一种裂缝监测装置及方法与流程

本发明涉及土木工程安全监测领域，具体是一种裂缝监测装置及方法。

背景技术：

在工业与民用建筑、水工建筑物、地下工程、道路桥梁、滑坡地质灾害等工程领域中，裂缝对工程结构的安全性、适用性和耐久性等有重大影响。因此，为工程结构或岩土体病害成因分析、安全健康状况评价提供裂缝监测数据，对出现的裂缝的准确识别是非常必要的。目前，裂缝监测方法众多，但多为人工机械式监测，自动化程度低，能实时监测裂缝宽度发展状况的亦很少。另外，通常情况下裂缝监测环境恶劣，监测数据连续性要求高，这就要求裂缝监测仪器环境适应性强，可靠性高，这使得常规裂缝监测仪器的使用受到限制。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种裂缝监测装置及方法，能实时监测裂缝宽度发展情况，并通过无线发送装置将数据发送到监测站的接收端，实现室内监控测知范围内工程结构或岩土体裂缝的实时宽度，为工程结构或岩土体病害成因分析、安全健康状况评价提供数据。

本发明采取的技术方案为：

一种裂缝监测装置，包括pc终端、信号接收处理单元、激光测距处理单元、可伸缩中空机构、合作目标旋转节点。pc终端连接信号接收处理单元，信号接收处理单元与激光测距处理单元远程通信连接。合作目标旋转节点包括直角棱镜、保护外壳、中空球体；直角棱镜用于反射激光、改变光路，直角棱镜、保护外壳安装固定在可伸缩中空机构的内伸缩筒体端部，中空球体的中空部分卡住保护外壳的球状凸起，所述球状凸起在中空球体内自由旋转。

激光测距处理单元的一端固定在裂缝一边，合作目标旋转节点的中空球体一端固定在裂缝另一边，可伸缩中空机构伴随裂缝的发展伸缩，pc终端用于完成裂缝发展的数据采集、实现裂缝的实时监测。

所述可伸缩中空机构包括至少两节伸缩筒，可伸缩中空机构随裂缝宽度变化而自由伸缩。可伸缩中空机构内部中空，保证激光无障碍直射；内部相对封闭，保证直角棱镜反光面清洁；筒内几乎不存在杂散光和背景光，可不采取光谱滤波措施也能保证信噪比精度要求。

所述信号接收处理单元包括第一无线传输模块、信号处理模块，信号处理模块连接第一无线传输模块。

所述激光测距处理单元包括电源模块、第二无线传输模块和激光信号发射接收模块。所述激光信号发射接收模块包括信号控制单片机、主振直接数字频率合成器、本振直接数字频率合成器、直流偏置模块、信号调制器、激光器、取样准直器、发射物镜、参考信号光探测器、测量信号光探测器、接收物镜，以及参考信号通路和测量信号通路，每一路包括依次连接的信号放大器、选频器、混频器、后置放大器、增益放大器、前置放大器。

信号控制单片机输入端连接第二无线传输模块，输出端分别连接本振直接数字频率合成器和主振直接数字频率合成器输入端；本振直接数字频率合成器输出端分别连接参考信号通路和测量信号通路中混频器输入端；主振直接数字频率合成器输出端连接信号调制器输入端；直流偏置模块连接信号调制器输出端；信号调制器输出端与激光器输入端连接；两路中的前置放大器输入端分别连接参考光探测器和测量光探测器输出端；第二无线传输模块连接参考信号通路和测量信号通路中的信号放大器输出端。

所述激光测距处理单元、可伸缩中空机构、合作目标旋转节点依次机械安装固定为一整体。

所述信号接收处理单元与pc终端通过usb数据线连接。

所述可伸缩中空机构内伸缩筒一端与合作目标旋转节点安装固定在一起，外伸缩筒一端与激光测距处理单元安装固定在一起。

本发明一种裂缝监测装置及方法，有如下有益效果：

1）、实现在室内操控而实时精确测知工程结构或岩土体裂缝宽度，为工程结构或岩土体病害成因分析、安全健康状况评价提供数据；

2）、无线传输使得接线减少，便于仪器移动，还使得研究人员可在监测站便可操控仪器并实时了解裂缝发展情况；

3）、无线传输的实用，可实现在pc端同时监测多条裂缝的发展情况。

4）、可实现裂缝监测恶劣环境条件下的连续实时监测，保证监测数据的连续实时性；

5）、可伸缩中空机构内部相对封闭，保证了合作目标直角棱镜的清洁；筒内几乎不存在杂散光和背景光，可不采取光谱滤波措施也能保证信噪比精度要求，即保证了监测数据的可靠。

