用于检测复合材料结构状态的智能光电系统

摘要 介绍了一种能够实时在线检测复合材料内部结构状态的一种智能光电系统的研制，详细介绍了微弱光电流信号调理电路的设计。该系统以光纤作为传感器、CD4051为多路模拟开关、AD0801实现A/D转换、89C51单片机为微处理器。PC机与单片机通信，完成数据处理并实现故障点的定位。

An Intelligent Photoelectricity System for Composite Materials State Detection
Guo Shengfa,Chen Sanbao，Li Haijun
(Department of Communication Engineering ,WuHan University of Science and Technology,WuHan, 430063)
Abstract:Introduces the development of an intelligent photoelectricity system which can realtime online detect the composite materials state.Detail the design of the circuit to detect faint electric current signal .In this system,Fiber-optical sensors are adopted,an analog multichannel is switched by CD4051, and A/D conversion is achieved by ADC0801,89C51 is a microcomputer.Personal computer can communicate with this system and receive the data from it.In the computer the data are processed and the failure position can also be located.
Key word:composite materials;Fiber-optical sensor;single-chip microcomputer; serial communication

复合材料正得到越来越广泛的应用，但其结构内部损伤很难用常规方法检测到。现有的各种无损探伤方法，如X射线及超声C扫描等，使用既不经济又不能实行实时在线监控，有时还会造成误诊断。利用光纤作为传感器的优良特性，将光纤网络(分布式光纤传感器)埋入复合材料结构内部，材料内部结构状态（如应力、应变等）的改变会导致光纤内通过的光能量发生相应的变化，即材料内部状态量与光纤内通过的光能量有一一对应的函数关系，这样通过检测光纤内通过的光强信号的强弱变化，就可以探知材料内部结构损伤的程度，通过合理的布置光纤网络并对网络中的各根光纤进行具体编号，可以获得材料结构内部各点（光纤网络节点）所受的应变值，即可实现故障定位。光纤传感网络的结构及布置原理如图1。

光源（LED）阵列

光纤中通过的光信号，经光电传感器（光探测器）转换成电信号，这是个模拟量，需经A/D转换成数字信号，经单片机处理后送入PC机，计算机完成对信号的处理，并显示复合材料内部结构的网络图并显示对应各网络节点的损伤程度。因此，系统应包括两部分：前端是一个单片机数据采集系统，完成对多路光信号的采集，并把数据送往计算机；后端有计算机完成对数据的处理、图像模拟。两者通过RS232串行通信传输数据，不通信时，两者可以各自独立工作，单片机不占用计算机资源。
1系统的基本组成
本系统的光源采用的是GF222型光纤耦合GaAs侧面发光管，其峰波长为880nm，根据传感器设计的要求，采用GT101A型PIN光电二极管实现光电转换后，把光强信号转换成光电流信号，经过CD4051模拟8路开关切换，每次一路信号进入信号调理放大电路，转换成标准电平0～5V，然后通过ADC0801转换成相应的数字量，微处理器选用AT89C51，其内部配有4K的EEPROM作为程序存储器，外围配28C64作为数据存储器，采用串行通信口实现与计算机异步半双工通信， MAX232实现RS232电平与TTL电平之间的转换，LCD显示各通道号及其光强度值，系统硬件组成框图如图2。鉴于光电转换器输出的光电流值及其微弱，微弱小信号的检测是一个技术上的难点，下面重点讨论对光电流信号的调理电路设计。

2信号调理电路的设计
由于复合材料所受的应变引起光纤传感器光强信号的变化很小，经光探测器转换后的光电流信号变化极其微弱，加上各种噪声的影响，因此，要准确检测光电流信号必须采取特殊的措施，本系统的信号调理电路包括两部分：放大电路及滤波电路.

