摘要 介紹了一種能夠實時在線檢測復合材料內部結構狀態的一種智能光電系統的研制，詳細介紹了微弱光電流信號調理電路的設計。該系統以光纖作為傳感器、CD4051為多路模擬開關、AD0801實現A/D轉換、89C51單片機為微處理器。PC機與單片機通信，完成數據處理并實現故障點的定位。

An Intelligent Photoelectricity System for Composite Materials State Detection
Guo Shengfa,Chen Sanbao，Li Haijun
(Department of Communication Engineering ,WuHan University of Science and Technology,WuHan, 430063)
Abstract:Introduces the development of an intelligent photoelectricity system which can realtime online detect the composite materials state.Detail the design of the circuit to detect faint electric current signal .In this system,Fiber-optical sensors are adopted,an analog multichannel is switched by CD4051, and A/D conversion is achieved by ADC0801,89C51 is a microcomputer.Personal computer can communicate with this system and receive the data from it.In the computer the data are processed and the failure position can also be located.
Key word:composite materials;Fiber-optical sensor;single-chip microcomputer; serial communication

復合材料正得到越來越廣泛的應用，但其結構內部損傷很難用常規方法檢測到。現有的各種無損探傷方法，如X射線及超聲C掃描等，使用既不經濟又不能實行實時在線監控，有時還會造成誤診斷。利用光纖作為傳感器的優良特性，將光纖網絡(分布式光纖傳感器)埋入復合材料結構內部，材料內部結構狀態（如應力、應變等）的改變會導致光纖內通過的光能量發生相應的變化，即材料內部狀態量與光纖內通過的光能量有一一對應的函數關系，這樣通過檢測光纖內通過的光強信號的強弱變化，就可以探知材料內部結構損傷的程度，通過合理的布置光纖網絡并對網絡中的各根光纖進行具體編號，可以獲得材料結構內部各點（光纖網絡節點）所受的應變值，即可實現故障定位。光纖傳感網絡的結構及布置原理如圖1。

光源（LED）陣列

光纖中通過的光信號，經光電傳感器（光探測器）轉換成電信號，這是個模擬量，需經A/D轉換成數字信號，經單片機處理后送入PC機，計算機完成對信號的處理，并顯示復合材料內部結構的網絡圖并顯示對應各網絡節點的損傷程度。因此，系統應包括兩部分：前端是一個單片機數據采集系統，完成對多路光信號的采集，并把數據送往計算機；后端有計算機完成對數據的處理、圖像模擬。兩者通過RS232串行通信傳輸數據，不通信時，兩者可以各自獨立工作，單片機不占用計算機資源。
1系統的基本組成
本系統的光源采用的是GF222型光纖耦合GaAs側面發光管，其峰波長為880nm，根據傳感器設計的要求，采用GT101A型PIN光電二極管實現光電轉換后，把光強信號轉換成光電流信號，經過CD4051模擬8路開關切換，每次一路信號進入信號調理放大電路，轉換成標準電平0～5V，然后通過ADC0801轉換成相應的數字量，微處理器選用AT89C51，其內部配有4K的EEPROM作為程序存儲器，外圍配28C64作為數據存儲器，采用串行通信口實現與計算機異步半雙工通信， MAX232實現RS232電平與TTL電平之間的轉換，LCD顯示各通道號及其光強度值，系統硬件組成框圖如圖2。鑒于光電轉換器輸出的光電流值及其微弱，微弱小信號的檢測是一個技術上的難點，下面重點討論對光電流信號的調理電路設計。

2信號調理電路的設計
由于復合材料所受的應變引起光纖傳感器光強信號的變化很小，經光探測器轉換后的光電流信號變化極其微弱，加上各種噪聲的影響，因此，要準確檢測光電流信號必須采取特殊的措施，本系統的信號調理電路包括兩部分：放大電路及濾波電路.

