智能健康監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

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(xué)科。通常，將光纖技術(shù)應(yīng)用于先進復(fù)合材料中，并配以相應(yīng)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(xué)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(yīng)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(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。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(xué)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(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)境對復(fù)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(fù)責(zé)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(fù)雜而完善的Windows 操作系統(tǒng)的使用融于易于學(xué)習(xí)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(rèn)可（IEEE）的最優(yōu)化的科技應(yīng)用軟件，其強大的科學(xué)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(xué)科領(lǐng)域中成為計算機輔助設(shè)計與分析、算法研究和應(yīng)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