FBG）

- 原理：通过检测光纤的光学性质（如波长、强度和偏振）的变化来监测结构的损伤和变形，这些变化是由结构的刚度变化引起的。

- 特点：具有与复合材料集成简单、尺寸小、重量轻、高灵敏度、长期连续监测、耐用、抗电磁干扰以及允许在同一光纤传感器中复用传感器等优点。然而，由于光学处理信号和电子系统，其价格昂贵，并且对湿度和化学环境敏感，需要聚合物薄膜保护，导致外径增大。

- 应用：用于跟踪和监测评估CPV健康状态所需的各种参数。其中，SOFO®传感器可用于单点检测，但复用困难；OBR传感器基于瑞利背向散射，可提供连续测量的轮廓，在不同类型的CPV中应用广泛，可检测缺陷和提供应变分布信息；FBG传感器是最常见的用于CPV的光纤传感器，可进行实时局部测量，具有复用能力，可在多个应用中准确测量应变、温度等参数。

4. 传感器在CPV中的集成分析

- 集成方法与考虑因素

- 传感器在CPV中的集成需要综合考虑多种因素。嵌入传感器系统虽然能有效检测关键参数，如应变和温度变化，且能提供额外保护提高传感精度和传感器寿命，但可能面临高温损害传感器的问题，同时大量传感器的嵌入可能会降低宿主复合材料的力学性能。表面安装传感器从实施、维护和更换的角度来看更实用，对材料降解的影响较小，但缺乏额外保护时容易被外部冲击损坏。

- 在选择传感器位置时，最适合的方法是基于有限元方法（FEM）对容器进行数值建模和研究，以确定应力集中区域，从而合理放置传感器，使其受到与宿主结构相同的应变变化。传感器的嵌入策略包括启动纤维缠绕、在预定水平暂停纤维缠绕、在指定位置将传感器放置在两层之间以及恢复纤维缠绕等步骤。

- 不同传感器的集成情况

- 压电传感器：根据文献在一些特定年份对CPV中压电传感器的集成情况进行分析，发现其主要用于III型CPV和复合管的循环压力加载或冲击试验期间的应变监测和损伤检测。通过多种方式进行集成，如嵌入SMART LayersTM PZT网络传感器、粘结PZT传感器在复合管外表面等。这些研究为CPV中使用压电传感器进行损伤检测提供了有价值的见解，但还需要全面评估以解决实际应用中的挑战，确保传感器系统的可靠性。

- 压阻传感器：对过去五年内压阻传感器在CPV中的集成情况进行研究，发现主要是嵌入III型CPV的复合材料层之间或安装在衬里 - 复合材料界面，用于检测容器破裂、热应变和机械应变监测、损伤检测和定位等。中国的多位作者通过将各种类型的压阻传感器嵌入容器结构进行了多项研究，探索了CPV原位结构监测的新方法，但持续的研究努力对于解决技术挑战以及将其应用于IV型和V型CPV至关重要。

- 光纤传感器：对文献中报道的某些年份内光纤传感器在CPV中的集成情况进行研究，发现其在不同类型的CPV和复合管中的应用广泛，可测量多种参数并检测和定位损伤。其中，SOFO传感器在CPV中的使用相对较少，存在缺陷敏感性的局限性；OBR传感器在不同类型CPV中的应用不断增加，证明了其有效性，但也面临性能优化和解决环境敏感性等挑战；FBG传感器在CPV中的应用最为广泛，在多种应用中表现出良好的性能，为开发强大的结构健康监测系统提供了重要依据。

5. 嵌入式传感器对机械性能的影响和复合材料降解

- 复合材料性能下降的原因

- 在纤维增强聚合物复合材料中嵌入传感器时，由于力学性能不匹配和界面性能差，会导致复合材料的力学性能下降。无论使用何种集成方法，传感器插入复合材料都会在层间形成间隙，形成树脂囊，这会干扰场变量的测量值，并可能导致层间损伤，从而影响CPV结构的完整性和性能。

- 不同传感器的影响

- 压电传感器：PZT传感器在复合材料制造前集成到其中用于原位监测。其集成方法对复合材料力学性能有显著影响。“切割 - 出”法虽不产生富树脂囊，但在罐制造过程中因无法切割纤维而不可行；直接插入法 会形成树脂囊且可能导致相邻层分层。实验和数值分析表明，这种传感器的嵌入会导致刚度下降5 - 10%，拉伸强度下降5 - 20%。

- 压阻传感器：嵌入薄 film压阻传感器会在复合材料中形成富树脂区域，影响复合材料的强度和刚度。不同类型的压阻传感器影响不同，例如BP传感器嵌入对复合材料性能影响相对较小，而固体 film传感器会导致拉伸强度显著降低（-15.6%）和 flexural强度显著降低（-35.5%）。

- 光纤传感器：复合材料的刚度和强度退化主要取决于光纤与相邻增强层的夹角以及光纤直径。当光纤与增强纤维平行时，对复合材料性能影响最小，甚至可作为增强纤维支持部分载荷；当垂直时，会形成树脂囊和缺陷，导致弹性下降和潜在的分层。减小夹角和光纤直径可减小树脂囊大小，从而保护复合材料的结构性能。此外，纤维缠绕张力和堆叠顺序也会影响树脂囊的形成和复合材料的机械完整性。

6. CPV的SHM系统讨论

- 传感器总结与比较

- 对压电、压阻和光纤三种类型传感器的主要特性进行了总结和比较，包括传感器技术、规格和特性、监测参数、机械影响、优缺点等方面。其中，FBG传感器由于其复用能力和对机械性能影响小，被认为是最推荐用于CPV监测的传感器。

- SHM系统的设计考虑

- 设计有效的CPV的SHM系统需要综合考虑多个因素。从传感器的选择角度，需要考虑传感器的类型、数量、位置和尺寸等。从机械性能角度，传感器应具有重量轻、尺寸小、与宿主材料几何形状适配、对材料性能影响小、高灵敏度、良好的损伤监测能力和信号传输能力以及较低价格等特点。

- 为了减轻传感器嵌入对复合材料性能的影响，可以采用多种方法，如灵活嵌入技术（包括软聚合物封装和灵活电路设计等）、自适应接口（使传感器与复合材料的形状和运动相适应）、低剖面传感器设计（减少传感器嵌入对结构性能的干扰）和集成应变 relief机制（通过使用缓冲层、 compliant材料或特殊几何特征来吸收和消散应力）。

- 对于FBG传感器，确定其数量和位置需要借助有限元数值模拟，根据CPV的工作条件（如疲劳循环、破裂等）确定应力集中区域，从而合理放置传感器。同时，为了解决嵌入FBG传感器可能带来的问题，如在碳纤维复合材料层外增加玻璃纤维层，既可以保护传感器，又能避免对容器强度和疲劳 resistance的负面影响。此外，还需要考虑光纤与复合材料层的夹角等因素，以优化传感器的性能。

- 新兴技术如人工智能（AI）、机器学习（ML）、数字 twins和高级数据 analytics等为CPV的监测带来了新的机遇和挑战。这些技术可以利用传感器产生的大量数据进行分析和预测，实现更精确的结构健康监测。然而，AI和ML也面临数据需求大、数据质量和准确性影响模型可靠性以及模型可能存在偏差等问题。未来研究应聚焦于优化传感器集成方法，提高系统的可靠性和耐用性，将先进的传感器技术和新兴的数据分析技术更好地结合，以实现更高效、准确的CPV结构健康监测。