一種光纖智能結構的監控系統設計

0 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80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 。

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。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，針對各種智能結構的各種情況及時(shí)進(jìn)行不同的處理。

1 監控系統設計

1．1 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)光電傳感器組轉換成電信號，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，由微處理器進(jìn)行數據采集與處理，獲得各組光信號的光強的相對值，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。

1．2 監控系統軟件設計

由于硬件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。因此，下位機程序中采用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為監控主機程序流程圖(數據采集、處理、通信部分)。

監控計算機的程序采用可視化程序設計語(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(hù)界面，將復雜而完善的Windows操作系統的使用融于易于學(xué)習和作用的高級語(yǔ)言中，因而，成為界面編程的首選開(kāi)發(fā)工具之一。而在數據分析和運算處理方面，Matlab是

圖2 監控主機程序流程圖

國際認可(IEEE)的最優(yōu)化的科技應用軟件，其強大的科學(xué)計算功能與開(kāi)放式可擴展環(huán)境以及多個(gè)面向不同領(lǐng)域而擴展的工具箱(Toolbox)支持，使得Matlab在許多學(xué)科領(lǐng)域中成為計算機輔助設計與分析、算法研究和應用開(kāi)發(fā)的基本工具和首選平臺。因此，光纖智能結構計算機監控軟件在用VB6．0編寫(xiě)代碼時(shí)，調用Matlab的功能，通過(guò)建立VB6．0與Matlab的ActiveX的自動(dòng)連接，實(shí)現計算機界面和數據分析處理的速度盡可能很好的結合。

2 試驗與分析

2．1 試驗裝置