6）、整套装置模块化安装，施工便捷。

附图说明

图1为本发明的装置整体结构示意图。

图2为本发明的合作目标旋转节点结构示意图。

图3为本发明的激光测距处理单元结构示意图。

图4为本发明的工作流程示意图。

具体实施方式

一种裂缝监测装置，包括pc终端1、信号接收处理单元3、激光测距处理单元4、可伸缩中空机构5、合作目标旋转节点6。pc终端1连接信号接收处理单元3，信号接收处理单元3与激光测距处理单元4远程通信连接。

pc终端1用于完成裂缝发展的数据采集、实现裂缝的实时监测。

信号接收处理单元3包括第一无线传输模块8、信号处理模块7，信号处理模块7连接第一无线传输模块8。信号接收处理单元3可实现无线信号的接收和处理等功能。

激光测距处理单元4包括电源模块9、第二无线传输模块10、激光信号发射接收模块11。激光测距处理单元4可实现信号激光的调制、发射、接收、调理、混频滤波、采集处理、无线传输等功能。

所述激光信号发射接收模块11包括信号控制单片机12、主振直接数字频率合成器13、本振直接数字频率合成器14、直流偏置模块15、信号调制器16、激光器17、取样准直器18、发射物镜19、参考信号光探测器20、测量信号光探测器21、接收物镜22，以及参考信号通路和测量信号通路，每一路包括依次连接的信号放大器、选频器、混频器、后置放大器、增益放大器、前置放大器。

可伸缩中空机构5包括至少两节伸缩筒，可伸缩中空机构5随裂缝宽度变化而自由伸缩。可伸缩中空机构5内部中空，保证激光无障碍直射；内部相对封闭，保证直角棱镜29反光面清洁；筒内几乎不存在杂散光和背景光，可不采取光谱滤波措施也能保证信噪比精度要求。

合作目标旋转节点6包括直角棱镜29、保护外壳30、中空球体31；直角棱镜29用于反射激光、改变光路，直角棱镜29、保护外壳30安装固定在可伸缩中空机构5的内伸缩筒体端部，中空球体31的中空部分卡住保护外壳30的球状凸起，所述球状凸起在中空球体31内自由旋转，以保证裂缝三向变化时不会引起直角棱镜29错位而使激光无法接收反射。合作目标旋转节点6实现信号激光接收反射等功能。

如图3所示，参考信号通路包括依次连接的：信号放大器28、选频器27、混频器26、后置放大器25、增益放大器24、前置放大器23。

测量信号通路包括依次连接的：信号放大器28’、选频器27’、混频器26’、后置放大器25’、增益放大器24’、前置放大器23’。

信号控制单片机12输入端连接第二无线传输模块10，输出端分别连接本振直接数字频率合成器14和主振直接数字频率合成器13输入端；本振直接数字频率合成器14输出端分别连接参考信号通路和测量信号通路中混频器26和混频器26’输入端；主振直接数字频率合成器13输出端连接信号调制器16输入端；直流偏置模块15连接信号调制器16输出端；信号调制器16输出端与激光器17输入端连接；两路中的前置放大器23和前置放大器23’输入端分别连接参考光探测器20和测量光探测器21输出端；第二无线传输模块10连接参考信号通路信号放大器28和测量信号通路信号放大器28’输出端。

