基于新型光纖智能結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)控系統(tǒng)

1. 引言
　　
　　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(xué)科。通常，將光纖技術(shù)應(yīng)用于先進(jìn)復(fù)合材料中，并配以相應(yīng)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，就構(gòu)成了光纖智能結(jié)構(gòu)。美國軍方在八十年代中期首先提出光纖智能結(jié)構(gòu)這一概念，研究對(duì)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(xué)等眾多領(lǐng)域，并很快成為研究熱點(diǎn)。目前，無論是在實(shí)驗(yàn)室中，還是在實(shí)際應(yīng)用中，都出現(xiàn)了一些光纖智能結(jié)構(gòu)的實(shí)例。
　　一個(gè)光纖智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本功能是：感知結(jié)構(gòu)內(nèi)、外部環(huán)境條件，進(jìn)行光電信號(hào)處理，根據(jù)感知到的信息做出反應(yīng)。光纖智能結(jié)構(gòu)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(diǎn)。目前，各種具有特殊功能的傳感光纖得到廣泛的應(yīng)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(cè)系統(tǒng)也互不相同。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(shí)驗(yàn)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(dòng)作需監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、判斷后進(jìn)行控制，普通的光電檢測(cè)已經(jīng)不能滿足要求。
　　本文提出并設(shè)計(jì)一種新型智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)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(duì)特種智能結(jié)構(gòu)的各種情況及時(shí)進(jìn)行不同的處理。
2. 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　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(xué)系統(tǒng)、光電傳感器、監(jiān)控主機(jī)及PC 機(jī)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(xué)系統(tǒng)耦合至內(nèi)含特殊光纖網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料試件中，外界環(huán)境對(duì)復(fù)合材料的影響通過光纖中的光強(qiáng)來調(diào)制。光源組的設(shè)計(jì)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(diǎn)。
　　載有光纖智能結(jié)構(gòu)健康狀況信息的光信號(hào)經(jīng)過光電傳感器組，轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，傳入監(jiān)控主機(jī)，再分別經(jīng)過信號(hào)的濾波、放大、模/數(shù)變換后，由微處理器（DSP）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，獲得各組光信號(hào)的光強(qiáng)相對(duì)值，并進(jìn)行存儲(chǔ)；同時(shí)，監(jiān)控主機(jī)還將判斷和分析各數(shù)據(jù)，發(fā)出各種控制信號(hào)，對(duì)光源組進(jìn)行不同的處理；另外監(jiān)控主機(jī)還將接收監(jiān)控計(jì)算機(jī)的命令，與監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞以便計(jì)算機(jī)及時(shí)分析結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)
　　由于硬件部分的工作分為監(jiān)控主機(jī)和監(jiān)控計(jì)算機(jī)兩大部分，所以系統(tǒng)的軟件也由兩部分組成：監(jiān)控主機(jī)軟件和監(jiān)控計(jì)算機(jī)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(jī)的程序除了完成信號(hào)采集，A/D 變換，數(shù)據(jù)處理和控制，還負(fù)責(zé)與PC 機(jī)通信。
　　因此下位機(jī)程序中采用兩種中斷方式來處理這兩方面的工作：定時(shí)器中斷和串行口中斷。圖2 為監(jiān)控主機(jī)程序流程圖（數(shù)據(jù)采集、處理、通信部分）。

圖2 監(jiān)控主機(jī)程序流程圖
　　監(jiān)控計(jì)算機(jī)的程序采用可視化程序設(shè)計(jì)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(fù)雜而完善的Windows 操作系統(tǒng)的使用融于易于學(xué)習(xí)和作用的高級(jí)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(yùn)算處理方面，MATLAB 是國際認(rèn)可（IEEE）的最優(yōu)化的科技應(yīng)用軟件，其強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能與開放式可擴(kuò)展環(huán)境以及多個(gè)面向不同領(lǐng)域而擴(kuò)展的工具箱（Toolbox）支持，使得MATLAB在許多學(xué)科領(lǐng)域中成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析、算法研究和應(yīng)用開發(fā)的基本工具和首選平臺(tái)。因此光纖智能結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件在用VB6. 0 編寫代碼時(shí)，調(diào)用Matlab 的功能，通過建立VB6. 0 與Matlab 的ActiveX 的自動(dòng)連接，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)界面和數(shù)據(jù)分析處理的速度盡可能很好的結(jié)合。圖3 為光纖智能結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)監(jiān)控程序界面示意圖。

圖3 計(jì)算機(jī)監(jiān)控程序界面
3. 實(shí)驗(yàn)與分析
　　3.1 實(shí)驗(yàn)裝置
　　實(shí)驗(yàn)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(jìn)行損傷位置判定，光纖埋入示意圖如圖4 所示。

圖4 智能結(jié)構(gòu)光纖埋入法示意圖
　　3.２實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析
　　在航空飛行器常用復(fù)合材料板中，埋入網(wǎng)狀交叉的特種光纖。對(duì)該復(fù)合材料板進(jìn)行加載、卸載以及損傷、破壞等實(shí)驗(yàn)。當(dāng)復(fù)合材料板未有任何變形與損傷時(shí)，8 路光纖輸出信號(hào)曲線如圖5（a）所示，當(dāng)復(fù)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(shí)，8 路光纖輸出信號(hào)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(shí)的光纖輸出，而其他6 路變化量較小。因此，對(duì)照?qǐng)D4 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(fù)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(shí)的8 路光纖輸出信號(hào)曲線圖，對(duì)比圖6（a）中的原始狀態(tài)光強(qiáng)曲線，可以發(fā)現(xiàn)第4 根光纖和第5 根光纖的輸出光強(qiáng)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(shí)際實(shí)驗(yàn)條件吻合，因此，實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)確可靠地判別智能結(jié)構(gòu)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(hào)曲線 （b） （2,7）處承載時(shí)的8 路光纖輸出信號(hào)曲線

圖6 （a） 原始狀態(tài)8 路光纖輸出信號(hào)曲線 （b） （4,5）處承載時(shí)的8 路光纖輸出信號(hào)曲線
4. 結(jié)語
　　本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于光纖智能結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)和工作原理，并對(duì)光纖智能結(jié)構(gòu)樣板進(jìn)行了健康監(jiān)控實(shí)驗(yàn)：在航空飛行器常用復(fù)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(duì)該試件進(jìn)行健康狀況監(jiān)測(cè)與控制實(shí)驗(yàn)研究，并作數(shù)據(jù)分析和損傷位置判定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，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(zhǔn)確可靠地判別智能結(jié)構(gòu)試件承載和損傷的位置，并進(jìn)行相應(yīng)的光源控制動(dòng)作，為特殊光纖智能結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步應(yīng)用開拓了新途徑。