本發(fā)明涉及土木工程安全監(jiān)測領(lǐng)域，具體是一種裂縫監(jiān)測裝置及方法。

背景技術(shù)：

在工業(yè)與民用建筑、水工建筑物、地下工程、道路橋梁、滑坡地質(zhì)災(zāi)害等工程領(lǐng)域中，裂縫對工程結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性等有重大影響。因此，為工程結(jié)構(gòu)或巖土體病害成因分析、安全健康狀況評價提供裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)，對出現(xiàn)的裂縫的準(zhǔn)確識別是非常必要的。目前，裂縫監(jiān)測方法眾多，但多為人工機械式監(jiān)測，自動化程度低，能實時監(jiān)測裂縫寬度發(fā)展?fàn)顩r的亦很少。另外，通常情況下裂縫監(jiān)測環(huán)境惡劣，監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)性要求高，這就要求裂縫監(jiān)測儀器環(huán)境適應(yīng)性強，可靠性高，這使得常規(guī)裂縫監(jiān)測儀器的使用受到限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種裂縫監(jiān)測裝置及方法，能實時監(jiān)測裂縫寬度發(fā)展情況，并通過無線發(fā)送裝置將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測站的接收端，實現(xiàn)室內(nèi)監(jiān)控測知范圍內(nèi)工程結(jié)構(gòu)或巖土體裂縫的實時寬度，為工程結(jié)構(gòu)或巖土體病害成因分析、安全健康狀況評價提供數(shù)據(jù)。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種裂縫監(jiān)測裝置，包括pc終端、信號接收處理單元、激光測距處理單元、可伸縮中空機構(gòu)、合作目標(biāo)旋轉(zhuǎn)節(jié)點。pc終端連接信號接收處理單元，信號接收處理單元與激光測距處理單元遠(yuǎn)程通信連接。合作目標(biāo)旋轉(zhuǎn)節(jié)點包括直角棱鏡、保護(hù)外殼、中空球體；直角棱鏡用于反射激光、改變光路，直角棱鏡、保護(hù)外殼安裝固定在可伸縮中空機構(gòu)的內(nèi)伸縮筒體端部，中空球體的中空部分卡住保護(hù)外殼的球狀凸起，所述球狀凸起在中空球體內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)。

激光測距處理單元的一端固定在裂縫一邊，合作目標(biāo)旋轉(zhuǎn)節(jié)點的中空球體一端固定在裂縫另一邊，可伸縮中空機構(gòu)伴隨裂縫的發(fā)展伸縮，pc終端用于完成裂縫發(fā)展的數(shù)據(jù)采集、實現(xiàn)裂縫的實時監(jiān)測。

所述可伸縮中空機構(gòu)包括至少兩節(jié)伸縮筒，可伸縮中空機構(gòu)隨裂縫寬度變化而自由伸縮?？缮炜s中空機構(gòu)內(nèi)部中空，保證激光無障礙直射；內(nèi)部相對封閉，保證直角棱鏡反光面清潔；筒內(nèi)幾乎不存在雜散光和背景光，可不采取光譜濾波措施也能保證信噪比精度要求。

所述信號接收處理單元包括第一無線傳輸模塊、信號處理模塊，信號處理模塊連接第一無線傳輸模塊。

所述激光測距處理單元包括電源模塊、第二無線傳輸模塊和激光信號發(fā)射接收模塊。所述激光信號發(fā)射接收模塊包括信號控制單片機、主振直接數(shù)字頻率合成器、本振直接數(shù)字頻率合成器、直流偏置模塊、信號調(diào)制器、激光器、取樣準(zhǔn)直器、發(fā)射物鏡、參考信號光探測器、測量信號光探測器、接收物鏡，以及參考信號通路和測量信號通路，每一路包括依次連接的信號放大器、選頻器、混頻器、后置放大器、增益放大器、前置放大器。

