本發(fā)明涉及光纖傳感和信號處理技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種分布式振動聲波傳感系統(tǒng)及其應(yīng)用，涉及光纖傳感、聲學(xué)傳感和信號處理技術(shù)。

背景技術(shù)：

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，我國高層建筑也隨之迅猛發(fā)展。在高層建筑中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用。然而由于高層建筑的設(shè)計方案的不同，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性成為一個難題。隨著部分高層建筑的墻體的老化，以及溫度、載荷和部分自然災(zāi)害如地震的作用下，墻體容易產(chǎn)生一些隱蔽性裂縫，嚴重影響到高層建筑的耐久性，并對高層建筑的居民和從業(yè)人員造成很大的安全隱患。

目前，傳統(tǒng)裂縫監(jiān)測技術(shù)主要有目測法、裂縫測寬儀檢測、超聲波檢測等。目測法是檢測者利用雙眼觀察被測結(jié)構(gòu)物是否存在裂縫。這種單一的人工目測方法耗時長，工作量大，且受人為因素影響較大，測量結(jié)果不夠精確。裂縫測寬儀檢測是巡檢人員利用手持式裂縫測寬儀對結(jié)構(gòu)物進行測量。這種方法所用測試儀器簡單，能夠達到較高精度，但需知道裂縫所在位置。超聲波檢測法是目前應(yīng)用最為廣泛的無損檢測技術(shù)。超聲波法檢測裂縫的基本原理是超聲波在被測材料中傳播時會受到材料的聲學(xué)特性和內(nèi)部組織變化的影響，通過對超聲波所受影響程度的探測了解檢測材料的損傷程度。由于超聲波檢測需要布設(shè)測點，若所布測點不能全面覆蓋被測結(jié)構(gòu)，容易發(fā)生漏檢現(xiàn)象，并且不能夠進行實時檢測。

因此，傳統(tǒng)的樓體裂縫檢測方法不能完全適應(yīng)現(xiàn)在的高層建筑，不能全方位無死角的對樓體裂縫實施檢測，容易發(fā)生漏測情況。同時對于正在發(fā)生的裂縫不能及時檢測，不能實現(xiàn)對樓體情況進行實時監(jiān)控。同時傳統(tǒng)的樓體檢測方法的測量精度不高，不能完成對樓體裂縫情況的精確測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的在于：針對上述存在的問題，提出一種多點分布式光纖聲波高層建筑樓體裂縫檢測系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以對高層建筑物的墻體可能出現(xiàn)的裂縫由于震動、相互擠壓或是正在開裂產(chǎn)生的聲波振動信號進行捕捉。

本發(fā)明的多點分布式光纖聲波建筑樓體裂縫檢測系統(tǒng)，包括激光發(fā)射器l、分光器p、環(huán)形器c、振動聲波檢測探頭a、相位檢測器d、數(shù)據(jù)采集卡q、信號處理主機n和傳輸光纖。其中激光發(fā)射器l用于輸出連續(xù)激光并注入傳輸光纖b0中，其中心波長優(yōu)選1550nm。為實現(xiàn)多路信號的同時檢測，進入傳輸光纖中的連續(xù)光經(jīng)由分光器p分成n(n對應(yīng)振動聲波檢測探頭的數(shù)目)路連續(xù)光，分成的每一路連續(xù)光都經(jīng)由對應(yīng)的一路傳輸光纖b1繼續(xù)向前傳輸。

每一路傳輸光纖b1連接對應(yīng)的環(huán)形器c的一個端口(通常環(huán)形器c包括3個端口)，本發(fā)明中的環(huán)形器c用于發(fā)射光、反射光的耦合傳輸，為了便于區(qū)分環(huán)形器c的3個端口，將與傳輸光纖b1連接的端口定義為1端口，將與傳輸光纖b2連接的端口定義為2端口，將與傳輸光纖b3連接的端口定義為3端口。傳輸光纖b1中的連續(xù)激光通過環(huán)形器c的1端口耦合經(jīng)由2端口傳輸至傳輸光纖b2中。傳輸光纖b2連接設(shè)置在待檢測建筑物的墻體中的振動聲波檢測探頭a。

