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

　3. 實驗與分析

　3. 實驗與分析

　　3.1 實驗裝置

　　實驗采用新型特種光光纖智能結(jié)構(gòu)（光纖正交網(wǎng)格狀埋入法）進行損傷位置判定,，光纖埋入示意圖如圖4 所示,。

圖4 智能結(jié)構(gòu)光纖埋入法示意圖

　　3.2 實驗和數(shù)據(jù)分析

　　在航空飛行器常用復(fù)合材料板中，埋入網(wǎng)狀交叉的特種光纖,。對該復(fù)合材料板進行加載,、卸載以及損傷、破壞等實驗,。當復(fù)合材料板未有任何變形與損傷時,，8 路光纖輸出信號曲線如圖5（a）所示，當復(fù)合材料板第2 根光纖和第7 根光纖的交叉位置處受到一定外加載荷時,，8 路光纖輸出信號曲線如圖5（b）所示,。比較圖5（a）和圖5（b），承載后,，第2 路和第7 路光纖輸出明顯小于未有任何變形與損傷時的光纖輸出,，而其他6 路變化量較小。因此,，對照圖4 可直觀看出在第2 根光纖和第7 根光纖的交叉位置處受到載荷作用,。同樣，圖6（b）為復(fù)合材料板在第4 根光纖和第5 根光纖的交叉位置處受到一定外加載荷時的8 路光纖輸出信號曲線圖,，對比圖6（a）中的原始狀態(tài)光強曲線,，可以發(fā)現(xiàn)第4 根光纖和第5 根光纖的輸出光強明顯減小，這說明了載荷的位置在第4 根光纖和第5 根光纖的交叉處,，由系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果與實際實驗條件吻合,，因此，實驗結(jié)果表明監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與分析正確無誤,，能準確可靠地判別智能結(jié)構(gòu)試件承載和損傷的位置,。

圖5 （a） 原始狀態(tài)8 路光纖輸出信號曲線

（b） （2,7）處承載時的8 路光纖輸出信號曲線

圖6 （a） 原始狀態(tài)8 路光纖輸出信號曲線

（b） （4,5）處承載時的8 路光纖輸出信號曲線

　　4. 結(jié)語

　　本文提出并設(shè)計了一種基于光纖智能結(jié)構(gòu)的新型健康監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的組成,，闡述了該系統(tǒng)的設(shè)計和工作原理,，并對光纖智能結(jié)構(gòu)樣板進行了健康監(jiān)控實驗：在航空飛行器常用復(fù)合材料板中，以網(wǎng)狀交叉方式埋入特種傳感光纖,，構(gòu)成光纖智能結(jié)構(gòu)試件,，對該試件進行健康狀況監(jiān)測與控制實驗研究，并作數(shù)據(jù)分析和損傷位置判定,。實驗結(jié)果表明,，系統(tǒng)軟硬件工作協(xié)調(diào)，數(shù)據(jù)處理與分析正確無誤,，能準確可靠地判別智能結(jié)構(gòu)試件承載和損傷的位置,，并進行相應(yīng)的光源控制動作,，為特殊光纖智能結(jié)構(gòu)的進一步應(yīng)用開拓了新途徑。