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矩阵式激光传感器在建筑物顶棚形变监测中的应用
【摘要】本传感器装置由激光发射器，光学透镜以及一组矩阵式排列的激光接收器组成。利用光学原理，由光学透镜控制激光发射器照射在接收器矩阵上的光斑面积。再依据激光接收器输出的信号，判断激光发射点与接收点相对空间位置的变化，由此监测大跨径顶棚结构件的形变状况。
【关键词】激光传感器;矩阵式接收器;大跨径顶棚结构件
一、引言
随着我国社会经济及各个方面的快速发展，大跨径顶棚结构建筑的应用越来越广泛，随之而来的安全问
题
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不容忽视，而大跨径顶棚结构件的形变检测是保证建筑物安全的重要手段。
目前，国内对建筑物的监测基本以建筑物内部环境监测为主，如火灾监测、温湿度等。而针对大跨径承重结构件形变的监测几乎处于空白，即使是针对大跨径结构的形变检测，也多集中于桥梁，使用的传感器以应变计传感器和光栅传感器为主。
结合大跨径顶棚结构建筑物的特点，针对顶棚结构中的结构件较为庞大，不便于人工监控维护的特点，设计出本传感器装置。与传统的电阻应变计传感器相比，本传感器可以实现对整个结构件的多维立体监测，并且具备很大的监测范围，不仅是针对某一应力点或一块特定区域的监测，而是针对结构件整体的形变进行监测;且其抗干扰性能好，对温度几乎没有
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要求
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，装置在-25?,85?的温度区间内都可以正常工作。而与最新的光纤传感器相比，其造价低廉，电路简单，直接输出数字信号，便于信号处理。
二、装置原理
1.激光传感器原理
激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光发射器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪
表
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，它的优点是能够实现无接触、远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。
激光与普通光不同，需要用激光器产生。在正常状态下，激光器中的工作物质，即原子大多数是处于稳定的低能级E1，在适当频率的外界光线作用下，处于低能级的原子吸收光子的能量并受到激发而跃迁到高能级E2。光子能量则为:，式中为普朗克常数，为光子频率。反之，在频率为的光的诱发下，处于高能级E2的原子也会跃迁到低能级E1，从而释放出能量而发光，称为受激辐射。激光器在工作时，首先使原子的多数处于高能级(即粒子数反转分布)，以便使受激辐射过程占优势，从而使频率为的诱发光得到增强，并可通过平行的反射镜形成雪崩式的放大作用从而产生强大的受激辐射光，简称激光。激光具有3个重要特性:(1)高方向性，即高定向性，光束发散角小，激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米;(2)高单色性，激光的频率宽度比普通光小10倍以上;(3)高亮度性，
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利用激光束汇聚最高可产生高达几百万度的温度。
2.透镜成像原理
由透镜成像公式:
式中:为透镜焦距
为物体与透镜中心的距离
为物体经透镜所成像与透镜的距离
可知，当光源在焦距，即时，，也就是成像在无穷远处时，即可形成一束平行光。利用透镜成像原理，通过调整激光发射管到透镜焦距的位置，可以形成光斑大小确定的平行光。根据具体需要，使用不同焦距的透镜得到大小适中的光斑，对接收矩阵进行定位照射。
三、装置描述
本传感器装置由激光发射器，光学透镜以及矩阵式排列的激光接收器组组成(如图1所示)。矩阵式激光接收器可以根据需要制成任意阶次，例如用(2n+1)×(2n+1)个数字式光电解码传感器SOC2111组成方阵。利用光学原理，使用不同规格的透镜控制激光发射器照射在矩阵式激光接收器的光斑面积，利用接收阵列输出的数字信号判断激光发射点与接收点的相对空间位置的变化。
1.激光发射单元
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根据本项目中要监测的结构件的大小，选择10mw，20mw，50mw，100mw及更高功率的激光发射管，由调制管配合相关电路获得大约180khz占空比为30%的稳定信号，通过ULN2003A驱动大功率激光发射管(如图2所示)，照射时间由单片机控制。实验显示不同功率的发射管对脉冲参数有一定影响，但信号输出基本稳定在180khz左右，占空比为30%,50%，并且在一定距离内，形成的照射光斑的大小、强度都在允许的范围之内。以市面上常用的10mw发射管为例，在不加透镜的情况下，光斑在5m外的垂直截面上会出现一定的发散，其直径由3mm扩张至3.0,3.5mm;但在加入透镜之后，利用光学原理，通过选择不同规格的透镜，并调节透镜与发射管的距离，可以使光斑面积在距离为10m的范围内仍保持在实验允许的发散范围内，并且光强满足接收管要求。
2.激光接收监测单元
(1)数字式光电解码传感器SOC2111
SOC2111尺寸大小如图3所示:底座4.6mm ×4.6mm，光窗r=0.75mm，因为引脚需要占据一定的面积，故在制作接收管矩阵时将玻璃基板分割成6mm×6mm的小单元，将接收管分别固定在小单元内，引脚从基板背面引出。由于信号频率高达180khz，故加入10×4的电容(如图4所示)。考虑到激光发射器发射的光线经过透镜之后在一定距离范围内具有固定的光斑面积，且具有非常好的线性，所以忽略光线的散射，认为其在一定距离内绝对平行，也不考虑接收管光窗的外凸半圆的影响。
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图4 解码器电路
图5 单维4×1矩阵及5阶十字阵
(2)矩阵结构
根据要监测的结构的复杂程度及重要程度，确定要监测的维数及精度，进而确定方阵或者矩阵的阶次。如可选择数字式光电解码传感器SOC2111组成(2n+1)×(2n+1)阶方阵，选择奇数阶的方阵可由最中间的一个传感器做状态的基点，算法相对简单。同时也可以增加激光发射管的数量或者改为较复杂的十字激光发射管(如图5所示)进行照射，以提高精度。
下面以3阶接收矩阵为例
分析
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算法逻辑。以接收矩阵中点为零点，二维模糊划分为:上北下南左西右东，程度模糊划分为四个等级。如图6所示中右图对应的状态即为，表示存在东北方向上的二级程度的偏移。表1所示为对应相对形变算法表。
3.整体装置图
四、综述
本传感器装置对建筑物模型的测试结果均在预期范围内，对建筑物顶棚结构的形变进行了正确的反馈，体现了其良好的适应性。而且本装置测量精度可调，通过对矩阵阶次和光斑数量的选择，可以定制出适应不同大跨径顶棚结构件的传感器装置，精确反映建筑物顶棚结构件整体的形变。
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本装置制作简单，成本低，监测范围大，具有良好的抗干扰能力。激光的使用避免了自然光的干扰，使传感器可以在复杂光线条件下工作，对环境适应性强，保证了其在工程中的实用性。
参考文献
[1]张谢东，郭慧光，耿波.大跨径桥梁的安全监测
方法
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及发展趋势[J].交通科技，2003(2).
[2]赵继聪，周盼，秦魏.激光传感器原理及其应用[J].科技致富向导，2011(9).
本文获得国家级大学生创新项目的资助(项目编号:201210710053)。
作者简介:闫书雄(1991—)，河南南阳人，大学本科，现就读于长安大学自动化专业。
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