振動聲波檢測探頭a為具有高靈敏度的振動聲波檢測探頭，其包括一段傳輸光纖b4、玻璃套管e和石墨烯薄膜g，傳輸光纖b4的一端固定于玻璃套管e中，一端用于與傳輸光纖b2熔接，石墨烯薄膜g固定在玻璃套管e的一個端面上，并與位于玻璃套管e中的傳輸光纖b4的的端面構(gòu)成一個fp腔(法珀腔)。從而使得傳輸光纖b2中的連續(xù)光會被振動聲波檢測探頭a上的石墨烯薄膜g反射，得到反射光。

所述反射光經(jīng)環(huán)形器c的2端口傳輸至3端口，再耦合進傳輸光纖b3。傳輸光纖b3連接相位檢測器d。在相位檢測器d中完成經(jīng)由傳輸光纖b3傳輸?shù)姆瓷涔獾南辔蛔兓臋z測。

相位檢測器d的信號輸出端與數(shù)據(jù)采集卡q的信號輸入端連接，據(jù)采集卡q對相位檢測器d的輸出信號進行數(shù)據(jù)采集，并將采集數(shù)據(jù)輸入到信號處理主機n，信號處理主機n基于對應(yīng)每個相位檢測器d的采集數(shù)據(jù)進行樓體裂縫檢測處理：若相位檢測器d的采集數(shù)據(jù)存在相位變化，則判定對應(yīng)的振動聲波檢測探頭a的設(shè)置位置處存在裂縫并輸出顯示。

其中，數(shù)據(jù)采集卡q的采集頻率可以自由設(shè)置，為了便于系統(tǒng)集成，在采集通道滿足的前提下(即數(shù)據(jù)采集卡q的采集通道數(shù)目m≥n)，可以將所有相位檢測器d的輸出信號輸入同一數(shù)據(jù)采集卡q的不同采集通道，完成對位檢測器d的輸出信號的數(shù)據(jù)據(jù)采集。若一個數(shù)據(jù)采集卡q的采集通道數(shù)目m小于n，則需要多個數(shù)據(jù)采集卡q共同完成對n路信號的采集。同時，本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集卡q既可以是單獨的器件，也可以將其集成在信號處理主機n中，即數(shù)據(jù)采集卡q的信號輸入端與相位檢測器d的信號輸出端連接，數(shù)據(jù)采集卡q的信號輸出端連接信號處理主機n處理單元，由所述處理單元對采集數(shù)據(jù)進行樓體裂縫檢測處理。

進一步的，振動聲波檢測探頭a在建造高層建筑墻體時埋入高層建筑的墻體中。可按照墻體面積比例計算所需振動聲波檢測探頭a的數(shù)量，以保證振動聲波檢測探頭a數(shù)量足以覆蓋整個建筑的所有墻體。從而實現(xiàn)對高層建筑的墻體結(jié)構(gòu)損壞、裂縫的實時監(jiān)測和精確定位。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：在本發(fā)明中，整個系統(tǒng)共用一個激光源，節(jié)約了系統(tǒng)成本。通過分光器將一路激光分成多個光路，且每個光路上都有一個高靈敏度的振動聲波信號檢測探頭，可以覆蓋整個高層建筑的墻體，以實現(xiàn)全方位無死角的對建筑的墻體進行檢測。同時，用石墨烯薄膜制作的特殊結(jié)構(gòu)的振動聲波檢測探頭，可以對于非常微小的振動信號進行捕捉，極大的提高了整個系統(tǒng)的靈敏度。多個光路通過同一個數(shù)據(jù)采集裝置，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)同一個信號處理主機進行處理，在一定程度上節(jié)約了成本。通過將本系統(tǒng)在建造建筑墻體時置入墻體內(nèi)部，可以實現(xiàn)對墻體結(jié)構(gòu)以及裂縫情況進行實時檢測。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的振動聲波檢測探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為單振動聲波檢測探頭在系統(tǒng)中的工作原理示意圖；

