基于新型光纖智能結構的健康監(jiān)控系統(tǒng)

1. 引言
　　
　　智能結構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)，就構成了光纖智能結構。美國軍方在八十年代中期首先提出光纖智能結構這一概念，研究對象側重于航空、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)了一些光纖智能結構的實例。
　　一個光纖智能結構系統(tǒng)的基本功能是：感知結構內、外部環(huán)境條件，進行光電信號處理，根據(jù)感知到的信息做出反應。光纖智能結構中的核心元件——光纖，具有體積小，靈敏度高，電絕緣，抗電磁干擾等許多優(yōu)點。目前，各種具有特殊功能的傳感光纖得到廣泛的應用，如紅外光纖，紫外光纖，液芯光纖等，其性能、參數(shù)不同，用途各異，傳感原理，監(jiān)測系統(tǒng)也互不相同。近年來，光纖智能結構研究領域已取得了一些重要成果，如分布式光纖光柵智能結構，光纖智能夾層，空心光纖智能結構等等。傳統(tǒng)的光纖智能結構前端光源波長一般固定不變，但有些實驗系統(tǒng)中光纖智能結構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)對結構進行分析、判斷后進行控制，普通的光電檢測已經不能滿足要求。
　　本文提出并設計一種新型智能結構健康監(jiān)控系統(tǒng)，可實時監(jiān)控結構的各種狀態(tài)，如受載，損傷，破壞等，并作數(shù)據(jù)分析和損傷定位，針對特種智能結構的各種情況及時進行不同的處理。
2. 監(jiān)控系統(tǒng)設計
　　2.1 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。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)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。
　　載有光纖智能結構健康狀況信息的光信號經過光電傳感器組，轉變成電信號，傳入監(jiān)控主機，再分別經過信號的濾波、放大、模/數(shù)變換后，由微處理器（DSP）進行數(shù)據(jù)采集與處理，獲得各組光信號的光強相對值，并進行存儲；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構的各種狀態(tài)并創(chuàng)建監(jiān)控記錄。
　　2.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計
　　由于硬件部分的工作分為監(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兩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）。

圖2 監(jiān)控主機程序流程圖
　　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，把復雜而完善的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域而擴展的工具箱（Toolbox）支持，使得MATLAB在許多學科領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。因此光纖智能結構計算機監(jiān)控軟件在用VB6. 0 編寫代碼時，調用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合。圖3 為光纖智能結構計算機監(jiān)控程序界面示意圖。

圖3 計算機監(jiān)控程序界面
3. 實驗與分析
　　3.1 實驗裝置
　　實驗采用新型特種光光纖智能結構（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4 所示。

圖4 智能結構光纖埋入法示意圖
　　3.２實驗和數(shù)據(jù)分析
　　在航空飛行器常用復合材料板中，埋入網(wǎng)狀交叉的特種光纖。對該復合材料板進行加載、卸載以及損傷、破壞等實驗。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5（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5（b）所示。比較圖5（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4 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6（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圖，對比圖6（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)分析的結果與實際實驗條件吻合，因此，實驗結果表明監(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構試件承載和損傷的位置。

圖5 （a） 原始狀態(tài)8 路光纖輸出信號曲線 （b） （2,7）處承載時的8 路光纖輸出信號曲線

圖6 （a） 原始狀態(tài)8 路光纖輸出信號曲線 （b） （4,5）處承載時的8 路光纖輸出信號曲線
4. 結語
　　本文提出并設計了一種基于光纖智能結構的新型健康監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的組成，闡述了該系統(tǒng)的設計和工作原理，并對光纖智能結構樣板進行了健康監(jiān)控實驗：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，構成光纖智能結構試件，對該試件進行健康狀況監(jiān)測與控制實驗研究，并作數(shù)據(jù)分析和損傷位置判定。實驗結果表明，系統(tǒng)軟硬件工作協(xié)調，數(shù)據(jù)處理與分析正確無誤，能準確可靠地判別智能結構試件承載和損傷的位置，并進行相應的光源控制動作，為特殊光纖智能結構的進一步應用開拓了新途徑。