CN106656080B - 一种弹性波ct仪的前置电路系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种弹性波CT仪的前置电路系统，包括第一前置电路模块、第二前置电路模块和第三前置电路模块，还包括用于切换不同传感器的转换器模块，所述第一前置电路模块包括依次连接的保护单元、第一滤波单元和放大单元，所述第二前置电路模块包括依次连接的电荷放大单元和第二滤波单元，所述第三前置电路模块包括依次连接的共模干扰抑制单元和差模干扰抑制单元。当在实际工作需要某种传感器时，可通过转换器模块切换到该种传感器，传感器进行弹性波接收后，经过对应的前置电路对信号进行初步处理，弹性波CT仪再对处理后的信号进行分析。本发明可使弹性波CT仪同时适用于动圈式地震检波器、压电晶体型加速度检波器和数字检波器。

Description

一种弹性波CT仪的前置电路系统

技术领域

本发明涉及水电工程检测技术领域，尤其涉及一种用于防渗墙质量检测、隧道围岩松动圈探测、堤坝隐患探测、岩溶探测等方面的弹性波CT仪的前置电路系统。

背景技术

混凝土和钢筋混凝土结构物在施工过程中，有时因漏振、漏浆、石子架空在钢筋骨架上、停水、停电或其它施工管理不善和自然环境等原因，导致混凝土内部形成蜂窝、不密实、空洞或离析等缺陷，这些缺陷的存在将会严重影响混凝土结构的承载力和耐久性，给船闸、桥墩等大型水电工程带来安全隐患，采取有效方法查明这些缺陷的性质、范围及尺寸，以便及时进行技术处理，乃是工程建设中的一个十分重要课题。尤其是近几年来，随着科学技术的发展和大型水电工程建设的需要，对大体积混凝土缺陷的检测越来越多，并要求达到高精度和高分辨率，以客观、精确地评价混凝土内部质量。

利用弹性波走时层析成像(Computerized Tomography，简称CT)技术对大型水电工程混凝土内部质量进行无损检测，是一种精度高、速度快的探测方法，该方法是利用弹性波在正常混凝土和缺陷中弹性滤传播速度的差异，通过走时数据的拾取和计算机反演成像技术来重建介质的速度分布图像，进而直观地再现混凝土介质内部的精细结构。

弹性波CT技术的发展，离不开稳定、可靠、精密的弹性波CT仪，弹性波CT仪由下面几部分组成：1）弹性波激发：包括雷管震源、炸药震源、电火花震源、超磁致震源等多种震源；2）弹性波接收传感器：包括动圈式地震检波器、压电晶体型加速度检波器和数字检波器；3）弹性波数据采集系统。

目前应用于水电工程检测技术领域的弹性波CT检测，大多用地球物理勘探中的浅层地震仪，但用于对水电工程混凝土内部质量进行无损检测的弹性波接收传感器应是高精度和高分辨率的精细探测，一般的浅层地震仪达不到要求。浅层地震仪一般采用动圈式地震检波器拾取地震波，而较高精度的压电晶体型加速度检波器和数字检波器尚不能用于浅层地震仪做它的传感器。

弹性波CT仪通过弹性波接收传感器接收数据，由于传感数据存在较大的噪声和干扰，因此需要在传感器前端需要设置对应的前置电路对传感数据进行滤波、抗干扰等处理。业界尚未出现能够使弹性波CT仪同时适用于动圈式地震检波器、压电晶体型加速度检波器和数字检波器的前置电路系统。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种弹性波CT仪的前置电路系统，可使弹性波CT仪同时适用于动圈式地震检波器、压电晶体型加速度检波器和数字检波器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种弹性波CT仪的前置电路系统，包括与动圈式地震检波器相连的第一前置电路模块、与压电晶体型加速度检波器相连的第二前置电路模块和与数字检波器相连的第三前置电路模块，还包括用于切换不同传感器的转换器模块，所述第一前置电路模块包括依次连接的保护单元、第一滤波单元和放大单元，所述第二前置电路模块包括依次连接的电荷放大单元和第二滤波单元，所述第三前置电路模块包括依次连接的共模干扰抑制单元和差模干扰抑制单元。

进一步，所述保护单元包括一个二极管D1，所述第一滤波单元包括电阻R1、R2、R3、R4和电容C1、C2、C3，R1和C1串联后与R2并联，R4和C3串联后与R3并联，所述放大单元包括互相耦合的程控放大器PGA205和运算放大器OP27AH，PGA205的输出端与OP27AH的正相输入端相连，D1与C2并联后再与分别R2和R3连接，C1和C3分别连接PGA205的正相输入端和反相输入端，OP27AH的反相输入端通过电容C4和电阻R5、R6与OP27AH的输出端相连。

