智能健康监控系统的设计及应用

1. 引言

    智能结构是近年来在国际上兴起的崭新的边缘交叉学科。通常，将光纤技术应用于先进复合材料中，并配以相应监测与控制系统，就构成了光纤智能结构。美国军方在八十年代中期首先提出光纤智能结构这一概念，研究对象侧重于航空、航天飞行器，随后即渗透到土木工程、船舶、汽车、医学等众多领域，并很快成为研究热点。目前，无论是在实验室中，还是在实际应用中，都出现了一些光纤智能结构的实例。

    一个光纤智能结构系统的基本功能是：感知结构内、外部环境条件，进行光电信号处理，根据感知到的信息做出反应。光纤智能结构中的核心元件——光纤，具有体积小，灵敏度高，电绝缘，抗电磁干扰等许多优点。目前，各种具有特殊功能的传感光纤得到广泛的应用，如红外光纤，紫外光纤，液芯光纤等，其性能、参数不同，用途各异，传感原理，监测系统也互不相同。近年来，光纤智能结构研究领域已取得了一些重要成果，如分布式光纤光栅智能结构，光纤智能夹层，空心光纤智能结构等等。传统的光纤智能结构前端光源波长一般固定不变，但有些实验系统中光纤智能结构要求在不同情况下传输不同波长的光，各光源的动作需监控系统对结构进行分析、判断后进行控制，普通的光电检测已经不能满足要求。

    本文提出并设计一种新型智能结构健康监控系统，可实时监控结构的各种状态，如受载，损伤，破坏等，并作数据分析和损伤定位，针对特种智能结构的各种情况及时进行不同的处理。

2. 监控系统设计

    2.1 系统硬件

    监控系统硬件系统主要由光源组、光学系统、光电传感器、监控主机及PC 机组成。图1 为监控系统的组成示意图。

图1 监控系统系统示意图

    由前端光源组发出的不同波长的光通过光学系统耦合至内含特殊光纤网络的复合材料试件中，外界环境对复合材料的影响通过光纤中的光强来调制。光源组的设计选用多种波长的激光二极管，激光二极管具有发散角小，功率集中，体积小，调制方式简单，有良好的线性工作区和带宽等优点。

    载有光纤智能结构健康状况信息的光信号经过光电传感器组，转变成电信号，传入监控主机，再分别经过信号的滤波、放大、模/数变换后，由微处理器（DSP）进行数据采集与处理，获得各组光信号的光强相对值，并进行存储；同时，监控主机还将判断和分析各数据，发出各种控制信号，对光源组进行不同的处理；另外监控主机还将接收监控计算机的命令，与监控计算机进行数据的传递以便计算机及时分析结构的各种状态并创建监控记录。

    2.2 监控系统软件设计

    由于硬件部分的工作分为监控主机和监控计算机两大部分，所以系统的软件也由两部分组成：监控主机软件和监控计算机软件。软件的协同工作是通过串口协议来完成的。

    监控主机的程序除了完成信号采集，A/D 变换，数据处理和控制，还负责与PC 机通信。

    因此下位机程序中采用两种中断方式来处理这两方面的工作：定时器中断和串行口中断。图2 为监控主机程序流程图（数据采集、处理、通信部分）。

图2 监控主机程序流程图

    监控计算机的程序采用可视化程序设计语言VB6.0 和Matlab 语言混合编写。VB6.0 最有力的一面就是快速创建用户界面，把复杂而完善的Windows 操作系统的使用融于易于学习和作用的高级语言中，因而成为界面编程的首选开发工具之一。而在数据分析和运算处理方面，MATLAB 是国际认可（IEEE）的最优化的科技应用软件，其强大的科学计算功能与开放式可扩展环境以及多个面向不同领域而扩展的工具箱（Toolbox）支持，使得MATLAB在许多学科领域中成为计算机辅助设计与分析、算法研究和应用开发的基本工具和首选平台。因此光纤智能结构计算机监控软件在用VB6. 0 编写代码时，调用Matlab 的功能，通过建立VB6. 0 与Matlab 的ActiveX 的自动连接，实现计算机界面和数据分析处理的速度尽可能很好的结合。图3 为光纤智能结构计算机监控程序界面示意图。

图3 计算机监控程序界面[page]

3. 实验与分析

    3.1 实验装置

    实验采用新型特种光光纤智能结构（光纤正交网格状埋入法）进行损伤位置判定，光纤埋入示意图如图4 所示。

图4 智能结构光纤埋入法示意图

    3.2 实验和数据分析

    在航空飞行器常用复合材料板中，埋入网状交叉的特种光纤。对该复合材料板进行加载、卸载以及损伤、破坏等实验。当复合材料板未有任何变形与损伤时，8 路光纤输出信号曲线如图5（a）所示，当复合材料板第2 根光纤和第7 根光纤的交叉位置处受到一定外加载荷时，8 路光纤输出信号曲线如图5（b）所示。比较图5（a）和图5（b），承载后，第2 路和第7 路光纤输出明显小于未有任何变形与损伤时的光纤输出，而其他6 路变化量较小。因此，对照图4 可直观看出在第2 根光纤和第7 根光纤的交叉位置处受到载荷作用。同样，图6（b）为复合材料板在第4 根光纤和第5 根光纤的交叉位置处受到一定外加载荷时的8 路光纤输出信号曲线图，对比图6（a）中的原始状态光强曲线，可以发现第4 根光纤和第5 根光纤的输出光强明显减小，这说明了载荷的位置在第4 根光纤和第5 根光纤的交叉处，由系统数据分析的结果与实际实验条件吻合，因此，实验结果表明监控系统的数据处理与分析正确无误，能准确可靠地判别智能结构试件承载和损伤的位置。

图5 （a） 原始状态8 路光纤输出信号曲线

（b） （2,7）处承载时的8 路光纤输出信号曲线

图6 （a） 原始状态8 路光纤输出信号曲线

（b） （4,5）处承载时的8 路光纤输出信号曲线

4. 结语

    本文提出并设计了一种基于光纤智能结构的新型健康监控系统，介绍了系统的组成，阐述了该系统的设计和工作原理，并对光纤智能结构样板进行了健康监控实验：在航空飞行器常用复合材料板中，以网状交叉方式埋入特种传感光纤，构成光纤智能结构试件，对该试件进行健康状况监测与控制实验研究，并作数据分析和损伤位置判定。实验结果表明，系统软硬件工作协调，数据处理与分析正确无误，能准确可靠地判别智能结构试件承载和损伤的位置，并进行相应的光源控制动作，为特殊光纤智能结构的进一步应用开拓了新途径。