用于檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)狀態(tài)的智能光電系統(tǒng)

摘要 介紹了一種能夠?qū)崟r(shí)在線檢測(cè)復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)的一種智能光電系統(tǒng)的研制，詳細(xì)介紹了微弱光電流信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以光纖作為傳感器、CD4051為多路模擬開(kāi)關(guān)、AD0801實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、89C51單片機(jī)為微處理器。PC機(jī)與單片機(jī)通信，完成數(shù)據(jù)處理并實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的定位。

An Intelligent Photoelectricity System for Composite Materials State Detection
Guo Shengfa,Chen Sanbao，Li Haijun
(Department of Communication Engineering ,WuHan University of Science and Technology,WuHan, 430063)
Abstract:Introduces the development of an intelligent photoelectricity system which can realtime online detect the composite materials state.Detail the design of the circuit to detect faint electric current signal .In this system,Fiber-optical sensors are adopted,an analog multichannel is switched by CD4051, and A/D conversion is achieved by ADC0801,89C51 is a microcomputer.Personal computer can communicate with this system and receive the data from it.In the computer the data are processed and the failure position can also be located.
Key word:composite materials;Fiber-optical sensor;single-chip microcomputer; serial communication

復(fù)合材料正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷很難用常規(guī)方法檢測(cè)到?，F(xiàn)有的各種無(wú)損探傷方法，如X射線及超聲C掃描等，使用既不經(jīng)濟(jì)又不能實(shí)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，有時(shí)還會(huì)造成誤診斷。利用光纖作為傳感器的優(yōu)良特性，將光纖網(wǎng)絡(luò)(分布式光纖傳感器)埋入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)（如應(yīng)力、應(yīng)變等）的改變會(huì)導(dǎo)致光纖內(nèi)通過(guò)的光能量發(fā)生相應(yīng)的變化，即材料內(nèi)部狀態(tài)量與光纖內(nèi)通過(guò)的光能量有一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，這樣通過(guò)檢測(cè)光纖內(nèi)通過(guò)的光強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)弱變化，就可以探知材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷的程度，通過(guò)合理的布置光纖網(wǎng)絡(luò)并對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的各根光纖進(jìn)行具體編號(hào)，可以獲得材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部各點(diǎn)（光纖網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)）所受的應(yīng)變值，即可實(shí)現(xiàn)故障定位。光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及布置原理如圖1。

光源（LED）陣列

光纖中通過(guò)的光信號(hào)，經(jīng)光電傳感器（光探測(cè)器）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這是個(gè)模擬量，需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理后送入PC機(jī)，計(jì)算機(jī)完成對(duì)信號(hào)的處理，并顯示復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)圖并顯示對(duì)應(yīng)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的損傷程度。因此，系統(tǒng)應(yīng)包括兩部分：前端是一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成對(duì)多路光信號(hào)的采集，并把數(shù)據(jù)送往計(jì)算機(jī)；后端有計(jì)算機(jī)完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理、圖像模擬。兩者通過(guò)RS232串行通信傳輸數(shù)據(jù)，不通信時(shí)，兩者可以各自獨(dú)立工作，單片機(jī)不占用計(jì)算機(jī)資源。
1系統(tǒng)的基本組成
本系統(tǒng)的光源采用的是GF222型光纖耦合GaAs側(cè)面發(fā)光管，其峰波長(zhǎng)為880nm，根據(jù)傳感器設(shè)計(jì)的要求，采用GT101A型PIN光電二極管實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換后，把光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成光電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)CD4051模擬8路開(kāi)關(guān)切換，每次一路信號(hào)進(jìn)入信號(hào)調(diào)理放大電路，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電平0～5V，然后通過(guò)ADC0801轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，微處理器選用AT89C51，其內(nèi)部配有4K的EEPROM作為程序存儲(chǔ)器，外圍配28C64作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，采用串行通信口實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)異步半雙工通信， MAX232實(shí)現(xiàn)RS232電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換，LCD顯示各通道號(hào)及其光強(qiáng)度值，系統(tǒng)硬件組成框圖如圖2。鑒于光電轉(zhuǎn)換器輸出的光電流值及其微弱，微弱小信號(hào)的檢測(cè)是一個(gè)技術(shù)上的難點(diǎn)，下面重點(diǎn)討論對(duì)光電流信號(hào)的調(diào)理電路設(shè)計(jì)。

2信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)
由于復(fù)合材料所受的應(yīng)變引起光纖傳感器光強(qiáng)信號(hào)的變化很小，經(jīng)光探測(cè)器轉(zhuǎn)換后的光電流信號(hào)變化極其微弱，加上各種噪聲的影響，因此，要準(zhǔn)確檢測(cè)光電流信號(hào)必須采取特殊的措施，本系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路包括兩部分：放大電路及濾波電路.