进一步，所述二极管D1采用TVS二极管。

进一步，所述第二前置电路模块包括两个相互连接的第一运放芯片和第二运放芯片，所述电荷放大单元包括第一运放芯片，电容C5通过相互并联的电容C6和电阻R7与第一运放芯片的反相输入端相连，第一运放芯片的正相输入端连接有一可变电阻R8，所述第二滤波单元包括第二运放芯片，所述第二运放芯片的正相输入端通过电阻R9和电容C7与第二运放芯片的输出端连接，所述第二运放芯片的正相输入端还连接有一电容C8。

进一步，第一运放芯片和第二运放芯片采用CA3140芯片。

进一步，所述C5的大小为0.22μF，所述R8的大小为10kΩ。

进一步，所述共模干扰抑制单元包括运算放大器OP279GP，所述差模干扰抑制单元包括相互并联的电容C9和电阻R10，相互并联的C9和R10连接OP279GP的反相输入端和输出端。

进一步，所述转换器模块包括ADG451芯片。

本发明的有益效果是：一种弹性波CT仪的前置电路系统，当在实际工作需要某种传感器时，可通过转换器模块切换到该种传感器，传感器进行弹性波接收后，经过对应的前置电路对信号进行初步处理，弹性波CT仪再对处理后的信号进行分析，完成检测。本发明可使弹性波CT仪同时适用于动圈式地震检波器、压电晶体型加速度检波器和数字检波器。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明第一前置电路模块的电路原理图；

图2为本发明第二前置电路模块的电路原理图；

图3为本发明第三前置电路模块的电路原理图。

具体实施方式

弹性波CT仪包括弹性波激发、弹性波接收传感器和弹性波数据采集系统三个部分，而弹性波接收传感器主要包括包括动圈式地震检波器、压电晶体型加速度检波器和数字检波器。不同的弹性波接收传感器有不同的技术特点和缺点，具体如下：

动圈式地震检波器的基本工作原理是基于电磁感应，利用上、下两个线圈绕制在铝制线圈架上，组成一个惯性体，由弹簧片悬挂在永久磁铁产生的磁场中，永久磁铁与检波器外壳固定在一起。当检波器外壳随地面震动时，引起线圈相对于永久磁铁运动，两线圈产生感应电动势，感应电动势的大小随检波器外壳振动变化，振动幅度越大，感应电动势也大，反之亦然。在输出端输出相应的电信号，传输给弹性波CT仪。随着弹性波CT技术发展对数据采集质量的要求越来越高，因此动圈式地震检波器暴露的问题也越来越多，主要包括失真度高、一致性差和抗电磁干扰能力不足等。

压电晶体型加速度检波器是以某些物质的压电效应为基础的一种有源传感器。在外力作用下，某些物质变形后其表面会产生电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电状态。室外使用时，检波器与钢筋混凝土结构物耦合，当钢筋混凝土结构物振动时，由于弹簧的刚度较大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性较小。因此质量块感受到与检波器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样质量块就有一个正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片具有压电效应，因此在它的两个表面就产生了交变电荷，利用这种压电效应，压电晶体型加速度检波器将地震波引起的压变效应转变为电信号，传输给弹性波CT仪。压电晶体型加速度检波器存在以下问题：由于是有源检波器，野外使用不方便；一致性不好，而且使用寿命较短。

数字检波器由于输出的是直接数字化的信号，因此称为数字检波器。常规检波器输出的信号都是模拟信号，信号的数字化是在采集站里完成的。由于现在应用的数字检波器都采用MEMS技术，因此也称为MEMS（MICROELECTRON MECHANIC SYSTEM）检波器。数字检波器主要由传感器、专用集成电路ASIC电路和数字信号处理器DSP和其它辅助电路组成。传感器检测大地震动信号，ASIC电路实现对传感器的反馈控制，同时完成信号的模数转换，DSP完成数字滤波，其它辅助电路主要完成供电、提供测试信号、重力方向检测等功能。但数字检波器无环境噪音衰减，环境噪音大时不适用，测量时要求道距更短，需要道数多，成本较高。

在实际工作中可能需要用于不同的传感器，然后业界尚未出现能够使弹性波CT仪同时适用于动圈式地震检波器、压电晶体型加速度检波器和数字检波器的前置电路系统，这就为水电工程检测带来的一定的困难。

