基于模糊控制算法的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷自修復(fù)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于模糊控制算法的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷自修復(fù)系統(tǒng)及方法，其基 于光纖傳感技術(shù)和微控制器技術(shù)以及模糊控制技術(shù)，涉及一種新型光纖傳感器的物理結(jié) 構(gòu)，同時(shí)涉及一種基于模糊控制算法的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷自修復(fù)方法，其中，通過(guò)模糊控制 的方法控制繼電器的開合，從而控制通信光源和修復(fù)光源在復(fù)合材料發(fā)生損傷的情況下及 時(shí)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷自修復(fù)。
【背景技術(shù)】：
[0002] 復(fù)合材料損傷的健康監(jiān)測(cè)一直以來(lái)都是研究熱點(diǎn)，因?yàn)閺?fù)合材料的健康狀況影響 重大，尤其在航空航天事業(yè)方面具有深刻的意義。目前復(fù)合材料結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于飛行器 中。飛行器在工作中難免會(huì)承受各種沖擊，如:翼面同飛鳥的撞擊、受到槍擊、起落過(guò)程中跑 道上障礙物對(duì)滑輪的影響、維護(hù)時(shí)的工具掉落在了飛行器的表面等，一個(gè)小的損傷就可以 帶來(lái)致命的災(zāi)難。因此通過(guò)監(jiān)測(cè)損傷的程度以及位置來(lái)保證飛行器運(yùn)行的安全是非常必要 的。復(fù)合材料損傷定位和損傷程度的判斷也成了近年來(lái)研究的熱點(diǎn)課題，當(dāng)然現(xiàn)在也取得 了不少的科研成果。智能結(jié)構(gòu)的功能應(yīng)該包含兩部分的內(nèi)容，一個(gè)是自診斷和自修復(fù)。近年 來(lái)，光纖在智能復(fù)合材料中的自診斷應(yīng)用研究的已經(jīng)比較深入，也取得顯著的成果。目前在 智能復(fù)合材料監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用最多是光纖光柵傳感器，但是光纖光柵只能作為傳感元件監(jiān) 測(cè)復(fù)合材料的健康狀態(tài)，當(dāng)材料發(fā)生損傷時(shí)，不能對(duì)材料進(jìn)行及時(shí)修復(fù)，且當(dāng)材料受損光纖 也受損，不再具有損傷自診斷功能。
[0003] 本發(fā)明是根據(jù)內(nèi)置膠囊仿生自修復(fù)機(jī)理設(shè)計(jì)的一套自修復(fù)系統(tǒng)，該仿生自修復(fù)機(jī) 理是將內(nèi)含粘接劑的空心膠囊滲入材料中，一旦材料在外力作用下發(fā)生開裂，部分膠囊破 裂，粘接液流出并深入裂紋，可使材料裂紋重新愈合;或者空心膠囊內(nèi)部含一種催化劑或促 進(jìn)劑，一旦材料在外力作用下發(fā)生開裂，部分膠囊破裂，催化劑或促進(jìn)劑流出，從而促使材 料內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而自動(dòng)愈合。液芯纖維自修復(fù)的概念是埋入基體的液芯纖維，在裂紋 擴(kuò)展時(shí)以釋放修復(fù)物質(zhì)而治愈裂紋時(shí)提出的。國(guó)外在液芯光纖這方面工作開展的比較早， 在1970年E.Plppen首次研制成功了液芯光纖，可是研制出來(lái)的液芯光纖損耗比較大，在當(dāng) 時(shí)的研究條件下，將液芯光纖用于通信是不太現(xiàn)實(shí)的，適逢此時(shí)石英光纖處于蓬勃的發(fā)展 期，光纖生產(chǎn)技術(shù)提高很快，生產(chǎn)出來(lái)的石英光纖的損耗己接近理論損耗值。雖然液芯光纖 沒(méi)有被用于光通信，但實(shí)驗(yàn)中卻發(fā)現(xiàn)了液芯光纖的一些性質(zhì)，如光譜傳輸效率高、機(jī)械性能 好、可以傳輸大功率光源、非線性特性、大數(shù)值孔徑等等。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)于液芯光纖的研究 正在許多單位展開，但研究主要集中于液芯光纖的研制及其特性的研究，主要應(yīng)用于光波 傳輸方面，其他用途還未見到相關(guān)的報(bào)道。
