一种光纤智能结构的监控系统设计

0 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80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 。

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。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，针对各种智能结构的各种情况及时进行不同的处理。

1 监控系统设计

1．1 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换成电信号，传入监控主机，再分别经过信号的滤波、放大、模／数变换后，由微处理器进行数据采集与处理，获得各组光信号的光强的相对值，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。

1．2 监控系统软件设计

由于硬件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2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)。

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，将复杂而完善的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

图2 监控主机程序流程图

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。

2 试验与分析

2．1 试验装置