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)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開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)，系統(tǒng)包括光源模塊、液芯光纖智能結(jié)構(gòu)模塊、光電檢測模塊、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；光源模塊包括通信光源和修復(fù)光源，光源模塊的開關(guān)與繼電器模塊相連；液芯光纖智能結(jié)構(gòu)模塊是在復(fù)合材料中埋入液芯光纖；光電檢測模塊包括光電轉(zhuǎn)換模塊和信號放大模塊，光電轉(zhuǎn)換模塊采用光電三極管，信號放大模塊采用差分放大器AD626，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，液芯光纖智能結(jié)構(gòu)模塊的另一端連接光電三極管；微控制器模塊采用通用處理器AT89S51，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用ADC0809芯片，信號放大模塊輸出的電壓連接ADC0809芯片的IN0引腳。
【專利說明】
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)
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001 ]本實用新型設(shè)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)，其基于 光纖傳感技術(shù)和微控制器技術(shù)W及模糊控制技術(shù)，設(shè)及一種新型光纖傳感器的物理結(jié)構(gòu)， 同時設(shè)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 轉(zhuǎn)換，實現(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)測一直W來都是研究熱點，因為復(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承受各種沖擊，如:翼面同飛鳥的撞擊、受到槍擊、起落過程中跑 道上障礙物對滑輪的影響、維護時的工具掉落在了飛行器的表面等，一個小的損傷就可W 帶來致命的災(zāi)難。因此通過監(jiān)測損傷的程度W及位置來保證飛行器運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研究的熱點課題，當然現(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，一個是自診斷和自修復(fù)。近年 來，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) 測復(fù)合材料的健康狀態(tài)，當材料發(fā)生損傷時，不能對材料進行及時修復(fù)，且當材料受損光纖 也受損，不再具有損傷自診斷功能。
[0003] 本實用新型是根據(jù)內(nèi)置膠囊仿生自修復(fù)機理設(shè)計的一套自修復(fù)系統(tǒng)，該仿生自修 復(fù)機理是將內(nèi)含粘接劑的空屯、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;或者空屯、膠囊內(nèi)部含一種催化劑 或促進劑，一旦材料在外力作用下發(fā)生開裂，部分膠囊破裂，催化劑或促進劑流出，從而促 使材料內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而自動愈合。液忍纖維自修復(fù)的概念是埋入基體的液忍纖維，在 裂紋擴展時W釋放修復(fù)物質(zhì)而治愈裂紋時提出的。國外在液忍光纖運方面工作開展的比 較早，在1970年E.Plppen首次研制成功了液忍光纖，可是研制出來的液忍光纖損耗比較大， 在當時的研究條件下，將液忍光纖用于通信是不太現(xiàn)實的，適逢此時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)出來的石英光纖的損耗己接近理論損耗值。雖然液忍 光纖沒有被用于光通信，但實驗中卻發(fā)現(xiàn)了液忍光纖的一些性質(zhì)，如光譜傳輸效率高、機械 性能好、可W傳輸大功率光源、非線性特性、大數(shù)值孔徑等等。近年來，國內(nèi)對于液忍光纖的 研究正在許多單位展開，但研究主要集中于液忍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)的報道。
[0004] 本實用新型基于特制的液忍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)計的光纖智能結(jié)構(gòu)自修復(fù)系統(tǒng)，采用液忍 光纖作為傳感器，當智能材料結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷破壞時，系統(tǒng)通過控制模塊控制修復(fù)光源的開 關(guān)，從而實現(xiàn)光修復(fù)。 【實用新型內(nèi)容】：
[0005] 為了達到上述實用新型目的，本實用新型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)。