一种弹性波CT仪的前置电路系统，包括与动圈式地震检波器相连的第一前置电路模块、与压电晶体型加速度检波器相连的第二前置电路模块和与数字检波器相连的第三前置电路模块，还包括用于切换不同传感器的转换器模块，所述第一前置电路模块包括依次连接的保护单元、第一滤波单元和放大单元，所述第二前置电路模块包括依次连接的电荷放大单元和第二滤波单元，所述第三前置电路模块包括依次连接的共模干扰抑制单元和差模干扰抑制单元。所述转换器模块包括ADG451芯片。当在实际工作需要某种传感器时，可通过转换器模块切换到该种传感器。传感器分别通过第一前置电路模块、第二前置电路模块和第三前置电路模块与弹性波CT仪相连，通过转换器模块的切换，能使得动圈式地震检波器、压电晶体型加速度检波器和数字检波器均能应用于水电工程检测技术领域的弹性波CT检测。

在第一前置电路模块中，所述保护单元包括一个二极管D1，所述第一滤波单元包括电阻R1、R2、R3、R4和电容C1、C2、C3，R1和C1串联后与R2并联，R4和C3串联后与R3并联，所述放大单元包括互相耦合的程控放大器PGA205和运算放大器OP27AH，PGA205的输出端与OP27AH的正相输入端相连，D1与C2并联后再与分别R2和R3连接，C1和C3分别连接PGA205的正相输入端和反相输入端，OP27AH的反相输入端通过电容C4和电阻R5、R6与OP27AH的输出端相连。

由电阻R1、R2、R3、R4和电容C1、C2、C3组成的RC低通滤波电路的主要作用是对输入的模拟信号进行滤波、RC阻抗匹配、压制信号在测线传输中产生的共模信号，提高抗干扰能力。程控放大器PGA205和运算放大器OP27AH采用直接耦合方式。由于动圈式地震检波器源电阻在几百欧姆到几十千欧姆之间，所选择低频端噪声性能较好的可编程增益放大器PGA205，它在低频端具有较低的噪声水平。PGA205作为一个四端网络，通过放大倍数控制端A1、A0可以实现1、2、4、8倍放大，其中引脚A0、A1由单片机控制模块进行控制。模拟信号经过程控放大器输出后，通过运算放大器OP27AH进一步放大，传输到A/D转换电路。

优选地，所述二极管D1采用TVS二极管。TVS二极管具有响应时间短、瞬时功率大、漏电流小、击穿电压比较小、钳位电压易控制、体积小等优点。

在第二前置电路模块中，所述第二前置电路模块包括两个相互连接的第一运放芯片和第二运放芯片，所述电荷放大单元包括第一运放芯片，电容C5通过相互并联的电容C6和电阻R7与第一运放芯片的反相输入端相连，第一运放芯片的正相输入端连接有一可变电阻R8，所述第二滤波单元包括第二运放芯片，所述第二运放芯片的正相输入端通过电阻R9和电容C7与第二运放芯片的输出端连接，所述第二运放芯片的正相输入端还连接有一电容C8。第一运放芯片和第二运放芯片采用CA3140芯片。

电荷放大单元是整个电路的核心，采用高阻运算放大器CA3140将压电晶体型加速度检波器的输出电荷信号Q转换成电压信号V。为了保证精度，反馈电容应采用稳定性及绝缘电阻高的精密聚苯乙烯电容。在CA3140的反向输入端选用0.22μF的电容C5和一个由C6、R7组成的RC电路串联，其作用是消除压电晶体型加速度检波器的零漂；同时为了保护第一运放芯片，在其反相端串接电阻R7，可避免运放第一运放芯片产生自激振荡，在R7两端并联电容C6实现相位补偿。根据运算放大器本身性能，选择正相输入端的可变电阻R8为10kΩ。

压电晶体型加速度检波器是一个弱阻尼的振动系统，其幅频特性在高频段有一个很高的共振峰，该峰值会引起高频噪声，并对信号产生干扰。为此，采用第二滤波单元平衡高频幅频特性。另外，由于电荷放大单元的通频带有时远远高于实际的振动信号频率，因此需要通过二滤波单元滤除高频分量。在C7、C8和R9组成的RC网络上加上第二运放芯片，组成有源RC低通滤波器。有源RC低通滤波器在通带内不但无衰减，而且有一定的增益，其截止频率约40KHz。

为了保证试验时使用不同灵敏度的压电晶体型加速度检波器，不同灵敏度的传感器经过测量电路后有相同的输出，在电荷放大单元后增加一级中间放大单元，此中间放大单元也采用CA3140芯片。

