矩陣式激光傳感器在建筑物頂棚形變監(jiān)測中的應(yīng)用

長安大學(xué) 閆書雄 趙麗麗 黃美玲 武奇生

南陽市第二十六中學(xué) 高 璐

一、引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)及各個方面的快速發(fā)展，大跨徑頂棚結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用越來越廣泛，隨之而來的安全問題不容忽視，而大跨徑頂棚結(jié)構(gòu)件的形變檢測是保證建筑物安全的重要手段。

目前，國內(nèi)對建筑物的監(jiān)測基本以建筑物內(nèi)部環(huán)境監(jiān)測為主，如火災(zāi)監(jiān)測、溫濕度等。而針對大跨徑承重結(jié)構(gòu)件形變的監(jiān)測幾乎處于空白，即使是針對大跨徑結(jié)構(gòu)的形變檢測，也多集中于橋梁，使用的傳感器以應(yīng)變計傳感器和光柵傳感器為主。

結(jié)合大跨徑頂棚結(jié)構(gòu)建筑物的特點(diǎn)，針對頂棚結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)件較為龐大，不便于人工監(jiān)控維護(hù)的特點(diǎn)，設(shè)計出本傳感器裝置。與傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變計傳感器相比，本傳感器可以實(shí)現(xiàn)對整個結(jié)構(gòu)件的多維立體監(jiān)測，并且具備很大的監(jiān)測范圍，不僅是針對某一應(yīng)力點(diǎn)或一塊特定區(qū)域的監(jiān)測，而是針對結(jié)構(gòu)件整體的形變進(jìn)行監(jiān)測；且其抗干擾性能好，對溫度幾乎沒有要求，裝置在-25℃～85℃的溫度區(qū)間內(nèi)都可以正常工作。而與最新的光纖傳感器相比，其造價低廉，電路簡單，直接輸出數(shù)字信號，便于信號處理。

二、裝置原理

1.激光傳感器原理

激光傳感器是利用激光技術(shù)進(jìn)行測量的傳感器。它由激光發(fā)射器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，它的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)無接觸、遠(yuǎn)距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等。

激光與普通光不同，需要用激光器產(chǎn)生。在正常狀態(tài)下，激光器中的工作物質(zhì)，即原子大多數(shù)是處于穩(wěn)定的低能級E1，在適當(dāng)頻率的外界光線作用下，處于低能級的原子吸收光子的能量并受到激發(fā)而躍遷到高能級E2。光子能量則為：E=E2-E1=hv，式中h為普朗克常數(shù)，v為光子頻率。反之，在頻率為v的光的誘發(fā)下，處于高能級E2的原子也會躍遷到低能級E1，從而釋放出能量而發(fā)光，稱為受激輻射。激光器在工作時，首先使原子的多數(shù)處于高能級(即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布)，以便使受激輻射過程占優(yōu)勢，從而使頻率為v的誘發(fā)光得到增強(qiáng)，并可通過平行的反射鏡形成雪崩式的放大作用從而產(chǎn)生強(qiáng)大的受激輻射光，簡稱激光。激光具有3個重要特性：(1)高方向性，即高定向性，光束發(fā)散角小，激光束在幾公里外的擴(kuò)展范圍不過幾厘米；(2)高單色性，激光的頻率寬度比普通光小10倍以上；(3)高亮度性，利用激光束匯聚最高可產(chǎn)生高達(dá)幾百萬度的溫度。

表1 對應(yīng)相對形變算法表

2.透鏡成像原理

式中：f為透鏡焦距

u為物體與透鏡中心的距離

v為物體經(jīng)透鏡所成像與透鏡的距離

可知，當(dāng)光源在焦距，即v=φ時，?=μαζ，也就是成像在無窮遠(yuǎn)處時，即可形成一束平行光。利用透鏡成像原理，通過調(diào)整激光發(fā)射管到透鏡焦距的位置，可以形成光斑大小確定的平行光。根據(jù)具體需要，使用不同焦距的透鏡得到大小適中的光斑，對接收矩陣進(jìn)行定位照射。

三、裝置描述

本傳感器裝置由激光發(fā)射器，光學(xué)透鏡以及矩陣式排列的激光接收器組組成(如圖1所示)。矩陣式激光接收器可以根據(jù)需要制成任意階次，例如用(2n+1)×(2n+1)個數(shù)字式光電解碼傳感器SOC2111組成方陣。利用光學(xué)原理，使用不同規(guī)格的透鏡控制激光發(fā)射器照射在矩陣式激光接收器的光斑面積，利用接收陣列輸出的數(shù)字信號判斷激光發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)的相對空間位置的變化。

