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[導讀]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)。美國軍方在八十年代中期首先提出光纖智能結(jié)構(gòu)這一概

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。

一個光纖智能結(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(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。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(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(shè)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,針對特種智能結(jié)構(gòu)的各種情況及時進行不同的處理。

2. 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)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(nèi)含特殊光纖網(wǎng)絡(luò)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(shè)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)變成電信號,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(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(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

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(shè)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(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(shè)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。圖3 為光纖智能結(jié)構(gòu)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(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4 所示。

圖4 智能結(jié)構(gòu)光纖埋入法示意圖

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(jié)果與實際實驗條件吻合,因此,實驗結(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。

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(jié)語

本文提出并設(shè)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),介紹了系統(tǒng)的組成,闡述了該系統(tǒng)的設(shè)計和工作原理,并對光纖智能結(jié)構(gòu)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(gòu)成光纖智能結(jié)構(gòu)試件,對該試件進行健康狀況監(jiān)測與控制實驗研究,并作數(shù)據(jù)分析和損傷位置判定。實驗結(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。
 

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