[0006] 本實用新型采用如下技術(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、液忍光纖智能結(jié)構(gòu)模塊、光電檢測模塊、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；
[000引所述液忍光纖智能結(jié)構(gòu)模塊W復(fù)合材料為基材，在復(fù)合材料中埋入液忍光纖；
[0009] 所述光電檢測模塊包括光電轉(zhuǎn)換模塊和信號放大模塊，所述光電轉(zhuǎn)換模塊采用光 電Ξ極管串聯(lián)一個大小為50歐姆的電阻，所述信號放大模塊采用差分放大器AD626,所述通 信光源和修復(fù)光源照射于液忍光纖智能結(jié)構(gòu)模塊的一端，所述液忍光纖智能結(jié)構(gòu)模塊的另 一端連接光電Ξ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，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忍片，信號放大模塊輸出的電壓連接 ADC0809忍片的IN0引腳。
[0011] 進一步地，所述通信光源為波長為63化m的光源，所述修復(fù)光源為波長為320皿的 光源。
[0012] 本實用新型還采用如下技術(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，將液忍光纖埋入復(fù)合材料中，構(gòu)成液忍 光纖智能結(jié)構(gòu)模塊；
[0014] 第二步:搭建實驗系統(tǒng)測試平臺步驟，系統(tǒng)測試平臺由光源模塊、液忍光纖智能結(jié) 構(gòu)模塊、光電檢測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 檢測模塊包括光電轉(zhuǎn)換模塊和信號放大模塊，信號放大模塊連接微控制器模塊；
[0015] 第Ξ步:液忍光纖智能結(jié)構(gòu)模塊中復(fù)合材料健康狀態(tài)信號采集步驟，選用波長為 63化m的光源作為通信光源，選擇波長為32化m的光作為系統(tǒng)的修復(fù)光源，同時選用一個透 鏡作為媒介，使光源出射光匯聚，用于照射液忍光纖智能結(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，在液忍光纖智能結(jié)構(gòu)模塊的另一端，連接光電Ξ極管作為感光元件，對 出射光進行光電轉(zhuǎn)換，并獲得光電流信號；
[0016] 第四步:信號的放大步驟，信號放大模塊采用的是差分放大器AD626,通過光電流 信號前置放大模塊將光電流信號放大并轉(zhuǎn)換成電壓信號；
[0017] 第五步:放大后的信號處理步驟，微控制器模塊采用通用處理器AT89S51，信號經(jīng) 過微處理器處理后，根據(jù)液忍光纖智能結(jié)構(gòu)模塊實時輸出的光強值和在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康 狀態(tài)下光纖輸出的光強值進行模糊運算，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)化為計算機能夠 識別的數(shù)字信號，采用Ξ個屯段數(shù)碼管作為數(shù)據(jù)顯示器模塊，用于試驗過程中的數(shù)據(jù)顯示， 當復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷的同時，蜂鳴器模塊發(fā)出警報，采用模糊控制算法對光纖輸出的 包含材料結(jié)構(gòu)健康的信號進行處理，控制繼電器的開合，進而控制通信光源和修復(fù)光源之 間的轉(zhuǎn)換，運算后，對光纖輸出的包含材料結(jié)構(gòu)健康的信號進行處理，控制繼電器模塊的開 合，進而控制通信光源和修復(fù)光源之間的轉(zhuǎn)換，W達到對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷的自修復(fù)。
[0018] 進一步地，所述第五步中模糊運算，具體包括W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)實時得到的光纖輸出值與復(fù)合材料健康狀態(tài)下液忍光纖智能結(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，如果實時測量的數(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0，則判定復(fù)合材料已遭受損傷破壞，否則無損傷；
[0021 ]步驟3:如果判定發(fā)生損傷，蜂鳴器模塊報警，系統(tǒng)通過繼電器模塊，將通信光源切 換到修復(fù)光源，一段時間W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)下液忍光纖智能結(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)W上步驟3，如果修復(fù)完成，程序結(jié)束，蜂鳴器 模塊停止。
[0023] 本實用新型具有如下有益效果:本實用新型提出的基于液忍光纖智能結(jié)構(gòu)的監(jiān)控 系統(tǒng)及方法實現(xiàn)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷自修復(fù)。