圖3中，信號(hào)光是指從光纖傳感網(wǎng)絡(luò)輸出的隨材料所受應(yīng)變變化的光電流，參考光是指光源直接輸出的光電流。采用參考光的目的是為了消除光源噪聲和環(huán)境噪聲，這樣經(jīng)差動(dòng)放大后所得到的電壓信號(hào)只反映信號(hào)光纖中光強(qiáng)變化的信號(hào)。根據(jù)微弱信號(hào)檢測(cè)理論，前置放大器的精度、穩(wěn)定度、靈敏度直接決定整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，因此，前置放大器的設(shè)計(jì)對(duì)一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)及其關(guān)鍵，它必須具有在強(qiáng)噪聲中接收微弱有用信號(hào)的能力，并能正確放大有用信號(hào)。由于光電轉(zhuǎn)換器的輸出阻抗很大，將光電流變成低輸出阻抗的電壓，采用一般的放大電路會(huì)引起阻抗失配而大大削弱輸入信號(hào)，對(duì)于微弱輸入信號(hào)來(lái)講更是嚴(yán)重問(wèn)題。為此，本系統(tǒng)采用圖3所示的積分型I/U變換電路作為前置放大電路，此電路中，PIN光電管的負(fù)載電阻為R1/A（設(shè)運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益為A），因運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益A通常很大，即使選用較大的反饋電阻R1，R1/A與PIN光電管的輸出電阻相比也是可以忽略的，因此，這種電路較適合于作為PIN管（相當(dāng)于一個(gè)電流源）的負(fù)載電路。根據(jù)I/U變換原理，U01=-I01*R1，I01為光電流，電容C1為超前校正電容，用于防止運(yùn)放發(fā)生自激，同時(shí)還可以減少輸出直流電平的紋波，其值一般為0.1～0.22µF。運(yùn)放選用高精度自穩(wěn)零斬波集成運(yùn)算放大器ICL7650，是一種高精度、低漂移、高輸入阻抗的集成運(yùn)放，它利用動(dòng)態(tài)較零原理（內(nèi)含兩個(gè)放大器：一個(gè)用于放大，另一個(gè)專用于補(bǔ)償漂移）消除了CMOS器件固有的失調(diào)和漂移，對(duì)微弱信號(hào)來(lái)講是個(gè)較理想的前置放大器。C2、C3為記憶電容，宜采用漏電流小聚脂薄膜電容，大小為0.1µF。電路中的電阻均選用經(jīng)過(guò)篩選的金屬膜電阻。
信號(hào)經(jīng)差動(dòng)放大器A3后，已變成標(biāo)準(zhǔn)電平0～5V，但還會(huì)含有一些交流噪聲，再進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換前必須加以濾除。設(shè)計(jì)了一甚低頻有源濾波器，圖4所示，該電路為巴特沃斯四階有源低通濾波器，適宜濾除直流電平信號(hào)上的甚低頻隨機(jī)脈沖干擾電壓。
3 檢測(cè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、濾波、變換和發(fā)送，與計(jì)算機(jī)接收程序的協(xié)調(diào)。按功能分，可以把檢測(cè)程序分為：(1)初始化程序段，用來(lái)設(shè)定89C51單片機(jī)內(nèi)部一些寄存器的初始值以及串行口和定時(shí)器的工作狀態(tài)；(2)數(shù)據(jù)采集程序段（由A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)觸發(fā)89C51的外部中斷/INT0引發(fā)的中斷服務(wù)程序），完成各通道信號(hào)的采集并存放在系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的工作；(3)數(shù)據(jù)處理程序段，完成對(duì)各通道采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波、變換，把變換后的值送往指定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元；(4)顯示程序段，依次把通道號(hào)及各通道對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)送往LCD顯示；(5)通信程序（串行中斷服務(wù)程序），程序的功能是將各通道采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)。要發(fā)送數(shù)據(jù)，首先必須與PC機(jī)建立握手信號(hào)，然后才可以發(fā)送數(shù)據(jù)，為確保接收到的數(shù)據(jù)的正確性，單片機(jī)在發(fā)數(shù)據(jù)的過(guò)程中，每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)，就等待計(jì)算機(jī)發(fā)回應(yīng)答信號(hào)，如應(yīng)答信號(hào)不正確（不是規(guī)定的應(yīng)答信號(hào)），則重發(fā)上一次數(shù)據(jù)，發(fā)完8路信號(hào)時(shí)，即完成一次完整的數(shù)據(jù)通信。主程序流程圖如圖5，數(shù)據(jù)采集及通信在各自的中斷服務(wù)程序內(nèi)完成。以上為單片機(jī)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，采用MCS—51匯編語(yǔ)言編制，固化在89C51片內(nèi)4K的EEPROM內(nèi)。計(jì)算機(jī)的接收程序采用C語(yǔ)言編制，可以充分利用C語(yǔ)言表達(dá)能力強(qiáng)、使用靈活、支持結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)又可以方便進(jìn)行內(nèi)存及I/O等底層硬件操作等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部所受的應(yīng)力、應(yīng)變作實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，還可以進(jìn)一步推廣用于橋梁、水壩及大型建筑物等的結(jié)構(gòu)狀態(tài)作實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，具有重要的社會(huì)意義與經(jīng)濟(jì)意義。同時(shí)，本文設(shè)計(jì)的微弱光電流信號(hào)的檢測(cè)電路,對(duì)許多微弱信號(hào)的檢測(cè)電路設(shè)計(jì)也有參考價(jià)值。