在第三前置电路模块中，所述共模干扰抑制单元包括运算放大器OP279GP，所述差模干扰抑制单元包括相互并联的电容C9和电阻R10，相互并联的C9和R10连接OP279GP的反相输入端和输出端。

在本实施例中，数字检波器以SF1500A为例，但第三前置电路模块还可应用在LIS344ALH等型号的数字检波器上。SF1500A输出的信号包括差模信号电压、差模干扰电压及共模干扰电压三部分。干扰电压中既包含环境噪声、地震干扰波，也包含系统及周边交流供电、天电等供电线感应引入的电压。共模干扰抑制单元利用高共模抑制比OP279GP的前置放大电路等抑制共模干扰电压，利用电容C9和电阻R10组成的滤波电路抑制差模干扰电压。

以上是对发明的较佳实施进行了具体说明，但发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种弹性波CT仪的前置电路系统，其特征在于：包括与动圈式地震检波器相连的第一前置电路模块、与压电晶体型加速度检波器相连的第二前置电路模块和与数字检波器相连的第三前置电路模块，还包括用于切换不同传感器的转换器模块，所述第一前置电路模块包括依次连接的保护单元、第一滤波单元和放大单元，所述第二前置电路模块包括依次连接的电荷放大单元和第二滤波单元，所述第三前置电路模块包括依次连接的共模干扰抑制单元和差模干扰抑制单元；

所述保护单元包括一个二极管D1，所述第一滤波单元包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电容C1、电容C2、电容C3，电阻R1和电容C1串联后与电阻R2并联，电容C1和电容C3串联，且电容C1和电容C3连接的一端接地，电阻R4和电容C3串联后与电阻R3并联，电阻R2和电阻R3串联，且电阻R2和电阻R3连接的一端接地；电容C2和电阻R2、电阻R3并联，二极管D1和电容C2并联；

所述放大单元包括互相耦合的程控放大器PGA205和运算放大器OP27AH，所述程控放大器PGA205的输出端与所述运算放大器OP27AH的正相输入端相连，二极管D1与电容C2并联后再分别与电阻R2和电阻R3连接；电容C1和电阻R1连接的一端连接所述程控放大器PGA205的正相输入端，电容C1的另一端接地；电容C3和电阻R4连接的一端连接所述程控放大器PGA205的反相输入端，电容C3的另一端接地；所述运算放大器OP27AH的反相输入端连接电容C4的一端以及电阻R6的一端，运算放大器OP27AH的输出端连接电容C4的另一端以及电阻R5的一端，电阻R5的另一端连接电阻R6的另一端并输出信号；

所述第二前置电路模块包括两个相互连接的第一运放芯片、第二运放芯片和第三运放芯片，所述电荷放大单元包括第一运放芯片和第二运放芯片，所述第一运放芯片的反相输入端连接有电容C6的一端和电阻R7的一端，电容C6另一端和电阻R7另一端连接有电容C5的一端，所述电容C5的另一端连接输入；所述第一运放芯片的正相输入端连接有一可变电阻R8；所以第二运放芯片的反相输入端连接所述第一运放芯片的输出端；

所述第二滤波单元包括第三运放芯片，所述第三运放芯片和所述第二运放芯片之间连接有电阻R9、电容C7和电容C8，所述第三运放芯片的正相输入端通过电阻R9连接所述第二运放芯片的输出端；电容C7一端与所述第二运放芯片的输出端连接，另一端与所述第三运放芯片的反相输入端连接；所述电容C8的一端连接在电阻R9与第三运放芯片的正相输入端之间，所述电容C8的另一端接地；

所述共模干扰抑制单元包括运算放大器OP279GP，所述差模干扰抑制单元包括相互并联的电容C9和电阻R10，相互并联的电阻C9和电阻R10一端连接所述运算放大器OP279GP的反相输入端，另一端连接所述运算放大器OP279GP的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种弹性波CT仪的前置电路系统，其特征在于：所述二极管D1采用TVS二极管。

3.根据权利要求1所述的一种弹性波CT仪的前置电路系统，其特征在于：第一运放芯片和第二运放芯片采用CA3140芯片。

4.根据权利要求1所述的一种弹性波CT仪的前置电路系统，其特征在于：所述电容C5的大小为0.22μF，所述电阻R8的大小为10kΩ。

5.根据权利要求1所述的一种弹性波CT仪的前置电路系统，其特征在于：所述转换器模块包括ADG451芯片。