CN106770660A - 一种高精度的应力波信号采集方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度的应力波信号采集方法及设备，其设备包括激励装置、压电传感器、信号放大电路和低通滤波电路，以及电压比较电路、程控放大电路、A/D转换器和FPGA控制器。该设备使用信号放大电路对采集到的应力波信号进行放大，使用滤波电路去除被放大的噪声信号和外部干扰信号，可以根据应力波信号的强弱及时调整放大器增益，进行无失真采样，使用程控放大电路解决信号的宽范围问题，提高A/D转换的有效精度，使反射信号容易识别，可为锚杆质量分析提供依据。
Description
技术领域
本发明属于应力波信号采集技术领域，具体是一种高精度的应力波信号采集方法及设备。
背景技术
锚杆支护作为围岩的一种加固技术，已成为煤矿巷道首选的、安全高效的支护方式。锚杆锚固工程不但具有复杂性，还具有高度的隐蔽性，发现质量问题难，事故处理更难。因此提高锚杆检测工作的质量和可靠性，有利于确保锚杆锚固工作的质量与安全。目前，随着无损检测技术的发展，应力波反射法在锚杆质量检测中得到了广泛的应用，利用小锤敲击锚杆端头产生应力波，应力波信号沿着锚杆水平传播，在介质交接的地方，波阻抗会改变，应力波会发生反射、透射和散射。通过分析反射波的波幅、相位特征和相应的传播时间，即可判断锚杆锚固的质量。
目前应力波采集方法及设备，存在信号采集精度低、信噪比低、动态范围小的缺点，采集到的应力波反射信号不明显或者不显现，使得锚杆体的反射信号识别变得困难，不能正确的对锚杆进行质量分析。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种高精度的应力波信号采集方法及设备，该采集方法适用于大动态范围的应力波信号采集，具有很高的分辨率，可以较好的还原弱信号；该设备小巧，可方便携带，灵敏度高、抗干扰能力强，适合于在多种复杂环境条件下使用。
实现本发明目的的技术方案是：
一种高精度的应力波信号采集方法，具体包括如下步骤：
(1)使用激励装置敲击锚杆，产生应力波信号；
(2)采用压电传感器采集敲击产生的应力波信号；
(3)应力波信号进入信号放大电路对信号进行放大；
(4)放大后的信号进入低通滤波电路，滤除干扰信号；
(5)低通滤波电路的输出信号一方面送入电压比较电路，另一方面送入程控放大电路；
(6)电压比较电路根据滤波后的信号与基准电压进行比较，比较后输出的高电平或低电平送入FPGA控制器；
(7)FPGA控制器根据得到的高电平或低电平，将编码值A0、A1发送给程控放大电路。
(8)程控放大电路接收FPGA控制器发送的编码值A0、A1，确定自身的增益值后，将信号再次放大，送入A/D转换器，经AD转换后的数字信号，送入FPGA控制器进行数据处理；
所述步骤(1)中，激振装置为激励小锤。
所述步骤(8)中，程控放大电路的增益值确定方法为，若A0＝0，A1＝0，程控放大电路放大倍数为1；若A0＝1，A1＝0，程控放大电路放大倍数为10；若A0＝0，A1＝1，程控放大电路放大倍数为100。
一种高精度的应力波信号采集设备，包括顺序连接的激励装置、压电传感器、信号放大电路和低通滤波电路，还包括电压比较电路、程控放大电路、A/D转换器和FPGA控制器；低通滤波电路信号输出端分别与电压比较电路、程控放大电路连接，FPGA控制器分别与电压比较电路、程控放大电路和A/D转换器连接，程控放大电路还与A/D转换器连接。
所述的信号放大电路，包括第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻和第七电阻；第一运算放大器的正输入端与压电传感器的正输出端连接，第一运算放大器的负输入端分别与第一电阻、第二电阻的一端连接；第一电阻的另一端与第二运算放大器的负输入端连接，还与第三电阻的一端连接；第二电阻的另一端与第一运算放大器的信号输出端连接；第一运算放大器的信号输出端还与第四电阻的一端连接；第四电阻的另一端与第六电阻的一端连接，还与第三运算放大器的负输入端连接；第六电阻的另一端与第三运算放大器的信号输出端连接；第三运算放大器的信号输出端输出放大信号Vout3；第二运算放大器的正输入端与压电传感器的负输出端连接，信号输出端与第三电阻的另一端连接，还与第五电阻的一端连接；第五电阻的另一端与第三运算放大器的正输入端连接，还与第七电阻的一端连接；第七电阻的另一端与GND连接。
