通過采用光纖智能結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)控系統(tǒng)的設計

智能結(jié)構(gòu)是近年來在國際上興起的嶄新的邊緣交叉學科。通常，將光纖技術(shù)應用于先進復合材料中，并配以相應監(jiān)測與控制系統(tǒng)，就構(gòu)成了光纖智能結(jié)構(gòu)。美國軍方在80年代中期首先提出光纖智能結(jié)構(gòu)這一概念，研究對象側(cè)重于航空、航天飛行器，隨后即滲透到土木工程、船舶、汽車、醫(yī)學等眾多領(lǐng)域，并很快成為研究熱點。目前，無論是在實驗室中，還是在實際應用中，都出現(xiàn)了一些光纖智能結(jié)構(gòu)的實例 。

近年來，光纖智能結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域已取得了一些重要成果。如，分布式光纖光柵智能結(jié)構(gòu)、光纖智能夾層、空心光纖智能結(jié)構(gòu)等。傳統(tǒng)的光纖智能結(jié)構(gòu)前端光源波長一般固定不變，但有些實驗系統(tǒng)中光纖智能結(jié)構(gòu)要求在不同情況下傳輸不同波長的光 ，各光源的動作需監(jiān)控系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)進行分析、判斷后進行控制，普通的光電檢測已經(jīng)不能滿足要求。本文提出并設計一種新型智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)，可實時監(jiān)控結(jié)構(gòu)的各種狀態(tài)，如，受載、損傷、破壞等，并作數(shù)據(jù)分析和損傷定位，針對各種智能結(jié)構(gòu)的各種情況及時進行不同的處理。

1 監(jiān)控系統(tǒng)設計

1．1 系統(tǒng)硬件

監(jiān)控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要由光源組、光學系統(tǒng)、光電傳感器、監(jiān)控主機及Pc機組成。圖1為監(jiān)控系統(tǒng)的組成示意圖。

由前端光源組發(fā)出的不同波長的光通過光學系統(tǒng)耦合至內(nèi)含特殊光纖網(wǎng)絡的復合材料試件中，外界環(huán)境對復合材料的影響通過光纖中的光強來調(diào)制。光源組的設計選用多種波長的激光二極管，激光二極管具有發(fā)散角小、功率集中、體積小、調(diào)制方式簡單、有良好的線性工作區(qū)和帶寬等優(yōu)點。

載有光纖智能結(jié)構(gòu)健康狀況信息的光信號經(jīng)過光電傳感器組轉(zhuǎn)換成電信號，傳入監(jiān)控主機，再分別經(jīng)過信號的濾波、放大、模／數(shù)變換后，由微處理器進行數(shù)據(jù)采集與處理，獲得各組光信號的光強的相對值，進行存儲；同時，監(jiān)控主機還將判斷和分析各數(shù)據(jù)，發(fā)出各種控制信號，對光源組進行不同的處理；另外，監(jiān)控主機還將接收監(jiān)控計算機的命令，與監(jiān)控計算機進行數(shù)據(jù)的傳遞，以便計算機及時分析結(jié)構(gòu)的各種狀態(tài)并創(chuàng)建監(jiān)控記錄。

1．2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

由于硬件的工作分為監(jiān)控主機和監(jiān)控計算機兩大部分，所以，系統(tǒng)的軟件也由兩部分組成：監(jiān)控主機軟件和監(jiān)控計算機軟件。軟件的協(xié)同工作是通過串口協(xié)議來完成的。

監(jiān)控主機的程序除了完成信號采集，A／D變換，數(shù)據(jù)處理和控制，還負責與PC機通信。因此，下位機程序中采用2種中斷方式來處理這兩方面的工作：定時器中斷和串行口中斷。圖2為監(jiān)控主機程序流程圖（數(shù)據(jù)采集、處理、通信部分）。

監(jiān)控計算機的程序采用可視化程序設計語言VB6．0和Matlab語言混合編寫。VB6．0最有力的一面就是快速創(chuàng)建用戶界面，將復雜而完善的Windows操作系統(tǒng)的使用融于易于學習和作用的高級語言中，因而，成為界面編程的首選開發(fā)工具之一。而在數(shù)據(jù)分析和運算處理方面，Matlab是

國際認可（IEEE）的最優(yōu)化的科技應用軟件，其強大的科學計算功能與開放式可擴展環(huán)境以及多個面向不同領(lǐng)域而擴展的工具箱（Toolbox）支持，使得Matlab在許多學科領(lǐng)域中成為計算機輔助設計與分析、算法研究和應用開發(fā)的基本工具和首選平臺。因此，光纖智能結(jié)構(gòu)計算機監(jiān)控軟件在用VB6．0編寫代碼時，調(diào)用Matlab的功能，通過建立VB6．0與Matlab的ActiveX的自動連接，實現(xiàn)計算機界面和數(shù)據(jù)分析處理的速度盡可能很好的結(jié)合。

2 試驗與分析

2．1 試驗裝置

試驗采用新型特種光光纖智能結(jié)構(gòu)（光纖正交網(wǎng)格狀埋入法）進行損傷位置判定，光纖埋入示意圖如圖3所示。

2．2 試驗數(shù)據(jù)和分析

在航空飛行器常用E51復合材料板中，埋入網(wǎng)狀交叉的特種光纖（光纖之間的間隔為3 cm），對該復合材料板進行加載、卸載與損傷、破壞等試驗。當復合材料板未有任何變形與損傷時，8路光纖輸出信號曲線如圖4（a）所示，當復合材料板第2根光纖和第7根光纖的交叉位置處受到一定外加載荷時，8路光纖輸出信號曲線如圖4（b）所示。比較圖4（a）和圖5（b），承載后，第2路和第7路光纖輸出明顯小于未有任何變形與損傷時的光纖輸出，而其他6路變化量較小。因此，對照圖3可直觀看出：在第2根光纖和第7根光纖的交叉位置處受到載荷作用。同樣，圖5（b）為復合材料板在第4根光纖和第5根光纖的交叉位置處受到一定外加載荷時的8路光纖輸出信號曲線，對比圖5（a）中的原始狀態(tài)光強曲線可以發(fā)現(xiàn)，第4根光纖和第5根光纖的輸出光強明顯減小，這說明了載荷的位置在第4根光纖和第5根光纖的交叉處，由系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果與實際實驗條件吻合，試驗結(jié)果表明：監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與分析正確無誤，能準確可靠地判別智能結(jié)構(gòu)試件承載和損傷的位置。

3 結(jié)束語

本文提出并設計了一種基于光纖智能結(jié)構(gòu)的新型健康監(jiān)控系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的組成，闡述了該系統(tǒng)的設計和工作原理，并對光纖智能結(jié)構(gòu)試件進行了健康監(jiān)控試驗：在航空飛行器常用復合材料板中，以網(wǎng)狀交叉方式埋入特種傳感光纖，構(gòu)成光纖智能結(jié)構(gòu)試件，對該試件進行健康狀況監(jiān)測與控制試驗研究，并作數(shù)據(jù)分析和損傷位置判定。試驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)軟硬件工作協(xié)調(diào)，數(shù)據(jù)處理與分析正確無誤，能準確可靠地判別智能結(jié)構(gòu)試件承載和損傷的位置，并進行相應的光源控制動作，為特殊光纖智能結(jié)構(gòu)的進一步應用開拓了新途徑。