圖4為檢測探頭在振動聲波信號的作用下腔長發(fā)生改變示意圖；

圖5為數(shù)據(jù)檢測通道開啟時，建筑墻體完好，未檢測到裂縫振動信號；

圖6為數(shù)據(jù)檢測通道開啟時，建筑墻體發(fā)生裂縫，檢測到裂縫振動信號。

附圖標記：a-振動聲波檢測探頭；e-探頭玻璃套管；g-探頭上的石墨烯薄膜；i-fp腔(法珀腔)的腔體長度；b0、b1、b2、b3、b4-傳輸光纖；j-熔接點；c-環(huán)形器；1、2、3-環(huán)形器的1、2、3端口；d-相位檢測器；l-窄線寬激光器；p-分光器；q-多通道數(shù)據(jù)采集卡；n-信號處理主機；a1，a2，a3-傳輸光纖中的前向傳輸光；r1-反射光；r2-傳輸光纖b3中的傳輸光；s-裂縫振動信號。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合實施方式和附圖，對本發(fā)明作進一步地詳細描述。

參見圖1，本發(fā)明的多點分布式光纖聲波建筑樓體裂縫檢測系統(tǒng)包括激光發(fā)射器l、分光器p、環(huán)形器c、振動聲波檢測探頭a、相位檢測器d、數(shù)據(jù)采集卡q、信號處理主機n和傳輸光纖，其連接關(guān)系為：激光發(fā)射器l的信號輸出端通過傳輸光纖b0與分光器p的信號輸入端連接；分光器p包括n路信號輸出端，其每路信號輸出端分別通過一路傳輸光纖b1與一個環(huán)形器c的端口1連接，所述環(huán)形器c的端口2通過一路傳輸光纖b2連接一個振動聲波檢測探頭a，同時所述環(huán)形器c的端口3通過一路傳輸光纖b3與一個相位檢測器d的信號輸入端連接，相位檢測器d的信號輸出端與數(shù)據(jù)采集卡q的信號輸入端連接，數(shù)據(jù)采集卡q的信號輸出端連接信號處理主機n。

在本具體實施方式中，激光發(fā)射器l發(fā)射的激光優(yōu)選為中心波長為1550nm連續(xù)激光。分光器p采用1:64型，將產(chǎn)生的激光分成64路激光，環(huán)形器c、振動聲波檢測探頭a、相位檢測器d的數(shù)量均為64。

首先制作64個高靈敏度的振動聲波檢測探頭a，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括一段傳輸光纖b4、玻璃套管e和石墨烯薄膜g，傳輸光纖b4的一端固定于玻璃套管e中，另一端用于與傳輸光纖b2熔接(圖1中所示的點j則為對應(yīng)的熔接點)，石墨烯薄膜g固定在玻璃套管e的一個端面上，并與位于玻璃套管e中的傳輸光纖b3的的端面構(gòu)成一個fp腔(法珀腔)。其中振動聲波檢測探a的具體制備過程如下：

(1)用氧化石墨烯粉末與去離子水配置濃度為0.5mg/ml的氧化石墨烯溶液，將配制好的溶液置于超聲波清洗器約10分鐘，去除溶液中的氧離子；

(2)取約0.25ml的氧化石墨烯溶液置于大小為1cm²的銅箔片上，得到滴有氧化石墨烯溶液的銅箔片1。將銅箔片1放置在加熱臺上進行烘干處理。加熱臺烘干溫度為40～50℃，烘干時間約為3-4個小時。直到氧化石墨烯溶液被烘干，得到帶有烘干氧化石墨烯的銅箔片2；

(4)將銅箔片2剪成5mm*5mm的小正方形薄片置于濃度為0.2g/ml的fecl3溶液中對銅片進行腐蝕，2小時后銅箔將被腐蝕消失，氧化石墨烯薄膜將漂浮在溶液表面；