圖3中，信號光是指從光纖傳感網絡輸出的隨材料所受應變變化的光電流，參考光是指光源直接輸出的光電流。采用參考光的目的是為了消除光源噪聲和環境噪聲，這樣經差動放大后所得到的電壓信號只反映信號光纖中光強變化的信號。根據微弱信號檢測理論，前置放大器的精度、穩定度、靈敏度直接決定整個系統的性能指標，因此，前置放大器的設計對一個系統來說及其關鍵，它必須具有在強噪聲中接收微弱有用信號的能力，并能正確放大有用信號。由于光電轉換器的輸出阻抗很大，將光電流變成低輸出阻抗的電壓，采用一般的放大電路會引起阻抗失配而大大削弱輸入信號，對于微弱輸入信號來講更是嚴重問題。為此，本系統采用圖3所示的積分型I/U變換電路作為前置放大電路，此電路中，PIN光電管的負載電阻為R1/A（設運放的開環增益為A），因運放的開環增益A通常很大，即使選用較大的反饋電阻R1，R1/A與PIN光電管的輸出電阻相比也是可以忽略的，因此，這種電路較適合于作為PIN管（相當于一個電流源）的負載電路。根據I/U變換原理，U01=-I01*R1，I01為光電流，電容C1為超前校正電容，用于防止運放發生自激，同時還可以減少輸出直流電平的紋波，其值一般為0.1～0.22µF。運放選用高精度自穩零斬波集成運算放大器ICL7650，是一種高精度、低漂移、高輸入阻抗的集成運放，它利用動態較零原理（內含兩個放大器：一個用于放大，另一個專用于補償漂移）消除了CMOS器件固有的失調和漂移，對微弱信號來講是個較理想的前置放大器。C2、C3為記憶電容，宜采用漏電流小聚脂薄膜電容，大小為0.1µF。電路中的電阻均選用經過篩選的金屬膜電阻。
信號經差動放大器A3后，已變成標準電平0～5V，但還會含有一些交流噪聲，再進入A/D轉換前必須加以濾除。設計了一甚低頻有源濾波器，圖4所示，該電路為巴特沃斯四階有源低通濾波器，適宜濾除直流電平信號上的甚低頻隨機脈沖干擾電壓。
3 檢測系統軟件的設計
檢測系統的軟件設計主要完成數據的采集、存儲、濾波、變換和發送，與計算機接收程序的協調。按功能分，可以把檢測程序分為：(1)初始化程序段，用來設定89C51單片機內部一些寄存器的初始值以及串行口和定時器的工作狀態；(2)數據采集程序段（由A/D轉換結束信號觸發89C51的外部中斷/INT0引發的中斷服務程序），完成各通道信號的采集并存放在系統數據存儲器中的工作；(3)數據處理程序段，完成對各通道采集的數據進行數字濾波、變換，把變換后的值送往指定的數據存儲單元；(4)顯示程序段，依次把通道號及各通道對應的數據送往LCD顯示；(5)通信程序（串行中斷服務程序），程序的功能是將各通道采集到的數據發送給計算機。要發送數據，首先必須與PC機建立握手信號，然后才可以發送數據，為確保接收到的數據的正確性，單片機在發數據的過程中，每發送一個數據，就等待計算機發回應答信號，如應答信號不正確（不是規定的應答信號），則重發上一次數據，發完8路信號時，即完成一次完整的數據通信。主程序流程圖如圖5，數據采集及通信在各自的中斷服務程序內完成。以上為單片機系統的程序設計，采用MCS—51匯編語言編制，固化在89C51片內4K的EEPROM內。計算機的接收程序采用C語言編制，可以充分利用C語言表達能力強、使用靈活、支持結構化程序設計又可以方便進行內存及I/O等底層硬件操作等優點。

4 結束語
本文設計的檢測系統，可以對復合材料結構內部所受的應力、應變作實時在線檢測，還可以進一步推廣用于橋梁、水壩及大型建筑物等的結構狀態作實時在線檢測，具有重要的社會意義與經濟意義。同時，本文設計的微弱光電流信號的檢測電路,對許多微弱信號的檢測電路設計也有參考價值。