[0004] 本發(fā)明基于特制的液芯光纖提出了一種基于模糊控制算法的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷 自修復(fù)系統(tǒng)及方法，該方法基于一套自主設(shè)計(jì)的光纖智能結(jié)構(gòu)自修復(fù)系統(tǒng)，采用液芯光纖 作為傳感器，當(dāng)智能材料結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷破壞時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)控制模塊控制修復(fù)光源的開關(guān)，從 而實(shí)現(xiàn)光修復(fù)。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005] 為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種基于模糊控制算法的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷 自修復(fù)系統(tǒng)及方法。
[0006] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種基于模糊控制算法的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷自修復(fù)系 統(tǒng)，其包括光源模塊、液芯光纖智能結(jié)構(gòu)模塊、光電檢測(cè)模塊、微控制器模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模 塊、蜂鳴器模塊、數(shù)碼顯示器模塊、繼電器模塊；
[0007] 所述光源模塊包括通信光源和修復(fù)光源，所述光源模塊的開關(guān)與繼電器模塊相 連；
[0008] 所述液芯光纖智能結(jié)構(gòu)模塊以復(fù)合材料為基材，在復(fù)合材料中埋入液芯光纖；
[0009] 所述光電檢測(cè)模塊包括光電轉(zhuǎn)換模塊和信號(hào)放大模塊，所述光電轉(zhuǎn)換模塊采用光 電三極管串聯(lián)一個(gè)大小為50歐姆的電阻，所述信號(hào)放大模塊采用差分放大器AD626,所述通 信光源和修復(fù)光源照射于液芯光纖智能結(jié)構(gòu)模塊的一端，所述液芯光纖智能結(jié)構(gòu)模塊的另 一端連接光電三極管；
[0010] 所述微控制器模塊采用通用處理器AT89S51，所述處理器AT89S51的P1.0 口連接蜂 鳴器模塊，P2 口連接數(shù)碼顯示器模塊，控制數(shù)碼顯示器模塊的顯示，P1.1 口連接繼電器模 塊，復(fù)合材料發(fā)生損傷時(shí)，設(shè)置P1.1 口輸出高電平，觸發(fā)繼電器模塊工作，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的 輸出引腳連接P2 口，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用ADC0809芯片，信號(hào)放大模塊輸出的電壓連接 ADC0809芯片的ΙΝ0引腳。
[0011]進(jìn)一步地，所述通信光源為波長(zhǎng)為632nm的光源，所述修復(fù)光源為波長(zhǎng)為320nm的 光源。
[0012] 本發(fā)明還采用如下技術(shù)方案:一種基于模糊控制算法的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷自修復(fù) 方法，其包括如下步驟：
[0013] 第一步:光纖智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制作步驟，將液芯光纖埋入復(fù)合材料中，構(gòu)成液芯 光纖智能結(jié)構(gòu)模塊；
[0014] 第二步:搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)步驟，系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)由光源模塊、液芯光纖智能結(jié) 構(gòu)模塊、光電檢測(cè)模塊和微控制器模塊構(gòu)成，其中光源模塊包括通信光源和修復(fù)光源，光電 檢測(cè)模塊包括光電轉(zhuǎn)換模塊和信號(hào)放大模塊，信號(hào)放大模塊連接微控制器模塊；
[0015] 第三步:液芯光纖智能結(jié)構(gòu)模塊中復(fù)合材料健康狀態(tài)信號(hào)采集步驟，選用波長(zhǎng)為 632nm的光源作為通信光源，選擇波長(zhǎng)為320nm的光作為系統(tǒng)的修復(fù)光源，同時(shí)選用一個(gè)透 鏡作為媒介，使光源出射光匯聚，用于照射液芯光纖智能結(jié)構(gòu)模塊的一端，傳感復(fù)合材料結(jié) 構(gòu)的健康狀態(tài)信息，在液芯光纖智能結(jié)構(gòu)模塊的另一端，連接光電三極管作為感光元件，對(duì) 出射光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并獲得光電流信號(hào)；
[0016] 第四步:信號(hào)的放大步驟，信號(hào)放大模塊采用的是差分放大器AD626,通過(guò)光電流 信號(hào)前置放大模塊將光電流信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；