【附圖說明】：
[0024] 圖1本實用新型所述硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0025] 圖2本實用新型所述系統(tǒng)中的液忍光纖結(jié)構(gòu)圖。
[0026] 圖3本實用新型所述系統(tǒng)中的光電檢測模塊流程圖。
[0027] 圖4本實用新型所述系統(tǒng)中的光電轉(zhuǎn)換模塊電路圖。
[0028] 圖5本實用新型所述系統(tǒng)中的信號放大模塊圖。
[0029] 圖6本實用新型所述系統(tǒng)中的差分放大器AD626內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖。
[0030] 圖7本實用新型所述系統(tǒng)中的微控制器模塊框圖。
[0031] 圖8本實用新型所述系統(tǒng)中的繼電器模塊電路圖。
[0032] 圖9本實用新型所述模糊控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖。
[0033] 圖10實驗裝置示意圖。
[0034] 圖中符號說明：
[0035] 101-光源模塊;102-液忍光纖智能結(jié)構(gòu)模塊；103-光電檢測模塊；104-微控制器模 塊；105-光電Ξ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 號放大模塊;401-A/D模塊;402-蜂鳴器模塊;403-數(shù)碼顯示器模塊;404-繼電器模塊。
【具體實施方式】：
[0036] 請參照圖1所示，本實用新型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)， 包括光源模塊101、液忍光纖智能結(jié)構(gòu)模塊102、光電檢測模塊103、光電轉(zhuǎn)換模塊301、信號 放大模塊302、微控制器模塊104、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊401、蜂鳴器模塊402、數(shù)碼顯示器模塊403、 繼電器模塊404、信號處理模塊，光源模塊101的開關(guān)與繼電器模塊404相連，且光源模塊101 包括通信光源和修復(fù)光源，選擇波長為632nm的光源作為系統(tǒng)的通信光源，用于照射液忍光 纖傳感器，傳感復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)信息；選擇波長為320nm的光作為系統(tǒng)的修復(fù)光 源，用于損傷后對固化劑的照射，修復(fù)光源與修復(fù)液的固化波長一致，通信光源和修復(fù)光源 通過透鏡禪合入液忍光纖中。
[0037] 液忍光纖智能結(jié)構(gòu)模塊102,用于承載復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)信息和儲存修復(fù) 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的修復(fù)液，液忍光纖智能結(jié)構(gòu)模塊如圖2所示。本實用新型W玻纖增強E-51環(huán) 氧樹脂基復(fù)合材料為基材，將液忍光纖埋入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，與復(fù)合材料板禪合，構(gòu)成液忍 光纖智能結(jié)構(gòu)模塊，其忍液由低聚物、光引發(fā)劑、活性稀釋劑和助劑運四種物質(zhì)按一定比例 混合而成，液忍光纖的一端通過透鏡與通信光源和修復(fù)光源相連，另一端連接光電Ξ極管。
[0038] 光電檢測模塊103,用于光信號的接收、轉(zhuǎn)換及放大，其包含光電轉(zhuǎn)換模塊301和信 號放大模塊302，其模塊流程圖如圖3所示。
[0039] 光電轉(zhuǎn)換模塊301，用于將光信號轉(zhuǎn)變成電流信號，采用高靈敏度的光電Ξ極管 105,串聯(lián)一個大小為50歐姆的電阻，電路圖如圖4所示，在外加電壓VCC下，當光照射光電Ξ 極管105時就有光電流產(chǎn)生。信號放大模塊302,用于將光電轉(zhuǎn)換模塊輸出的微電流信號放 大，電路圖如圖5所示，信號放大模塊302采用差分放大器AD626,其電路有前置放大器和環(huán) 繞放大器構(gòu)成。其中差分放大器AD626,內(nèi)部電路圖如圖6所示，輸入信號首先被施加到雙有 源衰減器R1~R4中，其目的是減小輸入前置放大器的最大共模電壓。該前置放大器是由低 漂移運算放大器A1構(gòu)成反饋級。運樣就允許在大共模電壓情況下被精確放大的差分輸入電 壓比實際輸入到A1的允許輸入電壓大6倍。通過對R3和R4進行精密激光修整，使共模誤差最 小。從而使差分放大器AD626共模抑制比最小為10000:1(80地）。為了減小由于輸入到A1的 整流作用在輸入端產(chǎn)生的附加 RF信號的影響，所W使用小的濾波電容C1與C2。差分放大器 AD626的源阻抗設(shè)置低于IkQ，W減小增益誤差。同時我們通過設(shè)置環(huán)繞放大器A2的反饋 網(wǎng)絡(luò)來設(shè)置增益，輸出緩沖器A2的工作增益為2,差分放大器AD626前置校準增益為10。