(5)將小塊氧化石墨烯薄膜用玻璃片輕輕撈起置于去離子水中清洗2遍，得到可以用來制作振動聲波檢測探a的干凈氧化石墨烯薄膜，即石墨烯薄膜g。

(6)將玻璃套管e(可以采用毛細玻璃管)放入超聲波清洗器中進行清洗。清洗完成后，對清洗后的玻璃套管e加熱烘干置于溫度調(diào)至100℃的加熱臺上烘干3-5min，得到干燥的玻璃套管e；

(7)將得到的石墨烯薄膜g膜覆蓋在玻璃套管e的一端；

(8)再將一段剝?nèi)ネ扛矊拥膫鬏敼饫wb4(裸纖)伸入加熱烘干后的玻璃套管e中(可以通過觀察連接光譜儀的干涉條紋圖來決定傳輸光纖b4伸入玻璃套管e的深度)，最后進行封裝處理得到振動聲波檢測探a。

然后再將制作好的64個振動聲波檢測探頭a均勻分布在待檢測的建筑樓體的墻體結(jié)構(gòu)中。在制作振動聲波檢測探頭a時，將振動聲波檢測探頭a的傳輸光纖b4的長度設(shè)置的長一點，構(gòu)成帶著一截傳輸光纖b4的檢測探頭結(jié)構(gòu)，以便于與傳輸光纖b2的熔接處理，，例如將傳輸光纖b4的長度設(shè)置在2m左右，以一般60cm厚的墻體結(jié)構(gòu)，那么振動聲波檢測探頭a應(yīng)沒入墻體30cm左右，墻體外部僅僅漏出1.7m左右長的傳輸光纖b4。將所有振動聲波檢測探頭a按照不同位置放置在待檢測建筑樓體的不同墻體中，實現(xiàn)對墻體的完全覆蓋。將所有振動聲波檢測探頭a放置完畢后，可以采用熔接技術(shù)將露在墻體外面的傳輸光纖b4與傳輸光纖b2進行熔接，構(gòu)成完整的傳輸光纖。

在本發(fā)明中，用于連接振動聲波檢測探頭a的傳輸光纖b2的長度應(yīng)該按照具體位置靈活設(shè)定長度，但總體相對于傳輸光纖b1與b3來說長度較長。以一般建筑比如高層樓房高度為參考，若建筑高度為100m，則傳輸光纖b2的最大長度應(yīng)≥100m。在建筑樓體中安置本系統(tǒng)時，優(yōu)選在建造建筑時就將連接著傳輸光纖b4的振動聲波檢測探頭a置入建筑物的墻體之中，便于探頭a與墻體內(nèi)部更加契合，同時也可以減小對墻體的破壞。

在本實施示例中，整個系統(tǒng)可同時采集n＝64個位置的墻體裂縫振動信號。實際應(yīng)用中可以增加振動聲波檢測探頭a的數(shù)量以及數(shù)據(jù)采集通道數(shù)，具體情況依據(jù)建筑的體積和規(guī)模決定。按照圖1所示的結(jié)構(gòu)將所有光纖熔接完畢后，就構(gòu)成了一個完備的多點分布式光纖聲波建筑樓體裂縫檢測系統(tǒng)。將整個系統(tǒng)上電后，可以對整個建筑物的墻體進行結(jié)構(gòu)裂縫的檢測。

參見圖3，本發(fā)明的多點分布式光纖聲波建筑樓體裂縫檢測系統(tǒng)的工作流程如下：

(1)激光發(fā)射器l發(fā)射的連續(xù)激光a1(前向傳輸光)，經(jīng)由傳輸光纖b0進入分光器p，經(jīng)分光器p將傳輸光纖中的連續(xù)激光a1分成64路連續(xù)激光a2(前向傳輸光)。每路連續(xù)激光a2分別經(jīng)過一路傳輸光纖b1通過環(huán)形器c的1端口進入環(huán)形器c，并經(jīng)環(huán)形器c的2端口耦合得到光信號a3(前向傳輸光)，a3經(jīng)傳輸光纖b2進入振動聲波檢測探頭a。