[0017] 第五步:放大后的信號(hào)處理步驟，微控制器模塊采用通用處理器AT89S51，信號(hào)經(jīng) 過(guò)微處理器處理后，根據(jù)液芯光纖智能結(jié)構(gòu)模塊實(shí)時(shí)輸出的光強(qiáng)值和在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康 狀態(tài)下光纖輸出的光強(qiáng)值進(jìn)行模糊運(yùn)算，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠 識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，采用三個(gè)七段數(shù)碼管作為數(shù)據(jù)顯示器模塊，用于試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)顯示， 當(dāng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷的同時(shí)，蜂鳴器模塊發(fā)出警報(bào)，采用模糊控制算法對(duì)光纖輸出的 包含材料結(jié)構(gòu)健康的信號(hào)進(jìn)行處理，控制繼電器的開合，進(jìn)而控制通信光源和修復(fù)光源之 間的轉(zhuǎn)換，運(yùn)算后，對(duì)光纖輸出的包含材料結(jié)構(gòu)健康的信號(hào)進(jìn)行處理，控制繼電器模塊的開 合，進(jìn)而控制通信光源和修復(fù)光源之間的轉(zhuǎn)換，以達(dá)到對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷的自修復(fù)。
[0018] 進(jìn)一步地，所述第五步中模糊運(yùn)算，具體包括以下步驟
[0019] 步驟1:打開通信光源，在數(shù)碼顯示器模塊中顯示光纖的輸出值；
[0020] 步驟2:將系統(tǒng)實(shí)時(shí)得到的光纖輸出值與復(fù)合材料健康狀態(tài)下液芯光纖智能結(jié)構(gòu) 模塊輸出值相比較，判斷復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是否損傷，如果實(shí)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)值與健康狀態(tài)的輸 出值相比發(fā)生顯著減小，甚至減小為〇，則判定復(fù)合材料已遭受損傷破壞，否則無(wú)損傷；
[0021 ]步驟3:如果判定發(fā)生損傷，蜂鳴器模塊報(bào)警，系統(tǒng)通過(guò)繼電器模塊，將通信光源切 換到修復(fù)光源，一段時(shí)間以后，將修復(fù)光源切換到通信光源，再次比較得到的數(shù)據(jù)值與健康 狀態(tài)下液芯光纖智能結(jié)構(gòu)模塊輸出值，判斷是否修復(fù)完成；
[0022] 步驟4:如果損傷修復(fù)未完成，則繼續(xù)以上步驟3，如果修復(fù)完成，程序結(jié)束，蜂鳴器 模塊停止。
[0023] 本發(fā)明具有如下有益效果:本發(fā)明提出的基于液芯光纖智能結(jié)構(gòu)的監(jiān)控系統(tǒng)及方 法實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷自修復(fù)。
【附圖說(shuō)明】：
[0024]圖1本發(fā)明所述硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0025]圖2本發(fā)明所述系統(tǒng)中的液芯光纖結(jié)構(gòu)圖。
[0026]圖3本發(fā)明所述系統(tǒng)中的光電檢測(cè)模塊流程圖。
[0027] 圖4本發(fā)明所述系統(tǒng)中的光電轉(zhuǎn)換模塊電路圖。
[0028] 圖5本發(fā)明所述系統(tǒng)中的信號(hào)放大模塊圖。
[0029]圖6本發(fā)明所述系統(tǒng)中的差分放大器AD626內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖。
[0030] 圖7本發(fā)明所述系統(tǒng)中的微控制器模塊框圖。
[0031] 圖8本發(fā)明所述系統(tǒng)中的繼電器模塊電路圖。
[0032]圖9本發(fā)明所述模糊控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖。
[0033]圖10輸入量E的模糊轉(zhuǎn)換表。
[0034]圖11輸入量EC的模糊轉(zhuǎn)換表。
[0035]圖12模糊決策表。
[0036]圖13實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。
[0037] 圖中符號(hào)說(shuō)明：
[0038] 101-光源模塊；102-液芯光纖智能結(jié)構(gòu)模塊；103-光電檢測(cè)模塊；104-微控制器模 塊；105-光電三極管；106-差分放大器AD626; 107-損傷破壞器;301-光電轉(zhuǎn)換模塊;302-信 號(hào)放大模塊;401-A/D模塊;402-蜂鳴器模塊;403-數(shù)碼顯不器模塊;404-繼電器模塊。
【具體實(shí)施方式】：
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