1、矩陣式激光傳感器在建筑物頂棚形變監(jiān)測中的應用.doc矩陣式激光傳感器在建筑物頂棚形變監(jiān)測中的應用 【摘要】本傳感器裝置由激光發(fā)射器，光學透鏡以及一組矩陣式排列的激光接收器組成。利用光學原理，由光學透鏡控制激光發(fā)射器照射在接收器矩陣上的光斑面積。再依據激光接收器輸出的信號，判斷激光發(fā)射點與接收點相對空間位置的變化，由此監(jiān)測大跨徑頂棚結構件的形變狀況。 【關鍵詞】激光傳感器;矩陣式接收器;大跨徑頂棚結構件 一、引言 隨著我國社會經濟及各個方面的快速發(fā)展，大跨徑頂棚結構建筑的應用越來越廣泛，隨之而來的安全問題不容忽視，而大跨徑頂棚結構件的形變檢測是保證建筑物安全的重要手段。 目前，國內對建筑物的監(jiān)測
2、基本以建筑物內部環(huán)境監(jiān)測為主，如火災監(jiān)測、溫濕度等。而針對大跨徑承重結構件形變的監(jiān)測幾乎處于空白，即使是針對大跨徑結構的形變檢測，也多集中于橋梁，使用的傳感器以應變計傳感器和光柵傳感器為主。 結合大跨徑頂棚結構建筑物的特點，針對頂棚結構中的結構件較為龐大，不便于人工監(jiān)控維護的特點，設計出本傳感器裝置。與傳統(tǒng)的電阻應變計傳感器相比，本傳感器可以實現(xiàn)對整個結構件的多維立體監(jiān)測，并且具備很大的監(jiān)測范圍，不僅是針對某一應力點或一塊特定區(qū)域的監(jiān)測，而是針對結構件整體的形變進行監(jiān)測;且其抗干擾性能好，對溫度幾乎沒有1 要求，裝置在-25?,85?的溫度區(qū)間內都可以正常工作。而與最新的光纖傳感器相比，其造價
3、低廉，電路簡單，直接輸出數字信號，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進行測量的傳感器。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)點是能夠實現(xiàn)無接觸、遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等。 激光與普通光不同，需要用激光器產生。在正常狀態(tài)下，激光器中的工作物質，即原子大多數是處于穩(wěn)定的低能級E1，在適當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:，式中為普朗克常數，為光子頻率。反之，在頻率為的光的誘發(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
4、能量而發(fā)光，稱為受激輻射。激光器在工作時，首先使原子的多數處于高能級(即粒子數反轉分布)，以便使受激輻射過程占優(yōu)勢，從而使頻率為的誘發(fā)光得到增強，并可通過平行的反射鏡形成雪崩式的放大作用從而產生強大的受激輻射光，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，2 利用激光束匯聚最高可產生高達幾百萬度的溫度。 2.透鏡成像原理 由透鏡成像公式: 式中:為透鏡焦距 為物體與透鏡中心的距離 為物體經透鏡所成像與透鏡的距離 可知，當光源在焦距，即時，也就是成像在無窮遠處時
5、，即可形成一束平行光。利用透鏡成像原理，通過調整激光發(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需要制成任意階次，例如用(2n+1)(2n+1)個數字式光電解碼傳感器SOC2111組成方陣。利用光學原理，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字信號判斷激光發(fā)射點與接收點的相對空間位置的變化。 1.激光發(fā)射單元 3 根據本項目中要監(jiān)測的結構件的
6、大小，選擇10mw，20mw，50mw，100mw及更高功率的激光發(fā)射管，由調制管配合相關電路獲得大約180khz占空比為30%的穩(wěn)定信號，通過ULN2003A驅動大功率激光發(fā)射管(如圖2所示)，照射時間由單片機控制。實驗顯示不同功率的發(fā)射管對脈沖參數有一定影響，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，形成的照射光斑的大小、強度都在允許的范圍之內。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擴張至3.0,3.5mm;但在加入透鏡之后，利用光學原理，通過選擇不同規(guī)格的透鏡，并調節(jié)透鏡與發(fā)射管
7、的距離，可以使光斑面積在距離為10m的范圍內仍保持在實驗允許的發(fā)散范圍內，并且光強滿足接收管要求。 2.激光接收監(jiān)測單元 (1)數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，因為引腳需要占據一定的面積，故在制作接收管矩陣時將玻璃基板分割成6mm6mm的小單元，將接收管分別固定在小單元內，引腳從基板背面引出。由于信號頻率高達180khz，故加入104的電容(如圖4所示)。考慮到激光發(fā)射器發(fā)射的光線經過透鏡之后在一定距離范圍內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，認為其在一定距離內絕對平行，也不考慮接收
8、管光窗的外凸半圓的影響。 4 圖4 解碼器電路 圖5 單維41矩陣及5階十字陣 (2)矩陣結構 根據要監(jiān)測的結構的復雜程度及重要程度，確定要監(jiān)測的維數及精度，進而確定方陣或者矩陣的階次。如可選擇數字式光電解碼傳感器SOC2111組成(2n+1)(2n+1)階方陣，選擇奇數階的方陣可由最中間的一個傳感器做狀態(tài)的基點，算法相對簡單。同時也可以增加激光發(fā)射管的數量或者改為較復雜的十字激光發(fā)射管(如圖5所示)進行照射，以提高精度。 下面以3階接收矩陣為例分析算法邏輯。以接收矩陣中點為零點，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所示中右圖對應的狀態(tài)即為，表示存在東北方向上的二級
9、程度的偏移。表1所示為對應相對形變算法表。 3.整體裝置圖 四、綜述 本傳感器裝置對建筑物模型的測試結果均在預期范圍內，對建筑物頂棚結構的形變進行了正確的反饋，體現(xiàn)了其良好的適應性。而且本裝置測量精度可調，通過對矩陣階次和光斑數量的選擇，可以定制出適應不同大跨徑頂棚結構件的傳感器裝置，精確反映建筑物頂棚結構件整體的形變。5 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，使傳感器可以在復雜光線條件下工作，對環(huán)境適應性強，保證了其在工程中的實用性。 參考文獻 1張謝東，郭慧光，耿波.大跨徑橋梁的安全監(jiān)測方法及發(fā)展趨勢J.交通科技，2003(2). 2趙繼聰，周盼，秦魏.激光傳感器原理及其應用J.科技致富向導，2011(9). 本文獲得國家級大學生創(chuàng)新項目的資助(項目編號:201210710053)。 作者簡介:閆書雄(1991)，河南南陽人，大學本科，現(xiàn)就讀于長安大學自動化專業(yè)。 6
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