所述的信号放大电路为两级放大电路，第一级电路的放大增益为G1＝1+2R3/R1，第二级放大增益，G2＝R6/R4，则信号放大电路的增益为G＝G1*G2＝(1+2R3/R1)*R6/R4。
所述的低通滤波电路，包括第八电阻、第九电阻、第一电容、第二电容和第四运算放大器；第八电阻的一端与信号放大电路的第三运算放大器的信号输出端连接，另一端分别与第九电阻和第一电容的一端连接；第九电阻的另一端分别与第二电容的一端和第四运算放大器的正输入端连接；第一电容的另一端分别与第四运算放大器的负输入端、信号输出端连接；第二电容的另一端与GND连接。
所述的第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器和第四运算放大器，1管脚接+5V电压，2管脚接-5V电压。
所述的电压比较电路，包括第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第五运算放大器和第六运算放大器；第十一电阻的一端接+5V电压，另一端与第五运算放大器正输入端和第十电阻的一端连接；第十电阻的另一端接GND；第十二电阻的一端与低通滤波电路的第四运算放大器的信号输出端连接，另一端与第五运算放大器的负输入端连接；第十三电阻的一端接+5V电压，另一端与第五运算放大器的信号输出端连接；
第十五电阻的一端接+5V电压，另一端与第六运算放大器正输入端和第十四电阻的一端连接；第十四电阻的另一端接GND；第十六电阻的一端与低通滤波电路的第四运算放大器的信号输出端连接，另一端与第六运算放大器的负输入端连接；第十七电阻的一端接+5V电压，另一端与第六运算放大器的信号输出端连接。
所述的第五运算放大器和第六运算放大器，1管脚接+5V电压，3管脚接GND，输出的信号发送至FPGA控制器。
所述的电压比较电路的输出信号为，当其“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，输出端为高电平，表示当前输入电压低于比较器的比较电压；当它的“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，输出端为低电平，表示当前输入电压高于比较器的比较电压；根据滤波电路输出的信号Vout4与V1、V2的电压大小关系，得到C0、C1的值，并将C0、C1值送入FPGA控制器进行增益编码。
所述的程控放大电路，包括第七运算放大器、第八运算放大器、第十八电阻、第十九电阻和第二十电阻；第七运算放大器的正输入端与第四运算放大器的信号输出端连接，负输入端与GND连接，信号输出端与第二十电阻的一端连接；第二十电阻的另一端与第八运算放大器的负输入端连接；第十八电阻的一端与GND连接，另一端与第八运算放大器的正输入端和第十九电阻的一端连接；第十九电阻的另一端与第八运算放大器的信号输出端连接；第八运算放大器的信号输出端与A/D转换器连接。
所述的第七运算放大器为可编程增益放大器，3管脚接GND，4管脚与第七运算放大器信号输出端连接，5管脚接A1，6管脚接A0。
所述的A0、A1为FPGA控制器发送的编码值。
所述程控放大电路的增益值，若A0＝0，A1＝0，程控放大电路放大倍数为1；若A0＝1，A1＝0，程控放大电路放大倍数为10；若A0＝0，A1＝1，程控放大电路放大倍数为100。
本发明提供了一种高精度的应力波信号采集方法及设备，使用两级放大电路放大应力波信号，使用滤波电路去除被放大的噪声信号和外部干扰信号，使用程控放大电路解决信号的宽范围问题，提高A/D转换的有效精度。与传统的应力波信号采集设备相比，该设备可根据应力波信号的强弱及时调整放大器增益，对采集信号进行滤波，有效降低噪声干扰，提高信号采集的可靠性，可用于锚杆检测中应力波信号的采集，适用于大动态范围的应力波信号采集，同时具有较高的分辨率，能对强弱不同的应力波信号进行无失真采样，使反射信号容易识别，检测精度高，可为锚杆质量分析提供依据；也可用于木材中或输油管道中应力波信号的采集，检测木材的尺寸、规格和基本物理性质，或检测输油管道是否泄漏。
说明附图
图1为本发明应力波信号采集装置结构框图；
图2为信号放大电路图；
图3为低通滤波电路图；
图4为电压比较电路图；
图5为程控放大电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
一种高精度的应力波信号采集方法，具体包括如下步骤：
(1)使用激励装置敲击锚杆，产生应力波信号；
