专利名称：一种光纤分布式传感器网络自修复系统及自修复方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤分布式传感器网络自修复系统及自修复方法，属于智能材料结构领域。
背景技术：
智能材料结构的基本概念是将传感元件、动作元件和控制系统融合在基体材料中，使结构除具有承受载荷的能力外，还具有识别、分析、处理、控制等仿生功能，即使结构自身具有自诊断、自适应及自重组自修复的能力。
光纤传感系统具有质量轻、直径细、体积小、耐腐蚀等独特的优点，十分适合于制作智能材料结构的自诊断网络。光纤传感系统具有完美的传、感一体的独特优点，可以在同一根光纤上布置许多传感点，构成分布或准分布传感系统，从而大大简化智能材料结构中自诊断系统的复杂程度。所以，光纤传感器被国内外的研究者们一致公认为最适合于构成智能材料结构中自诊断网络的传感器类型。
进入21世纪后，国内外的研究者都更加积极的开展对智能材料结构光纤自诊断系统的研究，国内外都已经在军民用工程项目上对其进行了应用研究。在国外航空航天领域，波音公司在新型飞机7E7上探索采用了光纤自诊断网络进行结构健康监测；Airbus也积极开展了这一领域的研究，探索了多个机型的健康监测的实现，包括A320、 A340-600等。在新机型上的应用，如A380，也是Airbus结构健康监测技术探索研究的目标之一。在美国空军的资助下，针对F-18、 F-22、JSF和DC-X2、 X-33等飞行器，都采用光纤光栅自诊断系统进行了结构健康监测技术的应用基础研究；在欧洲联合研制的Eurofight 2000新型战机中，也采用光纤自诊断系统进行了飞行载荷的监测。在土木建筑领域，目前广泛的采用光纤传感器网络构成桥梁、建筑等结构自诊断网络对其健康状况进行监测。如日本横滨长跨径悬索大桥应用20个光纤传感器构成了监测系统，对重交通和强烈风荷载高应力作用下大桥的运营状态进行监测。瑞法边界的Emosson发电站水库大坝上安装了光纤健康监测系统,用来测量坝体的裂纹和基础的位移。意大利科摩大教堂采用28个光纤布拉格光栅传感器系统，对结构的沉降量进行监测。挪威 Norsk Hydro ASA公司在北海挪威海域油田安装了由多个光纤温度和压力计及一 条分布式温度传感光纤构成的监测系统，为日常生产管理提供了大量数据，使油 田在寿命期内的战略油藏管理成为可能。此外，国外的许多大学和研究机构都在 继续对光纤自诊断技术进行研究。
在国内， 一些高校和研究机构一直紧紧跟踪国际先进水平，开展这方面的研
究并己取得了一些成果。如南京航空航天大学在飞机盒段上采用光纤传感系统完 成了自诊断系统的研究，可以对结构的受载和损伤进行检测，并在某型飞机的机 翼上安装了光纤传感器系统对应变分布进行了监测。哈尔滨理工大学殴进萍等采 用光纤传感系统针对海洋平台和大桥研制了健康监测系统、南京大学施斌等在多 项隧道和高速公路工程中采用分布式光纤传感系统进行健康监测、武汉理工大学 姜德生等将光纤光栅传感技术应用于十余座大型桥梁和大坝等重点工程的长期 安全监测、重庆大学黄尚廉、陈伟民等在大佛寺长江大桥等工程上安装了光纤监 测系统，对桥梁等的状态进行了监测，这些研究和应用都取得到了良好的经济和 社会效益。另外，还有许多单位正在从事光纤自诊断结构的基础研究和应用技术 研究,也取得了可喜的研究成果。如清华大学、北京航空航天大学、同济大学、 北京科技大学、中国计量学院光电子技术研究所、三峡大学等。
在江苏省的经济发展中，光纤自诊断结构也得到了重视和应用。如在南京市 鼓楼隧道、玄武湖隧道、润扬长江大桥、南京长江第三大桥等工程的建设中，均 采用了光纤自诊断系统，对工程的质量和健康状况进行监测。所以，对光纤自诊 断结构技术的研究，对于我省的建设和经济的发展，具有重要的意义。
随着光纤自诊断系统在工程结构中应用的增多，其本身的可靠性必将引起人 们的关注。
目前，在光纤自诊断系统中应用最多的传感器是光纤Bragg光栅传感器和光 纤B0TDR传感器。这两种传感器的共同特点是可以组成分布和准分布传感系统， 充分发挥光纤传感器的传、感一体化的优点，从而可以大大降低自诊断系统的复 杂性和成本，并最大程度的减小对原结构性能的影响。但是，这种系统也存在着 一些弱点，如光纤某处发生损伤或断裂时，位于其后的所有传感器或传感点将均 不能正常工作，从而可能使整个光纤自诊断系统失效。由于光纤自诊断网络多是 埋置或粘贴于结构的，如要修复或更换自诊断网络，势必要在结构上大动干戈，造成较大的损失。所以，对于提高光纤自诊断网络可靠性和自修复功能的研究势 在必行，也基于此提出了光纤网络自修复系统及自修复方法。