1.激光發(fā)射單元

根據(jù)本項目中要監(jiān)測的結(jié)構(gòu)件的大小，選擇10mw，20mw，50mw，100mw及更高功率的激光發(fā)射管，由調(diào)制管配合相關(guān)電路獲得大約180khz占空比為30%的穩(wěn)定信號，通過ULN2003A驅(qū)動大功率激光發(fā)射管(如圖2所示)，照射時間由單片機(jī)控制。實(shí)驗(yàn)顯示不同功率的發(fā)射管對脈沖參數(shù)有一定影響，但信號輸出基本穩(wěn)定在180khz左右，占空比為30%～50%，并且在一定距離內(nèi)，形成的照射光斑的大小、強(qiáng)度都在允許的范圍之內(nèi)。以市面上常用的10mw發(fā)射管為例，在不加透鏡的情況下，光斑在5m外的垂直截面上會出現(xiàn)一定的發(fā)散，其直徑由3mm擴(kuò)張至3.0～3.5mm；但在加入透鏡之后，利用光學(xué)原理，通過選擇不同規(guī)格的透鏡，并調(diào)節(jié)透鏡與發(fā)射管的距離，可以使光斑面積在距離為10m的范圍內(nèi)仍保持在實(shí)驗(yàn)允許的發(fā)散范圍內(nèi)，并且光強(qiáng)滿足接收管要求。

圖1 傳感器示意圖

圖2 發(fā)射管驅(qū)動

圖3 SOC2111尺寸規(guī)格

2.激光接收監(jiān)測單元

(1)數(shù)字式光電解碼傳感器SOC2111

SOC2111尺寸大小如圖3所示：底座4.6mm×4.6mm，光窗r=0.75mm，因?yàn)橐_需要占據(jù)一定的面積，故在制作接收管矩陣時將玻璃基板分割成6mm×6mm的小單元，將接收管分別固定在小單元內(nèi)，引腳從基板背面引出。由于信號頻率高達(dá)180khz，故加入10×4pf的電容(如圖4所示)?？紤]到激光發(fā)射器發(fā)射的光線經(jīng)過透鏡之后在一定距離范圍內(nèi)具有固定的光斑面積，且具有非常好的線性，所以忽略光線的散射，認(rèn)為其在一定距離內(nèi)絕對平行，也不考慮接收管光窗的外凸半圓的影響。

圖4 解碼器電路

圖5 單維4×1矩陣及5階十字陣

(2)矩陣結(jié)構(gòu)

根據(jù)要監(jiān)測的結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度及重要程度，確定要監(jiān)測的維數(shù)及精度，進(jìn)而確定方陣或者矩陣的階次。如可選擇數(shù)字式光電解碼傳感器SOC2111組成(2n+1)×(2n+1)階方陣，選擇奇數(shù)階的方陣可由最中間的一個傳感器做狀態(tài)的基點(diǎn)，算法相對簡單。同時也可以增加激光發(fā)射管的數(shù)量或者改為較復(fù)雜的十字激光發(fā)射管(如圖5所示)進(jìn)行照射，以提高精度。

圖6 單光斑3階方陣及其一種示例狀態(tài)

下面以3階接收矩陣為例分析算法邏輯。以接收矩陣中點(diǎn)為零點(diǎn)，二維模糊劃分為：上北下南左西右東，程度模糊劃分為四個等級。如圖6所示中右圖對應(yīng)的狀態(tài)即為表示存在東北方向上的二級程度的偏移。表1所示為對應(yīng)相對形變算法表。

3.整體裝置圖

圖7 正面裝置圖

圖8 側(cè)面裝置圖

四、綜述

本傳感器裝置對建筑物模型的測試結(jié)果均在預(yù)期范圍內(nèi)，對建筑物頂棚結(jié)構(gòu)的形變進(jìn)行了正確的反饋，體現(xiàn)了其良好的適應(yīng)性。而且本裝置測量精度可調(diào)，通過對矩陣階次和光斑數(shù)量的選擇，可以定制出適應(yīng)不同大跨徑頂棚結(jié)構(gòu)件的傳感器裝置，精確反映建筑物頂棚結(jié)構(gòu)件整體的形變。本裝置制作簡單，成本低，監(jiān)測范圍大，具有良好的抗干擾能力。激光的使用避免了自然光的干擾，使傳感器可以在復(fù)雜光線條件下工作，對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，保證了其在工程中的實(shí)用性。

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