本发明涉及高压储氢装备制造，特别是涉及一种ⅳ型氢气瓶应力监测系统及其信号处理方法、ⅳ型氢气瓶。
背景技术：
1、当前ⅳ型氢气瓶主要采用碳纤维复合材料缠绕塑料内胆的结构型式，使用寿命通常为15年～20年。相比较ⅲ型氢气瓶，ⅳ型氢气瓶在长期使用中可保持更高的稳定性能，在相同压力条件下，充放氢的循环次数高于ⅲ型氢气瓶。
2、长期频繁充放氢气会加剧塑料内胆与碳纤维接触面的磨损，同时也会加剧碳纤维缠绕层间的磨损，容易导致碳纤维单丝断裂，给气瓶整体爆裂埋下隐患。因此对塑料内胆与碳纤维接触面的结构应力进行预防监控，对于提升ⅳ型氢气瓶的使用寿命和安全性十分关键。
3、然而，当前针对ⅳ型氢气瓶产品的应力监测方案依赖破坏性抽样或离线检测，无法实时监测ⅳ型氢气瓶中的应力变化和结构损伤，这使得氢气瓶应力集中区域缺乏动态数据监控，对结构优化设计缺少必要的试验数据支撑。而且，传统固化工艺无法同步监测碳纤维缠绕层残余应力分布，不仅易导致纤维层间剥离，而且无法及时掌握碳纤维缠绕过程中各缠绕层间的张力梯度分布情况，无法精准优化缠绕工艺参数和碳纤维用量。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种ⅳ型氢气瓶应力监测系统及其信号处理方法、ⅳ型氢气瓶，不仅能够使得ⅳ型氢气瓶产品具备碳纤维缠绕层间应力及内胆应力实时动态监测功能，完善氢气瓶应力集中区域的动态数据监控，同时ⅳ型氢气瓶应力监测系统可用于ⅳ型氢气瓶产品的加工过程中，同步监测碳纤维缠绕层残余应力分布，及时掌握碳纤维缠绕过程中各缠绕层间的张力梯度分布情况，有利于精准优化缠绕工艺参数和碳纤维用量，以解决上述现有技术存在的问题。
2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
3、一方面，本发明提供一种ⅳ型氢气瓶应力监测系统，包括：
4、碳纤维缠绕层应力监测结构，用于设置在碳纤维缠绕层的应变发生区域，能够实时动态监测所述碳纤维缠绕层的层间应力变化；
5、内胆应力监测结构，用于设置在塑料内胆外表面的应变发生区域，能够实时动态监测所述塑料内胆的应力变化；
6、数据处理系统，与所述碳纤维缠绕层应力监测结构和所述内胆应力监测结构均通讯连接，以实时采集并处理所述碳纤维缠绕层应力监测结构和所述内胆应力监测结构的应力采集数据。
7、一些实施方式中，所述碳纤维缠绕层应力监测结构为fbg应力传感器，所述fbg应力传感器包括：
8、基板，用于与所述碳纤维缠绕层接触安装；
9、合金外壳，设置于所述基板上表面，且所述合金外壳的局部凸起，凸起位置与所述基板之间形成光纤通道；
10、fbg单模光纤，活动穿设于所述光纤通道内，且所述的fbg单模光纤的栅格轴线与碳纤维轴线平行。
11、一些实施方式中，所述内胆应力监测结构采用与所述碳纤维缠绕层应力监测结构相同的所述fbg应力传感器，且所述内胆应力监测结构中，所述基板用于与所述塑料内胆的外表面接触安装，所述fbg单模光纤的栅格轴线与所述塑料内胆的轴线相互垂直。
12、一些实施方式中，任意一所述fbg应力传感器中：所述基板均为铜基板，所述合金外壳均为非晶锆合金外壳，所述凸起位置的横截面均为拱形。
13、一些实施方式中，任意一所述fbg应力传感器中：所述基板上均沿所述fbg单模光纤的拉伸形变方向间隔设置有多个镂空孔。
14、另一方面，本发明提出一种上述ⅳ型氢气瓶应力监测系统的信号处理方法，包括：
15、步骤1、接收所述碳纤维缠绕层应力监测结构和/或所述内胆应力监测结构的应力监测信号；
16、步骤2、对所述应力监测信号降噪处理，以过滤所述应力监测信号中的高频噪声信号，并保留中低频信号；
17、步骤3、输出降噪处理后生成的应力监测信号。
18、一些实施方式中，步骤2的降噪处理方法包括：
19、步骤21、计算分解层j：
20、根据信号与噪声在不同尺度下的能量分布特性，分解层j满足：
21、
22、式(1)中，dj为第j层峰值能量，通过细节系数幅值统计计算；
23、'dj为第j层噪声能量，通过细节系数幅值统计计算；
24、步骤22、计算分层阈值λj：
25、每层阈值λj根据该层小波系数的统计特性动态调整：
