用于檢測復合材料結構狀態(tài)的智能光電系統

關(guān)鍵詞：復合材料；光纖傳感器；單片機；串行通信

An Intelligent Photoelectricity System for Composite Materials State Detection
Guo Shengfa,Chen Sanbao，Li Haijun
(Department of Communication Engineering ,WuHan University of Science and Technology,WuHan, 430063)
Abstract:Introduces the development of an intelligent photoelectricity system which can realtime online detect the composite materials state.Detail the design of the circuit to detect faint electric current signal .In this system,Fiber-optical sensors are adopted,an analog multichannel is switched by CD4051, and A/D conversion is achieved by ADC0801,89C51 is a microcomputer.Personal computer can communicate with this system and receive the data from it.In the computer the data are processed and the failure position can also be located.
Key word:composite materials;Fiber-optical sensor;single-chip microcomputer; serial communication

復合材料正得到越來(lái)越廣泛的應用，但其結構內部損傷很難用常規方法檢測到?，F有的各種無(wú)損探傷方法，如X射線(xiàn)及超聲C掃描等，使用既不經(jīng)濟又不能實(shí)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)監控，有時(shí)還會(huì )造成誤診斷。利用光纖作為傳感器的優(yōu)良特性，將光纖網(wǎng)絡(luò )(分布式光纖傳感器)埋入復合材料結構內部，材料內部結構狀態(tài)（如應力、應變等）的改變會(huì )導致光纖內通過(guò)的光能量發(fā)生相應的變化，即材料內部狀態(tài)量與光纖內通過(guò)的光能量有一一對應的函數關(guān)系，這樣通過(guò)檢測光纖內通過(guò)的光強信號的強弱變化，就可以探知材料內部結構損傷的程度，通過(guò)合理的布置光纖網(wǎng)絡(luò )并對網(wǎng)絡(luò )中的各根光纖進(jìn)行具體編號，可以獲得材料結構內部各點(diǎn)（光纖網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)）所受的應變值，即可實(shí)現故障定位。光纖傳感網(wǎng)絡(luò )的結構及布置原理如圖1。

光源（LED）陣列

光纖中通過(guò)的光信號，經(jīng)光電傳感器（光探測器）轉換成電信號，這是個(gè)模擬量，需經(jīng)A/D轉換成數字信號，經(jīng)單片機處理后送入PC機，計算機完成對信號的處理，并顯示復合材料內部結構的網(wǎng)絡(luò )圖并顯示對應各網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的損傷程度。因此，系統應包括兩部分：前端是一個(gè)單片機數據采集系統，完成對多路光信號的采集，并把數據送往計算機；后端有計算機完成對數據的處理、圖像模擬。兩者通過(guò)RS232串行通信傳輸數據，不通信時(shí)，兩者可以各自獨立工作，單片機不占用計算機資源。
1系統的基本組成
本系統的光源采用的是GF222型光纖耦合GaAs側面發(fā)光管，其峰波長(cháng)為880nm，根據傳感器設計的要求，采用GT101A型PIN光電二極管實(shí)現光電轉換后，把光強信號轉換成光電流信號，經(jīng)過(guò)CD4051模擬8路開(kāi)關(guān)切換，每次一路信號進(jìn)入信號調理放大電路，轉換成標準電平0～5V，然后通過(guò)ADC0801轉換成相應的數字量，微處理器選用AT89C51，其內部配有4K的EEPROM作為程序存儲器，外圍配28C64作為數據存儲器，采用串行通信口實(shí)現與計算機異步半雙工通信， MAX232實(shí)現RS232電平與TTL電平之間的轉換，LCD顯示各通道號及其光強度值，系統硬件組成框圖如圖2。鑒于光電轉換器輸出的光電流值及其微弱，微弱小信號的檢測是一個(gè)技術(shù)上的難點(diǎn)，下面重點(diǎn)討論對光電流信號的調理電路設計。

2信號調理電路的設計
由于復合材料所受的應變引起光纖傳感器光強信號的變化很小，經(jīng)光探測器轉換后的光電流信號變化極其微弱，加上各種噪聲的影響，因此，要準確檢測光電流信號必須采取特殊的措施，本系統的信號調理電路包括兩部分：放大電路及濾波電路.

圖3中，信號光是指從光纖傳感網(wǎng)絡(luò )輸出的隨材料所受應變變化的光電流，參考光是指光源直接輸出的光電流。采用參考光的目的是為了消除光源噪聲和環(huán)境噪聲，這樣經(jīng)差動(dòng)放大后所得到的電壓信號只反映信號光纖中光強變化的信號。根據微弱信號檢測理論，前置放大器的精度、穩定度、靈敏度直接決定整個(gè)系統的性能指標，因此，前置放大器的設計對一個(gè)系統來(lái)說(shuō)及其關(guān)鍵，它必須具有在強噪聲中接收微弱有用信號的能力，并能正確放大有用信號。由于光電轉換器的輸出阻抗很大，將光電流變成低輸出阻抗的電壓，采用一般的放大電路會(huì )引起阻抗失配而大大削弱輸入信號，對于微弱輸入信號來(lái)講更是嚴重問(wèn)題。為此，本系統采用圖3所示的積分型I/U變換電路作為前置放大電路，此電路中，PIN光電管的負載電阻為R1/A（設運放的開(kāi)環(huán)增益為A），因運放的開(kāi)環(huán)增益A通常很大，即使選用較大的反饋電阻R1，R1/A與PIN光電管的輸出電阻相比也是可以忽略的，因此，這種電路較適合于作為PIN管（相當于一個(gè)電流源）的負載電路。根據I/U變換原理，U01=-I01*R1，I01為光電流，電容C1為超前校正電容，用于防止運放發(fā)生自激，同時(shí)還可以減少輸出直流電平的紋波，其值一般為0.1～0.22