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

摘要

本发明公开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，系统包括光源模块、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；光源模块包括通信光源和修复光源，光源模块的开关与继电器模块相连；液芯光纤智能结构模块是在复合材料中埋入液芯光纤；光电检测模块包括光电转换模块和信号放大模块，光电转换模块采用光电三极管，信号放大模块采用差分放大器AD626，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，液芯光纤智能结构模块的另一端连接光电三极管；微控制器模块采用通用处理器AT89S51，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IN0引脚。

说明书

技术领域：

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：

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。

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。

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：

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。

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；

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；

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；

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；

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IN0引脚。

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。

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：

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；

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；

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；

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；

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。

进一步地，所述第五步中模糊运算，具体包括以下步骤

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；

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0，则判定复合材料已遭受损伤破坏，否则无损伤；

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；

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。

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：

图1本发明所述硬件系统结构图。

图2本发明所述系统中的液芯光纤结构图。

图3本发明所述系统中的光电检测模块流程图。

图4本发明所述系统中的光电转换模块电路图。

图5本发明所述系统中的信号放大模块图。

图6本发明所述系统中的差分放大器AD626内部结构原理图。

图7本发明所述系统中的微控制器模块框图。

图8本发明所述系统中的继电器模块电路图。

图9本发明所述模糊控制系统软件设计流程图。

图10输入量E的模糊转换表。

图11输入量EC的模糊转换表。

图12模糊决策表。

图13实验装置示意图。

图中符号说明：

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-数码显示器模块；404-继电器 模块。

具体实施方式：

请参照图1所示，本发明基于模糊控制算法的复合材料结构损伤自修复系统，包括 光源模块101、液芯光纤智能结构模块102、光电检测模块103、光电转换模块301、信 号放大模块302、微控制器模块104、模数转换模块401、蜂鸣器模块402、数码显示器 模块403、继电器模块404、信号处理模块，光源模块101的开关与继电器模块404相 连，且光源模块101包括通信光源和修复光源，选择波长为632nm的光源作为系统的通 信光源，用于照射液芯光纤传感器，传感复合材料结构的健康状态信息；选择波长为 320nm的光作为系统的修复光源，用于损伤后对固化剂的照射，修复光源与修复液的固 化波长一致，通信光源和修复光源通过透镜耦合入液芯光纤中。

液芯光纤智能结构模块102，用于承载复合材料结构的健康状态信息和储存修复复 合材料结构的修复液，液芯光纤智能结构模块如图2所示。本发明以玻纤增强E-51环 氧树脂基复合材料为基材，将液芯光纤埋入复合材料结构中，与复合材料板耦合，构成 液芯光纤智能结构模块，其芯液由低聚物、光引发剂、活性稀释剂和助剂这四种物质按 一定比例混合而成，液芯光纤的一端通过透镜与通信光源和修复光源相连，另一端连接 光电三极管。

光电检测模块103，用于光信号的接收、转换及放大，其包含光电转换模块301和 信号放大模块302，其模块流程图如图3所示。

光电转换模块301，用于将光信号转变成电流信号，采用高灵敏度的光电三极管105， 串联一个大小为50欧姆的电阻，电路图如图4所示，在外加电压VCC下，当光照射光 电三极管105时就有光电流产生。信号放大模块302，用于将光电转换模块输出的微电 流信号放大，电路图如图5所示，信号放大模块302采用差分放大器AD626，其电路有 前置放大器和环绕放大器构成。其中差分放大器AD626，内部电路图如图6所示，输入 信号首先被施加到双有源衰减器R1～R4中，其目的是减小输入前置放大器的最大共模 电压。该前置放大器是由低漂移运算放大器A1构成反馈级。这样就允许在大共模电压 情况下被精确放大的差分输入电压比实际输入到A1的允许输入电压大6倍。通过对R3 和R4进行精密激光修整，使共模误差最小。从而使差分放大器AD626共模抑制比最小 为10000:1(80dB)。为了减小由于输入到A1的整流作用在输入端产生的附加RF信号 的影响，所以使用小的滤波电容C1与C2。差分放大器AD626的源阻抗设置低于1kΩ， 以减小增益误差。同时我们通过设置环绕放大器A2的反馈网络来设置增益，输出缓冲 器A2的工作增益为2，差分放大器AD626前置校准增益为10。

微控制器模块104，用于控制对光电转换后的电信号的采集和处理，包括控制模数 转换模块401对信号的采集，本发明微控制器模块104采用8051系列中的通用处理器 AT89S51，用户可用RAM有256字节。其中处理器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，当 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 401的输出引脚连接P2口，微控制器模块104的框图如图7所示；

模数转换模块401，模数转换模块401采用A/D转换芯片ADC0809，信号放大模 块输出的电压连接ADC0809芯片的IN0引脚，参考电压为5伏，其输入引脚连接处理 器AT89S51的P2口，用于将模拟信号(V)转化为计算机能够识别的数字信号(U)， 设液芯光纤输出的经光电检测模块103处理后的值是V，根据下面的公式可以计算出经 过模数转换模块401转换后的数值U：

$U=\frac{V}{V_c}\times 2^n$

其中，V_c＝5V代表A/D模块接入的参考电压；n＝10是A/D模块的位数。

蜂鸣器模块402，用于在复合材料结构发生损伤的同时发出警报。连接处理器 AT89S51的P1.0口，当复合材料结构发生损伤时，设置P1.0口为高电平，从而在材料 发生损伤的同时发出警报。