(2)采用压电传感器采集敲击产生的应力波信号；
(3)应力波信号进入信号放大电路对信号进行放大；
(4)放大后的信号进入低通滤波电路，滤除干扰信号；
(5)低通滤波电路的输出信号Vout4一方面送入电压比较电路，另一方面送入程控放大电路；
(6)电压比较电路根据滤波后的信号与基准电压进行比较，比较后输出的高电平或低电平送入FPGA控制器；
(7)FPGA控制器根据得到的高电平或低电平，将编码值A0、A1发送给程控放大电路。
(8)程控放大电路接收FPGA控制器发送的编码值A0、A1，确定自身的增益值后，将信号再次放大，送入A/D转换器，经AD转换后的数字信号，送入FPGA控制器进行数据处理。
所述步骤(1)中，激振装置为激励小锤。
所述步骤(8)中，程控放大电路的增益值确定方法，若A0＝0，A1＝0，程控放大电路放大倍数为1；若A0＝1，A1＝0，程控放大电路放大倍数为10；若A0＝0，A1＝1，程控放大电路放大倍数为100。
如图1所示，一种高精度的应力波信号采集设备，包括顺序连接的激励装置1、压电传感器2、信号放大电路3和低通滤波电路4，还包括电压比较电路5、程控放大电路7、A/D转换器8和FPGA控制器6；低通滤波电路4信号输出端分别与电压比较电路5、程控放大电路7连接，FPGA控制器6分别与电压比较电路5、程控放大电路7和A/D转换器8连接，程控放大电路7还与A/D转换器8连接。
如图2所示，所述的信号放大电路3，包括第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和第七电阻R7；第一运算放大器U1的正输入端与压电传感器2的正输出端连接，第一运算放大器U1的负输入端分别与第一电阻R1、第二电阻R2的一端连接；第一电阻R1的另一端与第二运算放大器U2的负输入端连接，还与第三电阻R3的一端连接；第二电阻R2的另一端与第一运算放大器U1的信号输出端连接；第一运算放大器U1的信号输出端还与第四电阻R4的一端连接；第四电阻R4的另一端与第六电阻R6的一端连接，还与第三运算放大器U3的负输入端连接；第六电阻R6的另一端与第三运算放大器U3的信号输出端连接；第三运算放大器U3的信号输出端输出放大信号Vout3；第二运算放大器U2的正输入端与压电传感器2的负输出端连接，信号输出端与第三电阻R3的另一端连接，还与第五电阻R5的一端连接；第五电阻R5的另一端与第三运算放大器U3的正输入端连接，还与第七电阻R7的一端连接；第七电阻R7的另一端与GND连接。
所述的信号放大电路为两级放大电路，第一级电路的放大增益为G1＝1+2R3/R1，第二级放大增益，G2＝R6/R4，则信号放大电路的增益为G＝G1*G2＝(1+2R3/R1)*R6/R4。
如图3所示，所述的低通滤波电路4，包括第八电阻R8、第九电阻R9、第一电容C1、第二电容C2和第四运算放大器U4；第八电阻R8的一端与信号放大电路3的第三运算放大器U3的信号输出端连接，另一端分别与第九电阻R9和第一电容C1的一端连接；第九电阻R9的另一端分别与第二电容C2的一端和第四运算放大器U4的正输入端连接；第一电容C1的另一端分别与第四运算放大器U4的负输入端、信号输出端连接；第二电容C2的另一端与GND连接。
所述的第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3和第四运算放大器U4，1管脚接+5V电压，2管脚接-5V电压。
如图4所示，所述的电压比较电路5，包括第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第十七电阻R17、第五运算放大器U5和第六运算放大器U6；第十一电阻R11的一端接+5V电压，另一端与第五运算放大器U5正输入端和第十电阻R10的一端连接；第十电阻R10的另一端接GND；第十二电阻R12的一端与低通滤波电路4的第四运算放大器U4的信号输出端连接，另一端与第五运算放大器U5的负输入端连接；第十三电阻R13的一端接+5V电压，另一端与第五运算放大器U5的信号输出端连接；
第十五电阻R15的一端接+5V电压，另一端与第六运算放大器U6正输入端和第十四电阻R14的一端连接；第十四电阻R14的另一端接GND；第十六电阻R16的一端与低通滤波电路4的第四运算放大器U4的信号输出端连接，另一端与第六运算放大器U6的负输入端连接；第十七电阻R17的一端接+5V电压，另一端与第六运算放大器U6的信号输出端连接。