[0040] 微控制器模塊104,用于控制對光電轉(zhuǎn)換后的電信號的采集和處理，包括控制模數(shù) 轉(zhuǎn)換模塊401對信號的采集，本實用新型微控制器模塊104采用8051系列中的通用處理器 AT89S51，用戶可用RAM有256字節(jié)。其中處理器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，當復(fù)合材料發(fā)生損 傷時，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401的輸出引腳連接P2 口，微控制器模塊104的框圖如圖7所示；
[0041] 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊401，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊401采用A/D轉(zhuǎn)換忍片ADC0809,信號放大模塊輸 出的電壓連接ADC0809忍片的IN0引腳，參考電壓為5伏，其輸入引腳連接處理器AT89S51的 P2口，用于將模擬信號(V)轉(zhuǎn)化為計算機能夠識別的數(shù)字信號化），設(shè)液忍光纖輸出的經(jīng)光 電檢測模塊103處理后的值是V，根據(jù)下面的公式可W計算出經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊401轉(zhuǎn)換后 的數(shù)值U:
[0042]
[0043] 其中，Vc = 5V代表A/D模塊接入的參考電壓;n= 10是A/D模塊的位數(shù)。
[0044] 蜂鳴器模塊402,用于在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷的同時發(fā)出警報。連接處理器 AT89S51的P1.0 口，當復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時，設(shè)置P1.0 口為高電平，從而在材料發(fā)生損 傷的同時發(fā)出警報。
[0045] 數(shù)碼顯示器模塊403,采用Ξ個屯段數(shù)碼管作為顯示器，基于共陽連接和靜態(tài)顯 示，與處理器AT89S51的Ρ2 口相連，用于實驗過程中的數(shù)據(jù)顯示。
[0046] 繼電器模塊404,用于控制通信光源和修復(fù)光源之間的切換，其電路圖如圖8所示。 當復(fù)合材料發(fā)生損傷時，繼電器模塊404線圈就會通電，線圈中的鐵忍產(chǎn)生強大的電磁力， 吸動銜鐵帶動黃片，使觸點2、5斷開，2、4接通，從而接通修復(fù)光源，實現(xiàn)從通信光源到修復(fù) 光源的切換，使得損傷能夠及時修復(fù)；當修復(fù)液流出固化，損傷修復(fù)后，線圈斷電，彈黃使黃 片復(fù)位，使觸點2、4斷開，2、5接通，即完成從修復(fù)光源到通信光源的切換。
[0047] 信號處理模塊，用于通過對光纖輸出的包含復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康的數(shù)據(jù)信息的處 理，控制繼電器模塊的開合，進而控制通信光源和修復(fù)光源之間的轉(zhuǎn)換，達到對復(fù)合材料 結(jié)構(gòu)損傷的自修復(fù)的目的。在該實用新型系統(tǒng)中，從液忍光纖輸出來的光經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換模 塊301轉(zhuǎn)換后的電壓為0.22~0.25V，通過信號放大模塊302放大10倍后，電壓值變?yōu)?.2~ 2.5V，此時電壓是模擬信號，必須經(jīng)A/D模塊將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可識別的數(shù)字信號，微控制器 模塊內(nèi)的A/D模塊是10位的，采用的參考電壓是5V，得到光纖輸出光強的理論值在409~512 之間。然后我們采用模糊算法對數(shù)據(jù)進行進一步的處理，當復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷之后能 夠及時的修復(fù)，其模糊控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖9所示。
[0048] 本實用新型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，包括W下步驟：
[0049] 第一步:光纖智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制作步驟，將液忍光纖埋入復(fù)合材料中，構(gòu)成液忍 光纖智能結(jié)構(gòu)模塊；
[0050] 第二步:搭建實驗系統(tǒng)測試平臺步驟，系統(tǒng)測試平臺由光源模塊、液忍光纖智能結(jié) 構(gòu)模塊、光電檢測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 檢測模塊包括光電轉(zhuǎn)換模塊和信號放大模塊，信號放大模塊連接微控制器模塊，微控制器 模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、蜂鳴器模塊、數(shù)碼顯示器模塊和繼電器模塊；