为了提高光纤传感网络的可靠性，可以努力改进光纤传感系统的保护，这样 可以尽可能减小光纤损伤和断裂的概率，提高光纤传感系统的可靠性。这种方法 是目前人们普遍采用的，它可以在不增加光纤系统的复杂性的基础上，以较小的 工作量达到提高系统可靠性的目的。如目前在土木建筑中安装光纤传感器系统时 一般多采用多芯铠缆，安装后选择完好的光纤进行信号的传输。有时还将整个光 纤健康监测系统分为10-20个光纤传感器组成的分支后再加以组合，以减轻光纤
的损伤对系统的影响，提高系统的可靠性。但是， 一般加强光纤的保护都将增加 光纤的直径，这将不可避免的对原结构性能产生影响。且即使加强了对光纤的保 护，也难以完全避免光纤的损伤。伺时，光纤系统釆用分支组合的结构也将大大 增加系统的成本和复杂性。另外，如某分支受到损伤将使该分支覆盖区域的系统 失效，影响了结构系统的正常工作。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种光纤分布式传感器网络自 修复系统及自修复方法，当光纤受到损伤时，可完成光纤网络的自修复。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案
一种光纤分布式传感器网络自修复系统，由光纤光栅传感器、自修复控制器、 光纤光栅解调仪、计算机组成；其中光纤光栅传感器与自修复控制器连接，自修 复控制器的信号输出端与光纤光栅解调仪的信号输入端连接，光纤光栅解调仪的 信号输出端与计算机的信号输入端连接，计算机的信号输出端与自修复控制器的 信号输入端连接。
本发明的光纤分布式传感器网络的自修复方法，包括如下步骤 第一步，采用光纤光栅传感器采集到光纤智能材料结构受载后的传感信号； 第二步，光纤光栅传感器将上述步骤采集的传感信号通过自修复控制器发送 给光纤光栅解调仪；
第三步，光纤光栅解调仪将传感信号解调后发送给计算机，计算机采用光波 导理论建模分析方法计算光纤智能结构的许用载荷和光纤系统的承载能力处理 传感信号，对光纤智能材料结构的受载情况进行判断，判断是否有传感器失效；第四步，当判断结果为是，计算机将第三步所述失效信息发送给自修复控制 器；当判断为否，则返回第一步；
第五步，自修复控制器借助粒度计算方法对失效信息进行判断，具体步骤为
A、 利用粗糙集的等价关系原理形成字符属性等价类和字符颗粒结构；
B、 按照相似度上的不可分辨关系形成数字属性等价类和数字颗粒结构；
C、 形成初始等价关系，得到初始的聚类结果为字符颗粒集等价关系和数字 属性颗粒集等价关系的交集；
D、 形成最终等价关系，即聚类结果。
第六步，对失效的局部网络利用图论方法进行自修复，使得各根光纤上的传 感点在结构中的密度函数期望值均趋向于一致。 本发明的有益效果是
1、 使粘贴或埋置于复合材料结构典型试件中的多根光纤传感器构成传感网 络，进行试件受载及应变分布等的监测，并可以在光纤传感系统中有损伤点的情 况下，提高系统的可靠性和自修复能力；
2、 通过分析光纤及光纤光栅传感器本身受损伤(挤压、扭曲、局部损伤等) 对传感信号的影响，得到光纤自修复系统及光纤智能材料结构的安全受载和变形 条件；
3、 得到结构上各点的探测敏感范围，可以确定结构上各点探测灵敏范围；
4、 以各根光纤传感器均能以某精度完成结构的自诊断为图形的权，并保证 各根光纤上的传感点在结构中的密度函数期望值均趋向于一致。使结构的光纤传 感系统在一根或几根光纤受到局部损伤时仍能保证可以利用受损区域内存活的 光纤光栅传感器，自动重新组网，完成网络的自修复，达到提高光纤自修复网络 可靠性的要求。
图l本发明的光纤分布式传感器自修复系统示意图。 图2本发明的自修复控制器作用示意图。 图3本发明的自修复系统的工作流程图。 图2中的标号名称:
l.传感点，2.断裂点，3.区域A， 4.点a， 5.区域B。
具体实施例方式
由图1可知，本发明的光纤分布式传感器自修复系统，由光纤光栅传感器、 自修复控制器、光纤光栅解调仪、计算机组成；其中光纤光栅传感器与自修复控 制器连接，自修复控制器的信号输出端与光纤光栅解调仪的信号输入端连接，光 纤光栅解调仪的信号输出端与计算机的信号输入端连接，计算机的信号输出端与 自修复控制器的信号输入端连接。
本发明的光纤分布式传感器自修复系统的具体组成是，多个光纤光栅传感器 接收到光纤智能材料结构受载后的信号，通过自修复控制器发送至光纤光栅解调 仪(可采用SI425型光纤光栅解调仪)输入端，传播到光纤光栅解调仪的输出端， 再经过基于光纤智能结构许用载荷和光纤系统承载能力的计算机处理给出光纤 系统及光纤智能材料结构的受载情况判断，进一步判断部分光纤失效的情况，把 判断结果输入自修复控制器，得出重组后的多光纤排布传感器自修复网络，网络 进行自修复，再次通过光纤光栅解调仪，最后经过计算机处理输出光纤智能材料 结构受载的情况，从而实现了整个测量光路部分的全光纤化。其中光纤智能结构 许用载荷和光纤自诊断系统承载能力是采用光波导理论建模分析和试验验证相 结合的方法计算得出的。
