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——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。

　　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 為監控主機程序流程圖（數據采集、處理、通信部分）。

圖2 監控主機程序流程圖

　　監控計算機的程序采用可視化程序設計語言VB6.0 和Matlab 語言混合編寫。VB6.0 最有力的一面就是快速創建用戶界面，把復雜而完善的Windows 操作系統的使用融于易于學習和作用的高級語言中，因而成為界面編程的首選開發工具之一。而在數據分析和運算處理方面，MATLAB 是國際認可（IEEE）的最優化的科技應用軟件，其強大的科學計算功能與開放式可擴展環境以及多個面向不同領域而擴展的工具箱（Toolbox）支持，使得MATLAB在許多學科領域中成為計算機輔助設計與分析、算法研究和應用開發的基本工具和首選平臺。因此光纖智能結構計算機監控軟件在用VB6. 0 編寫代碼時，調用Matlab 的功能，通過建立VB6. 0 與Matlab 的ActiveX 的自動連接，實現計算機界面和數據分析處理的速度盡可能很好的結合。圖3 為光纖智能結構計算機監控程序界面示意圖。

圖3 計算機監控程序界面

　　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構（光纖正交網格狀埋入法）進行損傷位置判定，光纖埋入示意圖如圖4 所示。

圖4 智能結構光纖埋入法示意圖

 　　3.2 實驗和數據分析

　　在航空飛行器常用復合材料板中，埋入網狀交叉的特種光纖。對該復合材料板進行加載、卸載以及損傷、破壞等實驗。當復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）中的原始狀態光強曲線，可以發現第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，由系統數據分析的結果與實際實驗條件吻合，因此，實驗結果表明監控系統的數據處理與分析正確無誤，能準確可靠地判別智能結構試件承載和損傷的位置。

圖5 （a） 原始狀態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. 結語

　　本文提出并設計了一種基于光纖智能結構的新型健康監控系統，介紹了系統的組成，闡述了該系統的設計和工作原理，并對光纖智能結構樣板進行了健康監控實驗：在航空飛行器常用復合材料板中，以網狀交叉方式埋入特種傳感光纖，構成光纖智能結構試件，對該試件進行健康狀況監測與控制實驗研究，并作數據分析和損傷位置判定。實驗結果表明，系統軟硬件工作協調，數據處理與分析正確無誤，能準確可靠地判別智能結構試件承載和損傷的位置，并進行相應的光源控制動作，為特殊光纖智能結構的進一步應用開拓了新途徑。