[0051] 第Ξ步:液忍光纖智能結(jié)構(gòu)模塊中復(fù)合材料健康狀態(tài)信號采集步驟，選用波長為 63化m的光源作為通信光源，選擇波長為32化m的光作為系統(tǒng)的修復(fù)光源，用于損傷后對固 化劑的照射，修復(fù)光源與修復(fù)液的固化波長一致，同時選用一個透鏡作為媒介，使光源出射 光匯聚，用于照射液忍光纖智能結(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 忍光纖智能結(jié)構(gòu)模塊的另一端，連接光電Ξ極管作為感光元件，對出射光進行光電轉(zhuǎn)換，并 獲得光電流信號，本實用新型采用光電Ξ級管作為光電轉(zhuǎn)換模塊；
[0052] 第四步:信號的放大步驟，信號放大模塊采用的是差分放大器AD626,通過光電流 信號前置放大模塊將光電流信號放大并轉(zhuǎn)換成電壓信號；
[0053] 第五步：放大后的信號處理步驟，本實用新型采用8051系列中的通用微處理器 AT89S51，信號經(jīng)過微處理器處理后，根據(jù)液忍光纖智能結(jié)構(gòu)模塊實時輸出的光強值和在復(fù) 合材料結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)下光纖輸出的光強值進行模糊運算，通過A/D模塊將模擬信號轉(zhuǎn)化為 計算機能夠識別的數(shù)字信號，采用Ξ個屯段數(shù)碼管作為數(shù)據(jù)顯示器模塊，用于試驗過程中 的數(shù)據(jù)顯示，當復(fù)合材料結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷的同時，蜂鳴器模塊發(fā)出警報，采用模糊控制算法對 光纖輸出的包含材料結(jié)構(gòu)健康的信號進行處理，控制繼電器的開合，進而控制通信光源和 修復(fù)光源之間的轉(zhuǎn)換，運算后，對光纖輸出的包含材料結(jié)構(gòu)健康的信號進行處理，控制繼 電器模塊的開合，進而控制通信光源和修復(fù)光源之間的轉(zhuǎn)換，達到對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷的 自修復(fù)的目的。
[0054] 其中第五步中模糊運算，具體包括W下步驟：
[0055] 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；
[0056] 步驟2:將系統(tǒng)實時得到的光纖輸出值與復(fù)合材料健康狀態(tài)下液忍光纖智能結(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，如果實時測量的數(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0，則判定復(fù)合材料已遭受損傷破壞，否則無損傷；
[0057] 步驟3 :如果判定發(fā)生損傷，蜂鳴器模塊報警，系統(tǒng)通過繼電器模塊，將通信光源切 換到修復(fù)光源，一段時間W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)下液忍光纖智能結(jié)構(gòu)模塊輸出值，判斷是否修復(fù)完成；
[0058] 步驟4:如果損傷修復(fù)未完成，則繼續(xù)W上步驟3，如果修復(fù)完成，程序結(jié)束，蜂鳴器 模塊停止警報。
[0059] 本實用新型中模糊運算有兩個輸入，分別命名為E和EC，E表示本次測量光纖輸出 光強值和健康狀態(tài)下光纖傳感器輸出光強值之間的差值，EC表示本次測量的光強值和上次 測量的光強值之間的差值。E的論域為[-512,0]，由于光纖修復(fù)之后輸出的光強會減小，因 此EC的論域為[0，310 ]。E的模糊子集有陽^ NM，NS，Z0}，EC的模糊子集有{Z0，PS，PM，PL}，其 中，B、M、S分別表示大、中、小，N，B表示正負。比如E的模糊子集化表示較大的光強差，即本次 測量光纖輸出光強值和健康狀態(tài)下光纖傳感器輸出光強值之間的差值較大，EC的模糊子集 PM表示中等的光強差，即本次測量光纖輸出光強值和上次測量的光纖傳感器輸出光強值之 間的差值中等。E的模糊子集Z0表示測量光強值和健康狀態(tài)下的光強值相等，EC的模糊子集 Z0表示本次測量的光強值和上次測量的光強值相等。E和EC的模糊量輸入轉(zhuǎn)換如表1、2所 示，都采用最大隸屬度歸入法。從表中可W看出，對于E，光強差值在[-50,0]，屬于Z0,差值 在[-300,-50]屬于NS，差值在[-300,-512]屬于NM，光強差值在[-w，-512]，屬于化；W此類 推，對于EC，差值在光強差值在[0，50]，屬于Z0，差值在[50，125]屬于PS，差值在[125，300] 屬于PM，光強差值在[300,+00]，屬于化。
[0060] 表 1
[0061]
[0062]表 2
[0063]
[0064] 模糊運算的輸出為u，表示繼電器的開合和開合的時間長短，大小用pmi波的占空 比表示，U的模糊子集包括{0L，0M，0S，Z0，CS，CM，CL}，比如化表示打開繼電器，也就是開通 修復(fù)光源，并且保持長時間的開通，0M表示較長時間的開通，0S表示短時間的開通，CL表示 閉合繼電器，即開通通信光源，并保持長時間的開通，CM表示較長時間的開通修復(fù)光源，CS 表示短時間的開通通信光源。Z0表示保持原有狀態(tài)。模糊決策表如表3所示。
[00化]表3 [0066]
[0067] 下面通過一個具體的實施例來說明本實用新型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。