所述的第五运算放大器U5和第六运算放大器U6，1管脚接+5V电压，3管脚接GND，输出的信号发送至FPGA控制器6。
所述的电压比较电路的输出信号为，当其“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，输出端为高电平，表示当前输入电压低于比较器的比较电压；当它的“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，输出端为低电平，表示当前输入电压高于比较器的比较电压；根据滤波电路输出的信号Vout4与V1、V2的电压大小关系，得到C0、C1的值，并将C0、C1值送入FPGA控制器进行增益编码。
如图5所示，所述的程控放大电路7，包括第七运算放大器U7、第八运算放大器U8、第十八电阻R18、第十九电阻R19和第二十电阻R20；第七运算放大器U7的正输入端与第四运算放大器U4的信号输出端连接，负输入端与GND连接，信号输出端与第二十电阻R20的一端连接；第二十电阻R20的另一端与第八运算放大器U8的负输入端连接；第十八电阻R18的一端与GND连接，另一端与第八运算放大器U8的正输入端和第十九电阻R19的一端连接；第十九电阻R19的另一端与第八运算放大器U8的信号输出端连接；第八运算放大器U8的信号输出端与A/D转换器连接。
所述的第七运算放大器U7为可编程增益放大器，3管脚接GND，4管脚与第七运算放大器U7信号输出端连接，5管脚接A1，6管脚接A0。
所述的A0、A1为FPGA控制器6发送的编码值。
所述程控放大电路7的增益值，若A0＝0，A1＝0，程控放大电路7放大倍数为1；若A0＝1，A1＝0，程控放大电路7放大倍数为10；若A0＝0，A1＝1，程控放大电路7放大倍数为100。
Claims (10)
1.一种高精度的应力波信号采集方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)使用激励装置敲击锚杆，产生应力波信号；
(2)采用压电传感器采集敲击产生的应力波信号；
(3)应力波信号进入信号放大电路对信号进行放大；
(4)放大后的信号进入低通滤波电路，滤除干扰信号；
(5)低通滤波电路的输出信号一方面送入电压比较电路，另一方面送入程控放大电路；
(6)电压比较电路根据滤波后的信号与基准电压进行比较，比较后输出的高电平或低电平送入FPGA控制器；
(7)FPGA控制器根据得到的高电平或低电平，将编码值A0、A1发送给程控放大电路。
(8)程控放大电路接收FPGA控制器发送的编码值A0、A1，确定自身的增益值后，将信号再次放大，送入A/D转换器，经AD转换后的数字信号，送入FPGA控制器进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，激振装置为激励小锤。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(8)中，程控放大电路的增益值确定方法为，若A0＝0，A1＝0，程控放大电路放大倍数为1；若A0＝1，A1＝0，程控放大电路放大倍数为10；若A0＝0，A1＝1，程控放大电路放大倍数为100。
4.一种高精度的应力波信号采集设备，其特征在于，包括顺序连接的激励装置、压电传感器、信号放大电路和低通滤波电路，还包括电压比较电路、程控放大电路、A/D转换器和FPGA控制器；低通滤波器信号输出端分别与电压比较电路、程控放大电路连接，FPGA控制器分别与电压比较电路、程控放大电路和A/D转换器连接，程控放大电路还与A/D转换器连接。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述的信号放大电路，包括第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻和第七电阻；第一运算放大器的正输入端与压电传感器的正输出端连接，第一运算放大器的负输入端分别与第一电阻、第二电阻的一端连接；第一电阻的另一端与第二运算放大器的负输入端连接，还与第三电阻的一端连接；第二电阻的另一端与第一运算放大器的信号输出端连接；第一运算放大器的信号输出端还与第四电阻的一端连接；第四电阻的另一端与第六电阻的一端连接，还与第三运算放大器的负输入端连接；第六电阻的另一端与第三运算放大器的信号输出端连接；第三运算放大器的信号输出端输出放大信号Vout3；第二运算放大器的正输入端与压电传感器的负输出端连接，信号输出端与第三电阻的另一端连接，还与第五电阻的一端连接；第五电阻的另一端与第三运算放大器的正输入端连接，还与第七电阻的一端连接；第七电阻的另一端与GND连接。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述的信号放大电路为两级放大电路，第一级电路的放大增益为G1＝1+2R3/R1，第二级放大增益，G2＝R6/R4，则信号放大电路的增益为G＝G1*G2＝(1+2R3/R1)*R6/R4。