信號控制單片機輸入端連接第二無線傳輸模塊，輸出端分別連接本振直接數(shù)字頻率合成器和主振直接數(shù)字頻率合成器輸入端；本振直接數(shù)字頻率合成器輸出端分別連接參考信號通路和測量信號通路中混頻器輸入端；主振直接數(shù)字頻率合成器輸出端連接信號調(diào)制器輸入端；直流偏置模塊連接信號調(diào)制器輸出端；信號調(diào)制器輸出端與激光器輸入端連接；兩路中的前置放大器輸入端分別連接參考光探測器和測量光探測器輸出端；第二無線傳輸模塊連接參考信號通路和測量信號通路中的信號放大器輸出端。

所述激光測距處理單元、可伸縮中空機構(gòu)、合作目標(biāo)旋轉(zhuǎn)節(jié)點依次機械安裝固定為一整體。

所述信號接收處理單元與pc終端通過usb數(shù)據(jù)線連接。

所述可伸縮中空機構(gòu)內(nèi)伸縮筒一端與合作目標(biāo)旋轉(zhuǎn)節(jié)點安裝固定在一起，外伸縮筒一端與激光測距處理單元安裝固定在一起。

本發(fā)明一種裂縫監(jiān)測裝置及方法，有如下有益效果：

1）、實現(xiàn)在室內(nèi)操控而實時精確測知工程結(jié)構(gòu)或巖土體裂縫寬度，為工程結(jié)構(gòu)或巖土體病害成因分析、安全健康狀況評價提供數(shù)據(jù)；

2）、無線傳輸使得接線減少，便于儀器移動，還使得研究人員可在監(jiān)測站便可操控儀器并實時了解裂縫發(fā)展情況；

3）、無線傳輸?shù)膶嵱?，可實現(xiàn)在pc端同時監(jiān)測多條裂縫的發(fā)展情況。

4）、可實現(xiàn)裂縫監(jiān)測惡劣環(huán)境條件下的連續(xù)實時監(jiān)測，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)實時性；

5）、可伸縮中空機構(gòu)內(nèi)部相對封閉，保證了合作目標(biāo)直角棱鏡的清潔；筒內(nèi)幾乎不存在雜散光和背景光，可不采取光譜濾波措施也能保證信噪比精度要求，即保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠。

6）、整套裝置模塊化安裝，施工便捷。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的合作目標(biāo)旋轉(zhuǎn)節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的激光測距處理單元結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明的工作流程示意圖。

具體實施方式

一種裂縫監(jiān)測裝置，包括pc終端1、信號接收處理單元3、激光測距處理單元4、可伸縮中空機構(gòu)5、合作目標(biāo)旋轉(zhuǎn)節(jié)點6。pc終端1連接信號接收處理單元3，信號接收處理單元3與激光測距處理單元4遠(yuǎn)程通信連接。

pc終端1用于完成裂縫發(fā)展的數(shù)據(jù)采集、實現(xiàn)裂縫的實時監(jiān)測。

信號接收處理單元3包括第一無線傳輸模塊8、信號處理模塊7，信號處理模塊7連接第一無線傳輸模塊8。信號接收處理單元3可實現(xiàn)無線信號的接收和處理等功能。

激光測距處理單元4包括電源模塊9、第二無線傳輸模塊10、激光信號發(fā)射接收模塊11。激光測距處理單元4可實現(xiàn)信號激光的調(diào)制、發(fā)射、接收、調(diào)理、混頻濾波、采集處理、無線傳輸?shù)裙δ堋?/p>

所述激光信號發(fā)射接收模塊11包括信號控制單片機12、主振直接數(shù)字頻率合成器13、本振直接數(shù)字頻率合成器14、直流偏置模塊15、信號調(diào)制器16、激光器17、取樣準(zhǔn)直器18、發(fā)射物鏡19、參考信號光探測器20、測量信號光探測器21、接收物鏡22，以及參考信號通路和測量信號通路，每一路包括依次連接的信號放大器、選頻器、混頻器、后置放大器、增益放大器、前置放大器。

