光纖智能結(jié)構(gòu)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

????? 近年來(lái)，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(zhǎng)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(zhǎng)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)各種智能結(jié)構(gòu)的各種情況及時(shí)進(jìn)行不同的處理。

????? 智能結(jié)構(gòu)是近年來(lái)在國(guó)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(guó)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(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(wú)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 。

1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(xué)系統(tǒng)、光電傳感器、監(jiān)控主機(jī)及Pc機(jī)組成。

?? ? 由前端光源組發(fā)出的不同波長(zhǎng)的光通過(guò)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(guò)光纖中的光強(qiáng)來(lái)調(diào)制。光源組的設(shè)計(jì)選用多種波長(zhǎng)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(jiǎn)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(guò)光電傳感器組轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳入監(jiān)控主機(jī)，再分別經(jīng)過(guò)信號(hào)的濾波、放大、模／數(shù)變換后，由微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，獲得各組光信號(hào)的光強(qiáng)的相對(duì)值，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。

1．2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

????? 由于硬件的工作分為監(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(guò)串口協(xié)議來(lái)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2種中斷方式來(lái)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)。

????? 監(jiān)控計(jì)算機(jī)的程序采用可視化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言VB6．0和Matlab語(yǔ)言混合編寫(xiě)。VB6．0最有力的一面就是快速創(chuàng)建用戶界面，將復(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(yǔ)言中，因而，成為界面編程的首選開(kāi)發(fā)工具之一。而在數(shù)據(jù)分析和運(yùn)算處理方面，Matlab是Fig 2 Flow chart of monitoring host program

國(guó)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(kāi)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(kāi)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(xiě)代碼時(shí)，調(diào)用Matlab的功能，通過(guò)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。

2 試驗(yàn)與分析

2．1 試驗(yàn)裝置

????? 試驗(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3所示。

圖3 智能結(jié)構(gòu)光纖埋入法示意圖
Fig 3 Schematic diagram of buried method ofoptical fiber
in specim en

2．2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析

????? 在航空飛行器常用E51復(fù)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(duì)該復(fù)合材料板進(jìn)行加載、卸載與損傷、破壞等試驗(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4(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(shí)的光纖輸出，而其他6路變化量較小。因此，對(duì)照?qǐng)D3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(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，對(duì)比圖5(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(shuō)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，試驗(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(wú)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。

????? 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)，分析了系統(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)試件進(jìn)行了健康監(jiān)控試驗(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)與控制試驗(yàn)研究，并作數(shù)據(jù)分析和損傷位置判定。試驗(yàn)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(wú)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(kāi)拓了新途徑。