图3中，信号光是指从光纤传感网络输出的随材料所受应变变化的光电流，参考光是指光源直接输出的光电流。采用参考光的目的是为了消除光源噪声和环境噪声，这样经差动放大后所得到的电压信号只反映信号光纤中光强变化的信号。根据微弱信号检测理论，前置放大器的精度、稳定度、灵敏度直接决定整个系统的性能指标，因此，前置放大器的设计对一个系统来说及其关键，它必须具有在强噪声中接收微弱有用信号的能力，并能正确放大有用信号。由于光电转换器的输出阻抗很大，将光电流变成低输出阻抗的电压，采用一般的放大电路会引起阻抗失配而大大削弱输入信号，对于微弱输入信号来讲更是严重问题。为此，本系统采用图3所示的积分型I/U变换电路作为前置放大电路，此电路中，PIN光电管的负载电阻为R1/A（设运放的开环增益为A），因运放的开环增益A通常很大，即使选用较大的反馈电阻R1，R1/A与PIN光电管的输出电阻相比也是可以忽略的，因此，这种电路较适合于作为PIN管（相当于一个电流源）的负载电路。根据I/U变换原理，U01=-I01*R1，I01为光电流，电容C1为超前校正电容，用于防止运放发生自激，同时还可以减少输出直流电平的纹波，其值一般为0.1～0.22µF。运放选用高精度自稳零斩波集成运算放大器ICL7650，是一种高精度、低漂移、高输入阻抗的集成运放，它利用动态较零原理（内含两个放大器：一个用于放大，另一个专用于补偿漂移）消除了CMOS器件固有的失调和漂移，对微弱信号来讲是个较理想的前置放大器。C2、C3为记忆电容，宜采用漏电流小聚脂薄膜电容，大小为0.1µF。电路中的电阻均选用经过筛选的金属膜电阻。
信号经差动放大器A3后，已变成标准电平0～5V，但还会含有一些交流噪声，再进入A/D转换前必须加以滤除。设计了一甚低频有源滤波器，图4所示，该电路为巴特沃斯四阶有源低通滤波器，适宜滤除直流电平信号上的甚低频随机脉冲干扰电压。
3 检测系统软件的设计
检测系统的软件设计主要完成数据的采集、存储、滤波、变换和发送，与计算机接收程序的协调。按功能分，可以把检测程序分为：(1)初始化程序段，用来设定89C51单片机内部一些寄存器的初始值以及串行口和定时器的工作状态；(2)数据采集程序段（由A/D转换结束信号触发89C51的外部中断/INT0引发的中断服务程序），完成各通道信号的采集并存放在系统数据存储器中的工作；(3)数据处理程序段，完成对各通道采集的数据进行数字滤波、变换，把变换后的值送往指定的数据存储单元；(4)显示程序段，依次把通道号及各通道对应的数据送往LCD显示；(5)通信程序（串行中断服务程序），程序的功能是将各通道采集到的数据发送给计算机。要发送数据，首先必须与PC机建立握手信号，然后才可以发送数据，为确保接收到的数据的正确性，单片机在发数据的过程中，每发送一个数据，就等待计算机发回应答信号，如应答信号不正确（不是规定的应答信号），则重发上一次数据，发完8路信号时，即完成一次完整的数据通信。主程序流程图如图5，数据采集及通信在各自的中断服务程序内完成。以上为单片机系统的程序设计，采用MCS—51汇编语言编制，固化在89C51片内4K的EEPROM内。计算机的接收程序采用C语言编制，可以充分利用C语言表达能力强、使用灵活、支持结构化程序设计又可以方便进行内存及I/O等底层硬件操作等优点。

4 结束语
本文设计的检测系统，可以对复合材料结构内部所受的应力、应变作实时在线检测，还可以进一步推广用于桥梁、水坝及大型建筑物等的结构状态作实时在线检测，具有重要的社会意义与经济意义。同时，本文设计的微弱光电流信号的检测电路,对许多微弱信号的检测电路设计也有参考价值。