26、
27、式(2)中，σj为第j层噪声标准差估计；nj为第j层小波系数长度；kj为调节因子，随分解层数增加递减；
28、步骤23、改进阈值函数：
29、
30、式(3)中，a为控制过渡区平滑度系数，且a≥10。
31、再一方面，本发明提出一种ⅳ型氢气瓶，包括塑料内胆和缠绕于所述塑料内胆外部的碳纤维缠绕层，还包括上述任意一项所述的ⅳ型氢气瓶应力监测系统，其中：
32、所述碳纤维缠绕层中至少一层缠绕层的外表面应变发生区域设置有所述碳纤维缠绕层应力监测结构；
33、所述塑料内胆外表面的应变发生区域设置有所述内胆应力监测结构。
34、一些实施方式中，所述碳纤维缠绕层应力监测结构与所述碳纤维缠绕层中对应的缠绕层外表面粘接固定；
35、所述内胆应力监测结构与所述塑料内胆外表面粘接固定。
36、一些实施方式中，所述碳纤维缠绕层应力监测结构沿所述碳纤维缠绕层的周向间隔设置多个；所述内胆应力监测结构沿所述塑料内胆的周向间隔设置多个。
37、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
38、本发明提出的ⅳ型氢气瓶应力监测系统，通过将碳纤维缠绕层应力监测结构和内胆应力监测结构分别设置在ⅳ型氢气瓶中碳纤维缠绕层的应变发生区域、塑料内胆外表面的应变发生区域，能够实现气瓶内胆表面应力和碳纤维缠绕层间应力的实时动态监测，使得ⅳ型氢气瓶产品具备碳纤维缠绕层间应力及内胆应力实时动态监测功能。
39、本发明的ⅳ型氢气瓶应力监测系统，将氢气瓶制备工艺与实时监测技术深度融合，既可以用于样机的型式试验验证，也可集成到产品当中，在保障氢气瓶产品安全可靠的前提下，还能根据动态应力监测数据，优化ⅳ型氢气瓶的结构设计，提升产品性能。整套监测系统成本低廉，性能稳定，便于市场推广。
40、本发明提出的上述ⅳ型氢气瓶应力监测系统的信号处理方法，提出了改进小波阈值噪声信号处理方法，能够有效过滤高频噪声信号，保留中低频信号，便于精准测量碳纤维缠绕层及塑料内胆的表面应力。
41、本发明提出的ⅳ型氢气瓶，通过在气瓶产品配置安装上述ⅳ型氢气瓶应力监测系统的碳纤维缠绕层应力监测结构和内胆应力监测结构，使得ⅳ型氢气瓶产品具备碳纤维缠绕层间应力及内胆应力实时动态监测功能。在保障氢气瓶产品安全可靠的前提下，还能根据动态应力监测数据，优化ⅳ型氢气瓶的结构设计，提升气瓶产品性能。
1.一种ⅳ型氢气瓶应力监测系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的ⅳ型氢气瓶应力监测系统，其特征在于，所述碳纤维缠绕层应力监测结构为fbg应力传感器，所述fbg应力传感器包括：
3.根据权利要求2所述的ⅳ型氢气瓶应力监测系统，其特征在于，所述内胆应力监测结构采用与所述碳纤维缠绕层应力监测结构相同的所述fbg应力传感器，且所述内胆应力监测结构中，所述基板用于与所述塑料内胆的外表面接触安装，所述fbg单模光纤的栅格轴线与所述塑料内胆的轴线相互垂直。
4.根据权利要求3所述的ⅳ型氢气瓶应力监测系统，其特征在于，任意一所述fbg应力传感器中：所述基板均为铜基板，所述合金外壳均为非晶锆合金外壳，所述凸起位置的横截面均为拱形。
5.根据权利要求3所述的ⅳ型氢气瓶应力监测系统，其特征在于，任意一所述fbg应力传感器中：所述基板上均沿所述fbg单模光纤的拉伸形变方向间隔设置有多个镂空孔。
6.一种权利要求2～5任意一项所述ⅳ型氢气瓶应力监测系统的信号处理方法，其特征在于，包括：
7.根据权利要求6所述的ⅳ型氢气瓶应力监测系统，其特征在于，步骤2的降噪处理方法包括：
8.一种ⅳ型氢气瓶，包括塑料内胆和缠绕于所述塑料内胆外部的碳纤维缠绕层，其特征在于，还包括权利要求1～5中任意一项所述的ⅳ型氢气瓶应力监测系统，其中：
9.根据权利要求8所述的ⅳ型氢气瓶，其特征在于，所述碳纤维缠绕层应力监测结构与所述碳纤维缠绕层中对应的缠绕层外表面粘接固定；
10.根据权利要求8所述的ⅳ型氢气瓶，其特征在于，所述碳纤维缠绕层应力监测结构沿所述碳纤维缠绕层的周向间隔设置多个；所述内胆应力监测结构沿所述塑料内胆的周向间隔设置多个。