光纖智能結構應用到新型智能結構健康監控系統方案

1. 引言

智能結構是近年來在國際上興起的嶄新的邊緣交叉學科。通常，將光纖技術應用于先進復合材料中，并配以相應監測與控制系統，就構成了光纖智能結構。美國軍方在八十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、醫學等眾多領域，并很快成為研究熱點。目前，無論是在實驗室中，還是在實際應用中，都出現了一些光纖智能結構的實例。

一個光纖智能結構系統的基本功能是：感知結構內、外部環境條件，進行光電信號處理，根據感知到的信息做出反應。光纖智能結構中的核心元件DD光纖，具有體積小，靈敏度高，電絕緣，抗電磁干擾等許多優點。目前，各種具有特殊功能的傳感光纖得到廣泛的應用，如紅外光纖，紫外光纖，液芯光纖等，其性能、參數不同，用途各異，傳感原理，監測系統也互不相同。近年來，光纖智能結構研究領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等。傳統的光纖智能結構前端光源波長一般固定不變，但有些實驗系統中光纖智能結構要求在不同情況下傳輸不同波長的光，各光源的動作需監控系統對結構進行分析、判斷后進行控制，普通的光電檢測已經不能滿足要求。

本文提出并設計一種新型智能結構健康監控系統，可實時監控結構的各種狀態，如受載，損傷，破壞等，并作數據分析和損傷定位，針對特種智能結構的各種情況及時進行不同的處理。

2. 監控系統設計

2.1 系統硬件

監控系統硬件系統主要由光源組、光學系統、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 監控系統系統示意圖

由前端光源組發出的不同波長的光通過光學系統耦合至內含特殊光纖網絡的復合材料試件中，外界環境對復合材料的影響通過光纖中的光強來調制。光源組的設計選用多種波長的激光二極管，激光二極管具有發散角小，功率集中，體積小，調制方式簡單，有良好的線性工作區和帶寬等優點。

載有光纖智能結構健康狀況信息的光信號經過光電傳感器組，轉變成電信號，傳入監控主機，再分別經過信號的濾波、放大、模/數變換后，由微處理器(DSP)進行數據采集與處理，獲得各組光信號的光強相對值，并進行存儲;同時，監控主機還將判斷和分析各數據，發出各種控制信號，對光源組進行不同的處理;另外監控主機還將接收監控計算機的命令，與監控計算機進行數據的傳遞以便計算機及時分析結構的各種狀態并創建監控記錄。

2.2 監控系統軟件設計

由于硬件部分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。軟件的協同工作是通過串口協議來完成的。

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。