(2)在振動聲波檢測探頭a中傳輸?shù)墓庑盘朼3首先經(jīng)過傳輸光纖b4的端面進入b4端面與石墨烯薄膜g構(gòu)成的fp腔中，石墨烯薄膜g會對光信號a3進行反射，得到反射光r1，再經(jīng)由fp腔回到傳輸光纖b2中。(這里不能說是fp腔將r1發(fā)射到傳輸光纖b2中的)

反射光r1通過環(huán)形器c的2端口耦合進入環(huán)形器c，并經(jīng)環(huán)形器c的3端口耦合得到反射光r2(即傳輸光纖b3中的傳輸光)，r2經(jīng)傳輸光纖b3進入相位檢測器d。經(jīng)由對應(yīng)的相位檢測器d對b3中的反射光r2進行相位檢測。

當(dāng)建筑內(nèi)部墻體裂縫產(chǎn)生裂縫振動信號s時，則會引起對應(yīng)的振動聲波檢測探頭a的石墨烯薄膜g產(chǎn)生振動(即使是微弱的振動聲波信號)，進而引起fp腔的腔長i發(fā)生變化。腔長i的長度變化頻率與裂縫振動信號s的頻率相同，腔長i的長度變化程度與裂縫振動信號s強度成正相關(guān)。腔長i的變化會引起反射光相位產(chǎn)生改變，經(jīng)相位檢測器d可以探測到反射光相位的變化。即當(dāng)相位檢測器d存在檢測結(jié)果，則表示振動聲波檢測探頭a的探測范圍內(nèi)存在裂縫振動信號s；若無檢測結(jié)果，則表示不存在裂縫振動信號s。據(jù)此，基于對每個振動聲波檢測探頭a監(jiān)測可以實現(xiàn)對其所在的墻體是否產(chǎn)生裂縫進行檢測。

步驟3：多通道數(shù)據(jù)采集卡q的每一個通道對應(yīng)一個相位檢測器d，對多個相位檢測器d同時進行數(shù)據(jù)采集。采集到的數(shù)據(jù)輸入到信號處理主機n中進行信號處理分析及顯示。圖5為未檢測到裂縫振動信號s時，信號處理主機n對輸入的采集數(shù)據(jù)(對其中一個相位檢測器d的采集數(shù)據(jù))的實時顯示；圖6則是在檢測到裂縫振動信號s時，信號處理主機n對輸入的采集數(shù)據(jù)(對其中一個相位檢測器d的采集數(shù)據(jù))的實時顯示。

步驟4：在信號處理主機n中，會對每個光路所采集到的數(shù)據(jù)信息進行記錄，對檢測到的振動信號的頻率和強度進行分析，進而得到每個探頭所在墻體的結(jié)構(gòu)情況。如果采集到裂縫產(chǎn)生的振動信號，會在第一時間進行感知。即信號處理主機n實時對各個相位檢測器d的輸出進行檢測，當(dāng)相位檢測器d的采集數(shù)據(jù)存在相位變化時，則判定對應(yīng)的振動聲波檢測探頭a的設(shè)置位置處存在裂縫并輸出顯示。

整個系統(tǒng)可以一直通電對建筑物進行實時檢測，但是這樣做的用電成本較高。可以有間歇性的隔一段固定的時間對整個建筑物進行監(jiān)測分析，對檢測到有問題的墻體進行及時處理，可以很好地消除高層建筑物的安全隱患。

綜上所述，通過分析處理檢測到的建筑物墻體的裂縫振動信號，本發(fā)明可以對高層建筑的墻體裂縫損傷進行快速檢測和精確定位。采用的高靈敏度振動聲波檢測探頭可以保證整個系統(tǒng)具有很高的靈敏度。同時，多點檢測的分布式結(jié)構(gòu)可以完全覆蓋整個建筑物的所有墻體，不會發(fā)生漏測情況。同時系統(tǒng)操作簡單，光纖本身具有相當(dāng)長的使用年限，可以在建筑物的建造初期一直使用到建筑物被拆毀的那一刻。通過本系統(tǒng)定期的對整個建筑物進行檢測，可以在很大程度上消除建筑物結(jié)構(gòu)上的安全隱患。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，本說明書中所公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換；所公開的所有特征、或所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。