图3是自修复控制器的流程图。
本发明的光纤分布式传感器自重组自修复系统的工作方法，包括如下步骤 第一步，采用光纤光栅传感器采集到光纤智能材料结构受载后的传感信号；
第二步，光纤光栅传感器将上述步骤采集的传感信号通过自修复控制器发送 给光纤光栅解调仪；
第三步，光纤光栅解调仪将传感信号解调后发送给计算机，计算机采用光波 导理论建模分析方法计算光纤智能结构的许用载荷和光纤系统的承载能力处理 传感信号，对光纤智能材料结构的受载情况进行判断，判断是否有传感器失效；
第四步，当判断结果为是，计算机将第三步所述失效信息发送给自修复控制 器；当判断为否，则返回第一步；
第五步，自修复控制器借助粒度计算方法对失效信息进行判断，具体步骤为
A、 利用粗糙集的等价关系原理形成字符属性等价类和字符颗粒结构；
B、 按照相似度上的不可分辨关系形成数字属性等价类和数字颗粒结构；C、 形成初始等价关系，得到初始的聚类结果为字符颗粒集等价关系和数字 属性颗粒集等价关系的交集；
D、 形成最终等价关系，即聚类结果。
其中初始等价关系形成后根据需要可以进行类的调整(比如按指定的类数 等)，目的为了取消小的聚类。首先求出较小的类中所有对象与其余所有类的全 部对象之间的距离，然后将较小的类合并到与其距离最小的类中，重复该过程， 直到满足所要求的条件，这样便得到一种新的聚类结果。
第六步，对失效的局部网络利用图论方法进行自修复，使得各根光纤上的 传感点在结构中的密度函数期望值均趋向于一致。
图2是自修复控制器作用示意图。系统可以在完成结构监测功能的同时具 备当光纤传感系统的某处受到损伤而部分失效时，自行修复重组网络的能力，使 结构可以自行重新实现对结构的监测。具体过程如下结构上排布了各种传感点 1，当断裂点2受到损伤，其后点3失效，区域A局部监测功能受损。可由区域 B内的五个完好的传感器重新组成对区域B的光纤传感网络，修复断裂点2的监 测功能，达到提高结构可靠性的目的。
权利要求
1、一种光纤分布式传感器网络自修复系统，其特征在于由光纤光栅传感器、自修复控制器、光纤光栅解调仪、计算机组成；其中光纤光栅传感器与自修复控制器连接，自修复控制器的信号输出端与光纤光栅解调仪的信号输入端连接，光纤光栅解调仪的信号输出端与计算机的信号输入端连接，计算机的信号输出端与自修复控制器的信号输入端连接。
2、 一种基于权利要求1所述的光纤分布式传感器网络的自修复方法，其特 征在于包括如下步骤第一步，采用光纤光栅传感器采集到光纤智能材料结构受载后的传感信号；第二步，光纤光栅传感器将上述步骤采集的传感信号通过自修复控制器发送 给光纤光栅解调仪；第三步，光纤光栅解调仪将传感信号解调后发送给计算机，计算机采用光波 导理论建模分析方法计算光纤智能结构的许用载荷和光纤系统的承载能力处理 传感信号，对光纤智能材料结构的受载情况进行判断，判断是否有传感器失效；第四步，当判断结果为是，计算机将第三步所述失效信息发送给自修复控制 器；当判断为否，则返回第一步；第五步，自修复控制器借助粒度计算方法对失效信息进行判断，具体步骤为A、 利用粗糙集的等价关系原理形成字符属性等价类和字符颗粒结构；B、 按照相似度上的不可分辨关系形成数字属性等价类和数字颗粒结构；C、 形成初始等价关系，得到初始的聚类结果为字符颗粒集等价关系和数字 属性颗粒集等价关系的交集；D、 形成最终等价关系，即聚类结果。第六步，对失效的局部网络利用图论方法进行自修复，使得各根光纤上的传 感点在结构中的密度函数期望值均趋向于一致。
全文摘要
本发明公开了一种光纤分布式传感器网络自修复系统及自修复方法，该系统由多个光纤光栅传感器、自修复控制器、光纤光栅解调仪和PC机组成；该方法是在光纤网络中加上一个自修复控制器，借助粒度计算方法对光纤网络受损伤后的局部失效进行判断，对失效的局部网络利用图论方法进行重组修复，从而保证光纤网络可在部分光纤局部失效时正常工作。当光纤传感系统受到损伤部分失效时，本发明可自动重组网络修复其功能，使智能材料结构能实现自修复，提高光纤智能结构在工程应用中的可靠性。
文档编号G01B11/16GK101476879SQ20091002838
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月23日 优先权日2009年1月23日
发明者张晓丽, 捷 曾, 梁大开, 芦吉云, 观 陆 申请人:南京航空航天大学