光纖智能結(jié)構(gòu)在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

1. 引言

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(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。

一個(gè)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(jìn)行光電信號(hào)處理，根據(jù)感知到的信息做出反應(yīng)。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(diǎn)。目前，各種具有特殊功能的傳感光纖得到廣泛的應(yīng)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(cè)系統(tǒng)也互不相同。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)控系統(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)特種智能結(jié)構(gòu)的各種情況及時(shí)進(jìn)行不同的處理。

2. 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(xué)系統(tǒng)、光電傳感器、監(jiān)控主機(jī)及PC 機(jī)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(zhǎng)的光通過光學(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)過光電傳感器組，轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，傳入監(jiān)控主機(jī)，再分別經(jīng)過信號(hào)的濾波、放大、模/數(shù)變換后，由微處理器（DSP）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，獲得各組光信號(hào)的光強(qiáng)相對(duì)值，并進(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。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于硬件部分的工作分為監(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)程序中采用兩種中斷方式來(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）。

圖2 監(jiān)控主機(jī)程序流程圖