光纤智能结构应用到新型智能结构健康监控系统方案

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DD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。