激光器17发射带有调制信号信息的光束中，一部分光束作为参考信号，经取样准直器18直接反射到参考光探测器20；另一部分光束作为测量信号，经取样准直器18准直后经发射物镜19发射至直角棱镜29并反射回来，经接收物镜22到测量光探测器21，参考信号和测量信号分别经参考信号光探测器20和测量信号光探测器21后转变为电流信号波，后都分别经过各自通路的前置放大器转换为电压信号波，再依次通过增益放大器、后置放大器，再分别与本振电压信号波经过混频器混频，选频器滤掉高频波，剩下的低频信号波经过信号放大器，之后两路信号由激光测距处理单元4的第二无线传输模块10发送至信号接收处理单元3的第一无线传输模块8，最后由信号接收处理单元3中的信号处理模块7将接收到的信号进行解算，由pc终端1实时显示并记录裂缝宽度数据。

所述激光测距处理单元4、可伸缩中空机构5、合作目标旋转节点6依次机械安装固定为一整体。

所述信号接收处理单元3与pc终端1通过usb数据线2连接，信号处理模块7完成信号解算后将结果传到pc终端1，pc终端1将实时显示裂缝宽度数据并记录。

信号处理模块7为avr单片机。

第一无线传输模块8为apc250s型无线传感器接收装置。

电源模块9为蓄电池。

第二无线传输模块10为apc300型无线传感器装置。

信号控制单片机12为lpc2114型arm单片机。

主振直接数字频率合成器13、本振直接数字频率合成器14均为ad9851型dds芯片。

直流偏置模块15为可调电压的mmbt3906型晶体管。

信号调制器16为高速运算跨导放大器opa860。

激光器17为blld-pfa2-d3110a-1gr尾纤式红外半导体激光器。

取样准直器18为透射式准直镜，以维持激光谐振腔和光束的准直性，并将信号激光束分散为两束平行光束（一路作为参考信号光束，另一路作为测量信号光束）。

发射物镜19和接收物镜22均为双凸会聚透镜，会聚散射的光线，减小信号光束能量损失，分别使信号光束沿透镜主光轴方向射向直角透镜29和测量信号光探测器21。

参考信号光探测器20和测量信号光探测器21均为blpd-pfa1-80ar型同轴尾纤式pin光电二极管。

前置放大器为ada4817-1型1ghzfastfet运算放大器。

增益放大器为可变增益lmh6505型放大器。

后置放大器为15ad8001型电流反馈放大器。

混频器为高速四象限模拟乘法器ad834。

选频器为传输增益大于1的rc带通选频电路。

信号放大器为双运放ad8056。

一种裂缝监测方法，激光测距处理单元4、可伸缩中空机构5、合作目标旋转节点6依次机械安装固定为整体，激光测距处理单元4一端与裂缝一边固定，合作目标旋转节点6的中空球体31一端与裂缝另一边固定。当裂缝宽度变化时会引起可伸缩中空机构5伸缩，激光传播距离被改变，通过下述过程即可把裂缝宽度变化测出来并显示、记录。

一种裂缝监测方法，pc终端1发送的指令经信号接收处理单元3的第一无线传输模块8发送至激光测距处理单元4的第二无线传输模块10，然后通过信号控制单片机12控制本振直接数字频率合成器14和主振直接数字频率合成器13，本振直接数字频率合成器14产生本振电压信号波，主振直接数字频率合成器13产生主频电压信号波，主频电压信号波经信号调制器16转化为主频电流信号波后与直流偏置模块15叠加，驱动激光器17发光；

激光器17发射带有调制信号信息的光束中，一部分光束作为参考信号，经取样准直器18直接反射到参考光探测器20；另一部分光束作为测量信号，经取样准直器18准直后经发射物镜19发射至直角棱镜29并反射回来，经接收物镜22到测量光探测器21，参考信号和测量信号分别经参考信号光探测器20和测量信号光探测器21后转变为电流信号波，后都分别经过各自通路的前置放大器转变为电压信号波，再分别通过增益放大器、后置放大器，再分别与本振电压信号波经过混频器混频，选频器滤掉高频波，剩下的低频信号波经过信号放大器，之后两路信号由激光测距处理单元4的第二无线传输模块10发送至信号接收处理单元3的第一无线传输模块8，最后由信号接收处理单元3中的信号处理模块7将接收到的信号进行解算，由pc终端1实时显示并记录裂缝宽度数据。