光纤智能结构的监控系统设计

光纤智能结构的监控系统设计

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 。

1 监控系统设计

1．1 系统硬件

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。

2 试验与分析

2．1 试验装置

试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3所示。

2．2 试验数据和分析

在航空飞行器常用E51复合材料板中，埋入网状交叉的特种光纤(光纤之间的间隔为3 cm)，对该复合材料板进行加载、卸载与损伤、破坏等试验。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4(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4(b)所示。比较图4(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3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5(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，对比图5(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，试验结果表明：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。

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，分析了系统的组成，阐述了该系统的设计和工作原理，并对光纤智能结构试件进行了健康监控试验：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试验研究，并作数据分析和损伤位置判定。试验结果表明：该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。