基于模糊控制算法的复合材料结构损伤自修复系统及方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及一种基于模糊控制算法的复合材料结构损伤自修复系统及方法，其基 于光纤传感技术和微控制器技术以及模糊控制技术，涉及一种新型光纤传感器的物理结 构，同时涉及一种基于模糊控制算法的复合材料结构损伤自修复方法，其中，通过模糊控制 的方法控制继电器的开合，从而控制通信光源和修复光源在复合材料发生损伤的情况下及 时转换，实现复合材料结构损伤自修复。
【背景技术】：
[0002] 复合材料损伤的健康监测一直以来都是研究热点，因为复合材料的健康状况影响 重大，尤其在航空航天事业方面具有深刻的意义。目前复合材料结构已广泛应用于飞行器 中。飞行器在工作中难免会承受各种冲击，如:翼面同飞鸟的撞击、受到枪击、起落过程中跑 道上障碍物对滑轮的影响、维护时的工具掉落在了飞行器的表面等，一个小的损伤就可以 带来致命的灾难。因此通过监测损伤的程度以及位置来保证飞行器运行的安全是非常必要 的。复合材料损伤定位和损伤程度的判断也成了近年来研究的热点课题，当然现在也取得 了不少的科研成果。智能结构的功能应该包含两部分的内容，一个是自诊断和自修复。近年 来，光纤在智能复合材料中的自诊断应用研究的已经比较深入，也取得显著的成果。目前在 智能复合材料监测系统中应用最多是光纤光栅传感器，但是光纤光栅只能作为传感元件监 测复合材料的健康状态，当材料发生损伤时，不能对材料进行及时修复，且当材料受损光纤 也受损，不再具有损伤自诊断功能。
[0003] 本发明是根据内置胶囊仿生自修复机理设计的一套自修复系统，该仿生自修复机 理是将内含粘接剂的空心胶囊渗入材料中，一旦材料在外力作用下发生开裂，部分胶囊破 裂，粘接液流出并深入裂纹，可使材料裂纹重新愈合;或者空心胶囊内部含一种催化剂或促 进剂，一旦材料在外力作用下发生开裂，部分胶囊破裂，催化剂或促进剂流出，从而促使材 料内部发生化学反应而自动愈合。液芯纤维自修复的概念是埋入基体的液芯纤维，在裂纹 扩展时以释放修复物质而治愈裂纹时提出的。国外在液芯光纤这方面工作开展的比较早， 在1970年E.Plppen首次研制成功了液芯光纤，可是研制出来的液芯光纤损耗比较大，在当 时的研究条件下，将液芯光纤用于通信是不太现实的，适逢此时石英光纤处于蓬勃的发展 期，光纤生产技术提高很快，生产出来的石英光纤的损耗己接近理论损耗值。虽然液芯光纤 没有被用于光通信，但实验中却发现了液芯光纤的一些性质，如光谱传输效率高、机械性能 好、可以传输大功率光源、非线性特性、大数值孔径等等。近年来，国内对于液芯光纤的研究 正在许多单位展开，但研究主要集中于液芯光纤的研制及其特性的研究，主要应用于光波 传输方面，其他用途还未见到相关的报道。
[0004] 本发明基于特制的液芯光纤提出了一种基于模糊控制算法的复合材料结构损伤 自修复系统及方法，该方法基于一套自主设计的光纤智能结构自修复系统，采用液芯光纤 作为传感器，当智能材料结构发生损伤破坏时，系统通过控制模块控制修复光源的开关，从 而实现光修复。
【发明内容】
：
[0005] 为了达到上述发明目的，本发明提供一种基于模糊控制算法的复合材料结构损伤 自修复系统及方法。
[0006] 本发明采用如下技术方案:一种基于模糊控制算法的复合材料结构损伤自修复系 统，其包括光源模块、液芯光纤智能结构模块、光电检测模块、微控制器模块、模数转换模 块、蜂鸣器模块、数码显示器模块、继电器模块；
[0007] 所述光源模块包括通信光源和修复光源，所述光源模块的开关与继电器模块相 连；
[0008] 所述液芯光纤智能结构模块以复合材料为基材，在复合材料中埋入液芯光纤；
[0009] 所述光电检测模块包括光电转换模块和信号放大模块，所述光电转换模块采用光 电三极管串联一个大小为50欧姆的电阻，所述信号放大模块采用差分放大器AD626,所述通 信光源和修复光源照射于液芯光纤智能结构模块的一端，所述液芯光纤智能结构模块的另 一端连接光电三极管；
[0010] 所述微控制器模块采用通用处理器AT89S51，所述处理器AT89S51的P1.0 口连接蜂 鸣器模块，P2 口连接数码显示器模块，控制数码显示器模块的显示，P1.1 口连接继电器模 块，复合材料发生损伤时，设置P1.1 口输出高电平，触发继电器模块工作，模数转换模块的 输出引脚连接P2 口，所述模数转换模块采用ADC0809芯片，信号放大模块输出的电压连接 ADC0809芯片的ΙΝ0引脚。