可伸縮中空機構(gòu)5包括至少兩節(jié)伸縮筒，可伸縮中空機構(gòu)5隨裂縫寬度變化而自由伸縮?？缮炜s中空機構(gòu)5內(nèi)部中空，保證激光無障礙直射；內(nèi)部相對封閉，保證直角棱鏡29反光面清潔；筒內(nèi)幾乎不存在雜散光和背景光，可不采取光譜濾波措施也能保證信噪比精度要求。

合作目標(biāo)旋轉(zhuǎn)節(jié)點6包括直角棱鏡29、保護(hù)外殼30、中空球體31；直角棱鏡29用于反射激光、改變光路，直角棱鏡29、保護(hù)外殼30安裝固定在可伸縮中空機構(gòu)5的內(nèi)伸縮筒體端部，中空球體31的中空部分卡住保護(hù)外殼30的球狀凸起，所述球狀凸起在中空球體31內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)，以保證裂縫三向變化時不會引起直角棱鏡29錯位而使激光無法接收反射。合作目標(biāo)旋轉(zhuǎn)節(jié)點6實現(xiàn)信號激光接收反射等功能。

如圖3所示，參考信號通路包括依次連接的：信號放大器28、選頻器27、混頻器26、后置放大器25、增益放大器24、前置放大器23。

測量信號通路包括依次連接的：信號放大器28’、選頻器27’、混頻器26’、后置放大器25’、增益放大器24’、前置放大器23’。

信號控制單片機12輸入端連接第二無線傳輸模塊10，輸出端分別連接本振直接數(shù)字頻率合成器14和主振直接數(shù)字頻率合成器13輸入端；本振直接數(shù)字頻率合成器14輸出端分別連接參考信號通路和測量信號通路中混頻器26和混頻器26’輸入端；主振直接數(shù)字頻率合成器13輸出端連接信號調(diào)制器16輸入端；直流偏置模塊15連接信號調(diào)制器16輸出端；信號調(diào)制器16輸出端與激光器17輸入端連接；兩路中的前置放大器23和前置放大器23’輸入端分別連接參考光探測器20和測量光探測器21輸出端；第二無線傳輸模塊10連接參考信號通路信號放大器28和測量信號通路信號放大器28’輸出端。

激光器17發(fā)射帶有調(diào)制信號信息的光束中，一部分光束作為參考信號，經(jīng)取樣準(zhǔn)直器18直接反射到參考光探測器20；另一部分光束作為測量信號，經(jīng)取樣準(zhǔn)直器18準(zhǔn)直后經(jīng)發(fā)射物鏡19發(fā)射至直角棱鏡29并反射回來，經(jīng)接收物鏡22到測量光探測器21，參考信號和測量信號分別經(jīng)參考信號光探測器20和測量信號光探測器21后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘柌ǎ蠖挤謩e經(jīng)過各自通路的前置放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號波，再依次通過增益放大器、后置放大器，再分別與本振電壓信號波經(jīng)過混頻器混頻，選頻器濾掉高頻波，剩下的低頻信號波經(jīng)過信號放大器，之后兩路信號由激光測距處理單元4的第二無線傳輸模塊10發(fā)送至信號接收處理單元3的第一無線傳輸模塊8，最后由信號接收處理單元3中的信號處理模塊7將接收到的信號進(jìn)行解算，由pc終端1實時顯示并記錄裂縫寬度數(shù)據(jù)。

所述激光測距處理單元4、可伸縮中空機構(gòu)5、合作目標(biāo)旋轉(zhuǎn)節(jié)點6依次機械安裝固定為一整體。

所述信號接收處理單元3與pc終端1通過usb數(shù)據(jù)線2連接，信號處理模塊7完成信號解算后將結(jié)果傳到pc終端1，pc終端1將實時顯示裂縫寬度數(shù)據(jù)并記錄。