数码显示器模块403，采用三个七段数码管作为显示器，基于共阳连接和静态显示， 与处理器AT89S51的P2口相连，用于实验过程中的数据显示。

继电器模块404，用于控制通信光源和修复光源之间的切换，其电路图如图8所示。 当复合材料发生损伤时，继电器模块404线圈就会通电，线圈中的铁芯产生强大的电磁 力，吸动衔铁带动簧片，使触点2、5断开，2、4接通，从而接通修复光源，实现从 通信光源到修复光源的切换，使得损伤能够及时修复；当修复液流出固化，损伤修复后， 线圈断电，弹簧使簧片复位，使触点2、4断开，2、5接通，即完成从修复光源到通信 光源的切换。

信号处理模块，用于通过对光纤输出的包含复合材料结构健康的数据信息的处理， 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，达到对复合材料结 构损伤的自修复的目的。在该发明系统中，从液芯光纤输出来的光经过光电转换模块301 转换后的电压为0.22～0.25V，通过信号放大模块302放大10倍后，电压值变为2.2～2.5V， 此时电压是模拟信号，必须经A/D模块将其转换为系统可识别的数字信号，微控制器模 块内的A/D模块是10位的，采用的参考电压是5V，得到光纤输出光强的理论值在 409～512之间。然后我们采用模糊算法对数据进行进一步的处理，当复合材料结构发生 损伤之后能够及时的修复，其模糊控制系统软件设计流程图如图9所示。

本发明基于模糊控制算法的复合材料结构损伤自修复方法，包括以下步骤：

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；

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，微 控制器模块包括模数转换模块、蜂鸣器模块、数码显示器模块和继电器模块；

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，用于损伤 后对固化剂的照射，修复光源与修复液的固化波长一致，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，本发明采用光电三级管作为光电转换模块；

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；

第五步：放大后的信号处理步骤，本发明采用8051系列中的通用微处理器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A/D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，达到对复合材料结 构损伤的自修复的目的。

其中第五步中模糊运算，具体包括以下步骤：

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；

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0，则判定复合材料已遭受损伤破坏，否则无损伤；

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；

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 器模块停止警报。

本发明中模糊运算有两个输入，分别命名为E和EC，E表示本次测量光纤输出光 强值和健康状态下光纤传感器输出光强值之间的差值，EC表示本次测量的光强值和上 次测量的光强值之间的差值。E的论域为[-512,0]，由于光纤修复之后输出的光强会减小， 因此EC的论域为[0,310]。E的模糊子集有{NL,NM,NS,ZO}，EC的模糊子集有{ZO,PS, PM,PL}，其中，B、M、S分别表示大、中、小，N,B表示正负。比如E的模糊子集 NL表示较大的光强差，即本次测量光纤输出光强值和健康状态下光纤传感器输出光强 值之间的差值较大，EC的模糊子集PM表示中等的光强差，即本次测量光纤输出光强 值和上次测量的光纤传感器输出光强值之间的差值中等。E的模糊子集ZO表示测量光 强值和健康状态下的光强值相等，EC的模糊子集ZO表示本次测量的光强值和上次测 量的光强值相等。E和EC的模糊量输入转换如图10、11所示，都采用最大隶属度归入 法。从表中可以看出，对于E，光强差值在[-50,0]，属于ZO，差值在[-300,-50]属于NS， 差值在[-300,-512]属于NM，光强差值在[-∞,-512]，属于NL；以此类推，对于EC，差 值在光强差值在[0,50]，属于ZO，差值在[50,125]属于PS，差值在[125,300]属于PM， 光强差值在[300,+∞]，属于PL。

模糊运算的输出为U，表示继电器的开合和开合的时间长短，大小用PWM波的占 空比表示，U的模糊子集包括{OL,OM,OS,ZO,CS,CM,CL}，比如OL表示打开继电 器，也就是开通修复光源，并且保持长时间的开通，OM表示较长时间的开通，OS表 示短时间的开通，CL表示闭合继电器，即开通通信光源，并保持长时间的开通，CM表 示较长时间的开通修复光源，CS表示短时间的开通通信光源。ZO表示保持原有状态。 模糊决策表如图12所示。

下面通过一个具体的实施例来说明本发明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。

以监控飞行器常用的玻纤增强E-51环氧树脂基复合材料结构健康状态为例，将自 制的液芯光纤传感器埋入E-51复合材料中，构成液芯光纤智能结构模块102，实验装 置图如图13所示，其包括光源模块101、光电检测模块103、微控制器模块104及损伤 破坏器107，其中光源模块101包括通信光源和修复光源，光电检测模块103包括光电 转换模块301和信号放大模块302，微控制器模块104包括模数转换模块401、蜂鸣器 模块402、数码显示器模块403和继电器模块404，连接好装置，对复合材料板进行加 载、损伤破坏等试验。

实验具体过程如下：首先对复合材料板不做任何加载或损伤破坏处理，得到复合材 料在健康状态下光纤输出的数据值，稳定后，记录数码管上显示的数据，然后分别对复 合材料中埋有液芯光纤的区域进行加载破坏试验，同时记录下数据。反复试验3次，数 据如表1所示。

表1实验结果

实验过程中，当在损伤发生的同时，蜂鸣器模块及时响应并发出警报。根据表1的 实验数据可以看出，当复合材料结构处在健康状态下，光纤输出的光强值是正常的，数 值都在409-512之间，当发生损伤之后，数值急剧下降，损伤之后，光纤失去通光功能， 但是由于周围环境杂散光的影响，数码显示器上的数值并没有减为0，之后在整个系统 的工作下，光源被切换到修复光源，一段时间后，修复液在修复光源的照射下得以固化， 损伤部位被固化修复，光路得以连通，显示器上的值增大，但是由于损伤已经发生，无 法恢复到原来的通信能力，因此相比在健康状态下的数值要小。

本发明研究结果表明，该控制系统能够控制通信光源和修复光源之间的有效切换， 实现了复合材料结构损伤自修复的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的 保护范围。