[0011]进一步地，所述通信光源为波长为632nm的光源，所述修复光源为波长为320nm的 光源。
[0012] 本发明还采用如下技术方案:一种基于模糊控制算法的复合材料结构损伤自修复 方法，其包括如下步骤：
[0013] 第一步:光纤智能复合材料结构制作步骤，将液芯光纤埋入复合材料中，构成液芯 光纤智能结构模块；
[0014] 第二步:搭建实验系统测试平台步骤，系统测试平台由光源模块、液芯光纤智能结 构模块、光电检测模块和微控制器模块构成，其中光源模块包括通信光源和修复光源，光电 检测模块包括光电转换模块和信号放大模块，信号放大模块连接微控制器模块；
[0015] 第三步:液芯光纤智能结构模块中复合材料健康状态信号采集步骤，选用波长为 632nm的光源作为通信光源，选择波长为320nm的光作为系统的修复光源，同时选用一个透 镜作为媒介，使光源出射光汇聚，用于照射液芯光纤智能结构模块的一端，传感复合材料结 构的健康状态信息，在液芯光纤智能结构模块的另一端，连接光电三极管作为感光元件，对 出射光进行光电转换，并获得光电流信号；
[0016] 第四步:信号的放大步骤，信号放大模块采用的是差分放大器AD626,通过光电流 信号前置放大模块将光电流信号放大并转换成电压信号；
[0017] 第五步:放大后的信号处理步骤，微控制器模块采用通用处理器AT89S51，信号经 过微处理器处理后，根据液芯光纤智能结构模块实时输出的光强值和在复合材料结构健康 状态下光纤输出的光强值进行模糊运算，通过模数转换模块将模拟信号转化为计算机能够 识别的数字信号，采用三个七段数码管作为数据显示器模块，用于试验过程中的数据显示， 当复合材料结构发生损伤的同时，蜂鸣器模块发出警报，采用模糊控制算法对光纤输出的 包含材料结构健康的信号进行处理，控制继电器的开合，进而控制通信光源和修复光源之 间的转换，运算后，对光纤输出的包含材料结构健康的信号进行处理，控制继电器模块的开 合，进而控制通信光源和修复光源之间的转换，以达到对复合材料结构损伤的自修复。
[0018] 进一步地，所述第五步中模糊运算，具体包括以下步骤
[0019] 步骤1:打开通信光源，在数码显示器模块中显示光纤的输出值；
[0020] 步骤2:将系统实时得到的光纤输出值与复合材料健康状态下液芯光纤智能结构 模块输出值相比较，判断复合材料结构是否损伤，如果实时测量的数据值与健康状态的输 出值相比发生显著减小，甚至减小为〇，则判定复合材料已遭受损伤破坏，否则无损伤；
[0021 ]步骤3:如果判定发生损伤，蜂鸣器模块报警，系统通过继电器模块，将通信光源切 换到修复光源，一段时间以后，将修复光源切换到通信光源，再次比较得到的数据值与健康 状态下液芯光纤智能结构模块输出值，判断是否修复完成；
[0022] 步骤4:如果损伤修复未完成，则继续以上步骤3，如果修复完成，程序结束，蜂鸣器 模块停止。
[0023] 本发明具有如下有益效果:本发明提出的基于液芯光纤智能结构的监控系统及方 法实现了复合材料结构的损伤自修复。
【附图说明】：
[0024]图1本发明所述硬件系统结构图。
[0025]图2本发明所述系统中的液芯光纤结构图。
[0026]图3本发明所述系统中的光电检测模块流程图。
[0027] 图4本发明所述系统中的光电转换模块电路图。
[0028] 图5本发明所述系统中的信号放大模块图。
[0029]图6本发明所述系统中的差分放大器AD626内部结构原理图。
[0030] 图7本发明所述系统中的微控制器模块框图。
[0031] 图8本发明所述系统中的继电器模块电路图。
[0032]图9本发明所述模糊控制系统软件设计流程图。
[0033]图10输入量E的模糊转换表。
[0034]图11输入量EC的模糊转换表。
[0035]图12模糊决策表。
[0036]图13实验装置示意图。
[0037] 图中符号说明：
[0038] 101-光源模块；102-液芯光纤智能结构模块；103-光电检测模块；104-微控制器模 块；105-光电三极管；106-差分放大器AD626; 107-损伤破坏器;301-光电转换模块;302-信 号放大模块;401-A/D模块;402-蜂鸣器模块;403-数码显不器模块;404-继电器模块。
【具体实施方式】：
[