光纖智能結構應用到新型智能結構健康監控系統方案

1. 引言

智能結構是近年來(lái)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)應用于先進(jìn)復合材料中，并配以相應監測與控制系統，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(chē)、醫學(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)驗室中，還是在實(shí)際應用中，都出現了一些光纖智能結構的實(shí)例。

一個(gè)光纖智能結構系統的基本功能是：感知結構內、外部環(huán)境條件，進(jìn)行光電信號處理，根據感知到的信息做出反應。光纖智能結構中的核心元件DD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用，如紅外光纖，紫外光纖，液芯光纖等，其性能、參數不同，用途各異，傳感原理，監測系統也互不相同。近年來(lái)，光纖智能結構研究領(lǐng)域已取得了一些重要成果，如分布式光纖光柵智能結構，光纖智能夾層，空心光纖智能結構等等。傳統的光纖智能結構前端光源波長(cháng)一般固定不變，但有些實(shí)驗系統中光纖智能結構要求在不同情況下傳輸不同波長(cháng)的光，各光源的動(dòng)作需監控系統對結構進(jìn)行分析、判斷后進(jìn)行控制，普通的光電檢測已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求。

本文提出并設計一種新型智能結構健康監控系統，可實(shí)時(shí)監控結構的各種狀態(tài)，如受載，損傷，破壞等，并作數據分析和損傷定位，針對特種智能結構的各種情況及時(shí)進(jìn)行不同的處理。

2. 監控系統設計

2.1 系統硬件

監控系統硬件系統主要由光源組、光學(xué)系統、光電傳感器、監控主機及PC 機組成。圖1 為監控系統的組成示意圖。

圖1 監控系統系統示意圖

由前端光源組發(fā)出的不同波長(cháng)的光通過(guò)光學(xué)系統耦合至內含特殊光纖網(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(guò)光纖中的光強來(lái)調制。光源組的設計選用多種波長(cháng)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(jiǎn)單，有良好的線(xiàn)性工作區和帶寬等優(yōu)點(diǎn)。

載有光纖智能結構健康狀況信息的光信號經(jīng)過(guò)光電傳感器組，轉變成電信號，傳入監控主機，再分別經(jīng)過(guò)信號的濾波、放大、模/數變換后，由微處理器(DSP)進(jìn)行數據采集與處理，獲得各組光信號的光強相對值，并進(jìn)行存儲;同時(shí)，監控主機還將判斷和分析各數據，發(fā)出各種控制信號，對光源組進(jìn)行不同的處理;另外監控主機還將接收監控計算機的命令，與監控計算機進(jìn)行數據的傳遞以便計算機及時(shí)分析結構的各種狀態(tài)并創(chuàng )建監控記錄。

2.2 監控系統軟件設計

由于硬件部分的工作分為監控主機和監控計算機兩大部分，所以系統的軟件也由兩部分組成：監控主機軟件和監控計算機軟件。軟件的協(xié)同工作是通過(guò)串口協(xié)議來(lái)完成的。

監控主機的程序除了完成信號采集，A/D 變換，數據處理和控制，還負責與PC 機通信。