[0068] W監(jiān)控飛行器常用的玻纖增強E-51環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)為例，將自 制的液忍光纖傳感器埋入E-51復(fù)合材料中，構(gòu)成液忍光纖智能結(jié)構(gòu)模塊102,實驗裝置圖如 圖10所示，其包括光源模塊101、光電檢測模塊103、微控制器模塊104及損傷破壞器107,其 中光源模塊101包括通信光源和修復(fù)光源，光電檢測模塊103包括光電轉(zhuǎn)換模塊301和信號 放大模塊302,微控制器模塊104包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊401、蜂鳴器模塊402、數(shù)碼顯示器模塊 403和繼電器模塊404，連接好裝置，對復(fù)合材料板進行加載、損傷破壞等試驗。
[0069] 實驗具體過程如下：首先對復(fù)合材料板不做任何加載或損傷破壞處理，得到復(fù)合 材料在健康狀態(tài)下光纖輸出的數(shù)據(jù)值，穩(wěn)定后，記錄數(shù)碼管上顯示的數(shù)據(jù)，然后分別對復(fù)合 材料中埋有液忍光纖的區(qū)域進行加載破壞試驗，同時記錄下數(shù)據(jù)。反復(fù)試驗3次，數(shù)據(jù)如表4 所示。
[0070] 表4實驗結(jié)果
[0071]
[0072] 實驗過程中，當在損傷發(fā)生的同時，蜂鳴器模塊及時響應(yīng)并發(fā)出警報。根據(jù)表4的 實驗數(shù)據(jù)可W看出，當復(fù)合材料結(jié)構(gòu)處在健康狀態(tài)下，光纖輸出的光強值是正常的，數(shù)值都 在409-512之間，當發(fā)生損傷之后，數(shù)值急劇下降，損傷之后，光纖失去通光功能，但是由于 周圍環(huán)境雜散光的影響，數(shù)碼顯示器上的數(shù)值并沒有減為0,之后在整個系統(tǒng)的工作下，光 源被切換到修復(fù)光源，一段時間后，修復(fù)液在修復(fù)光源的照射下得W固化，損傷部位被固化 修復(fù)，光路得W連通，顯示器上的值增大，但是由于損傷已經(jīng)發(fā)生，無法恢復(fù)到原來的通信 能力，因此相比在健康狀態(tài)下的數(shù)值要小。
[0073] 本實用新型研究結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能夠控制通信光源和修復(fù)光源之間的有效 切換，實現(xiàn)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷自修復(fù)的目的。
[0074] W上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下還可W作出若干改進，運些改進也應(yīng)視為 本實用新型的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 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)，其特征在于:包括光源模 塊（101 )、液芯光纖智能結(jié)構(gòu)模塊（102)、光電檢測模塊（103)、微控制器模塊（104)、模數(shù)轉(zhuǎn) 換模塊(401 )、蜂鳴器模塊(402)、數(shù)碼顯示器模塊(403)、繼電器模塊(404); 所述光源模塊（101)包括通信光源和修復(fù)光源，所述光源模塊（101)的開關(guān)與繼電器模 塊(404)相連； 所述液芯光纖智能結(jié)構(gòu)模塊(102)以復(fù)合材料為基材，在復(fù)合材料中埋入液芯光纖； 所述光電檢測模塊（103)包括光電轉(zhuǎn)換模塊（301)和信號放大模塊(302)，所述光電轉(zhuǎn) 換模塊（301)米用光電三極管（105)串聯(lián)一個大小為50歐姆的電阻，所述信號放大模塊 (302)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 (102)的一端，所述液芯光纖智能結(jié)構(gòu)模塊(102)的另一端連接光電三極管（105); 所述微控制器模塊（104)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（402)，P2口連接數(shù)碼顯示器模塊（403)，控制數(shù)碼顯示器模塊(403)的顯示， PI. 1 口連接繼電器模塊(404)，復(fù)合材料發(fā)生損傷時，設(shè)置PI. 1 口輸出高電平，觸發(fā)繼電器 模塊(404)工作，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(401)的輸出引腳連接P2 口，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(401)采用 ADC0809芯片，信號放大模塊(302)輸出的電壓連接ADC0809芯片的ΙΝ0引腳。2. 如權(quán)利要求1所述的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)，其特征在 于:所述通信光源為波長為632nm的光源，所述修復(fù)光源為波長為320nm的光源。
【文檔編號】G05B13/02GK205450590SQ201620016171
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年1月6日
【發(fā)明人】沈令斌, 趙志敏, 俞曉磊, 張文杰
【申請人】南京航空航天大學(xué)