7.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述的低通滤波电路，包括第八电阻、第九电阻、第一电容、第二电容和第四运算放大器；第八电阻的一端与信号放大电路的第三运算放大器的信号输出端连接，另一端分别与第九电阻和第一电容的一端连接；第九电阻的另一端分别与第二电容的一端和第四运算放大器的正输入端连接；第一电容的另一端分别与第四运算放大器的负输入端、信号输出端连接；第二电容的另一端与GND连接；所述的信号放大电路的第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器和低通滤波电路的第四运算放大器，1管脚接+5V电压，2管脚接-5V电压。
8.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述的电压比较电路，包括第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第五运算放大器和第六运算放大器；第十一电阻的一端接+5V电压，另一端与第五运算放大器正输入端和第十电阻的一端连接；第十电阻的另一端接GND；第十二电阻的一端与低通滤波电路的第四运算放大器的信号输出端连接，另一端与第五运算放大器的负输入端连接；第十三电阻的一端接+5V电压，另一端与第五运算放大器的信号输出端连接；
第十五电阻的一端接+5V电压，另一端与第六运算放大器正输入端和第十四电阻的一端连接；第十四电阻的另一端接GND；第十六电阻的一端与低通滤波电路的第四运算放大器的信号输出端连接，另一端与第六运算放大器的负输入端连接；第十七电阻的一端接+5V电压，另一端与第六运算放大器的信号输出端连接；
所述的第五运算放大器和第六运算放大器，1管脚接+5V电压，3管脚接GND，输出的信号发送至FPGA控制器。
9.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述的电压比较电路的输出信号为，当其“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，输出端为高电平，表示当前输入电压低于比较器的比较电压；当它的“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，输出端为低电平，表示当前输入电压高于比较器的比较电压；根据滤波电路输出的信号Vout4与V1、V2的电压大小关系，得到C0、C1的值，并将C0、C1值送入FPGA控制器进行增益编码。
10.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述的程控放大电路，包括第七运算放大器、第八运算放大器、第十八电阻、第十九电阻和第二十电阻；第七运算放大器的正输入端与第四运算放大器的信号输出端连接，负输入端与GND连接，信号输出端与第二十电阻的一端连接；第二十电阻的另一端与第八运算放大器的负输入端连接；第十八电阻的一端与GND连接，另一端与第八运算放大器的正输入端和第十九电阻的一端连接；第十九电阻的另一端与第八运算放大器的信号输出端连接；第八运算放大器的信号输出端与A/D转换器连接；
所述的第七运算放大器为可编程增益放大器，3管脚接GND，4管脚与第七运算放大器信号输出端连接，5管脚接A1，6管脚接A0；
所述的A0、A1为FPGA控制器发送的编码值。
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2017
- 2017-01-20 CN CN201710044830.8A patent/CN106770660A/zh active Pending
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