信號處理模塊7為avr單片機。

第一無線傳輸模塊8為apc250s型無線傳感器接收裝置。

電源模塊9為蓄電池。

第二無線傳輸模塊10為apc300型無線傳感器裝置。

信號控制單片機12為lpc2114型arm單片機。

主振直接數(shù)字頻率合成器13、本振直接數(shù)字頻率合成器14均為ad9851型dds芯片。

直流偏置模塊15為可調(diào)電壓的mmbt3906型晶體管。

信號調(diào)制器16為高速運算跨導(dǎo)放大器opa860。

激光器17為blld-pfa2-d3110a-1gr尾纖式紅外半導(dǎo)體激光器。

取樣準(zhǔn)直器18為透射式準(zhǔn)直鏡，以維持激光諧振腔和光束的準(zhǔn)直性，并將信號激光束分散為兩束平行光束（一路作為參考信號光束，另一路作為測量信號光束）。

發(fā)射物鏡19和接收物鏡22均為雙凸會聚透鏡，會聚散射的光線，減小信號光束能量損失，分別使信號光束沿透鏡主光軸方向射向直角透鏡29和測量信號光探測器21。

參考信號光探測器20和測量信號光探測器21均為blpd-pfa1-80ar型同軸尾纖式pin光電二極管。

前置放大器為ada4817-1型1ghzfastfet運算放大器。

增益放大器為可變增益lmh6505型放大器。

后置放大器為15ad8001型電流反饋放大器。

混頻器為高速四象限模擬乘法器ad834。

選頻器為傳輸增益大于1的rc帶通選頻電路。

信號放大器為雙運放ad8056。

一種裂縫監(jiān)測方法，激光測距處理單元4、可伸縮中空機構(gòu)5、合作目標(biāo)旋轉(zhuǎn)節(jié)點6依次機械安裝固定為整體，激光測距處理單元4一端與裂縫一邊固定，合作目標(biāo)旋轉(zhuǎn)節(jié)點6的中空球體31一端與裂縫另一邊固定。當(dāng)裂縫寬度變化時會引起可伸縮中空機構(gòu)5伸縮，激光傳播距離被改變，通過下述過程即可把裂縫寬度變化測出來并顯示、記錄。

一種裂縫監(jiān)測方法，pc終端1發(fā)送的指令經(jīng)信號接收處理單元3的第一無線傳輸模塊8發(fā)送至激光測距處理單元4的第二無線傳輸模塊10，然后通過信號控制單片機12控制本振直接數(shù)字頻率合成器14和主振直接數(shù)字頻率合成器13，本振直接數(shù)字頻率合成器14產(chǎn)生本振電壓信號波，主振直接數(shù)字頻率合成器13產(chǎn)生主頻電壓信號波，主頻電壓信號波經(jīng)信號調(diào)制器16轉(zhuǎn)化為主頻電流信號波后與直流偏置模塊15疊加，驅(qū)動激光器17發(fā)光；

激光器17發(fā)射帶有調(diào)制信號信息的光束中，一部分光束作為參考信號，經(jīng)取樣準(zhǔn)直器18直接反射到參考光探測器20；另一部分光束作為測量信號，經(jīng)取樣準(zhǔn)直器18準(zhǔn)直后經(jīng)發(fā)射物鏡19發(fā)射至直角棱鏡29并反射回來，經(jīng)接收物鏡22到測量光探測器21，參考信號和測量信號分別經(jīng)參考信號光探測器20和測量信號光探測器21后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘柌?，后都分別經(jīng)過各自通路的前置放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柌ǎ俜謩e通過增益放大器、后置放大器，再分別與本振電壓信號波經(jīng)過混頻器混頻，選頻器濾掉高頻波，剩下的低頻信號波經(jīng)過信號放大器，之后兩路信號由激光測距處理單元4的第二無線傳輸模塊10發(fā)送至信號接收處理單元3的第一無線傳輸模塊8，最后由信號接收處理單元3中的信號處理模塊7將接收到的信號進(jìn)行解算，由pc終端1實時顯示并記錄裂縫寬度數(shù)據(jù)。