CN202075264U - 用于桩基超声波检测的超声波传感器 - Google Patents
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Abstract
一种用于桩基超声波检测的超声波传感器，包括压电晶体换能器、前置处理电路和连接电缆，前置处理电路的输出端与连接电缆连接；前置处理电路包括前置放大电路、带通滤波电路、自动增益控制电路和屏蔽驱动电路，压电晶体换能器的输出端与前置放大电路的输入端连接；压电晶体换能器输出的超声波信号通过前置放大电路放大，并前置放大电路将放大后的超声波信号传输至带通滤波电路；带通滤波电路，对该放大后的超声波信号进行带通滤波；自动增益控制电路对带通滤波电路输出的信号进行幅值控制；带通滤波电路，其输出端与连接电缆连接，用于将经过放大、带通滤波和幅值控制的超声波信号传送至连接电缆。本实用新型可以提高输出信号的抗干扰能力。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种超声波传感器，尤其涉及一种用于桩基超声波检测的收发一体的带前置信号放大和滤波处理的超声波传感器。
背景技术
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的振动频率的机械波，是由换能晶片在电压的激励下发生振动而产生。超声波具有频率高，波长短、绕射现象小，特别是方向性好，能够成为射线而定向传播等特点。
超声波对液体、固定的穿透本领很大，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成回波，该回波碰到运动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波，完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上成为超声换能器，或者超声波探头。
超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声波探头多作探测作用。超声波探头按结构可以分为以下几种：直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一个探头反射、另一个探头接收)等。
基桩超声声波投射法检测采用一种轴向有限长度、单一主频的柱面波，超声波在混凝土中的传播规律服从弹性波的特性，由直达波、绕射波、折射波和反射波构成。波形分析的基本物理量有：1、直达波到达时(波速)；2、波幅(或衰减)；3、接收信号频率变化；4、接收波形畸变。波速只反映透测中线为对象的混凝土性质，而波形和频谱变化不但反映透测对象的混凝土状态，而波形和频谱变化不但反映透测对象的混凝土状态，而且也反映构件边界面及透测范围以外混凝土的状态。由于超声波的绕射波、折射波、反射波的时程，使得接收的波形迭加后变化复杂，不易解读。所以基桩声波透射法检测判定，一般采用了声时和首波波幅两个参数，对波形变化分析要求越来越高，而且测试孔越来越深，高达300米的深孔。
但是普通的超声波探头具有以下不足和缺点：
1、由于接收压电晶体的输出阻抗高，容易受到干扰；
2、由于测试桩孔越来越深，连接电缆也越长，依靠无源的收发一体在长距离传输中，由于接收压电晶体的输出阻抗高，长电缆的分布电容参数变大，导致接收的信号严重畸变失真而无法分析桩基的质量，为建筑基础留下严重的隐患；
3、长电缆的超声信号传输导致信号衰减很大，在接收端必须具有很大的放大倍数，导致噪声也同时放大，导致信噪比降低；
4、长电缆的超声信号传输导致信号衰减很大。
发明内容
针对现有桩基测量超声传感器存在的缺点，本实用新型的目的在于提供一种新型的用于桩基超声波检测的收发一体的带前置信号放大和滤波处理的超声波传感器，解决普通超声传感器采用收发同一压电晶体的输出阻抗高，随着传输电缆延长衰减和畸变的缺点。
为了达到上述目的，本实用新型提供了一种用于桩基超声波检测的超声波传感器，其特征在于，包括压电晶体换能器、前置处理电路和连接电缆，其中，
所述前置处理电路包括前置放大电路和带通滤波电路，其中，
所述前置放大电路和所述带通滤波电路连接；
所述压电晶体换能器的输出端与所述前置放大电路的输入端连接；
所述带通滤波电路的输出端与所述连接电缆连接；
所述压电晶体换能器输出的超声波信号通过所述前置放大电路放大，并所述前置放大电路将放大后的超声波信号传输至所述带通滤波电路；
所述带通滤波电路，对该放大后的超声波信号进行带通滤波，并将带通滤波后的超声波信号传送至所述连接电缆。
实施时，所述带通滤波器，其中心频率为压电晶体换能器输出的超声波信号的谐振峰值频率。
实施时，所述压电晶体换能器为两个，其中，
一个所述压电晶体换能器，为激发压电晶体，用于激发超声波，在高压脉冲波的激励下输出超声波；
另一个所述压电晶体换能器，为接收压电晶体，用于接收超声波信号；
所述接收压电晶体的输出端与所述前置放大电路的输入端连接。
实施时，所述前置处理电路还包括阻抗变换电路；
所述阻抗变换电路，连接于所述压电晶体换能器与所述前置放大电路之间，用于对所述压电晶体换能器输出的超声波信号进行阻抗变换，并将阻抗变换后的超声波信号传输至所述前置放大电路。
实施时，所述前置处理电路还包括输入限幅电路；
所述限幅电路，连接于所述压电晶体换能器与所述前置放大电路之间，用于对所述压电晶体换能器输出的超声波信号进行限幅，并将限幅后的超声波信号传输至所述前置放大电路。
实施时，所述前置处理电路还包括自动增益控制电路；
所述自动增益控制电路，并联于相互串联的所述前置放大电路和所述带通滤波电路的两端，用于对所述滤波电路输出的超声波信号的幅值进行控制。
实施时，所述前置处理电路还包括屏蔽层驱动电路；
所述屏蔽层驱动电路，连接于所述带通滤波电路的输出端与所述连接电缆之间，用于驱动所述连接电缆的屏蔽层。
实施时，本实用新型所述的用于桩基超声波检测的超声波传感器，其特征在于，其还包括采用防水结构的不锈钢外壳，所述压电晶体换能器和所述前置处理电路设于所述不锈钢外壳中，所述不锈钢外壳在螺纹连接部分采用环氧树脂密封。
与现有技术相比，本实用新型所述的用于桩基超声波检测的超声波传感器，将压电晶体换能器输出的超声波信号经过前置放大器放大，并采用带通滤波电路，带通滤波电路的中心频率在接受晶体谐振频率，这样大大提高输出信号的抗干扰能力。
附图说明
图1是本实用新型所述的用于桩基超声波检测的超声波传感器的一种具体实施方式的结构图；
图2是本实用新型所述的用于桩基超声波检测的超声波传感器的一种具体实施方式的前置处理电路的结构图；
图3A是本实用新型所述的用于桩基超声波检测的超声波传感器的前置处理电路的一具体实施例的稳压电源部分的电路图；
图3B是本实用新型所述的用于桩基超声波检测的超声波传感器的前置处理电路的一具体实施例的主体部分电路图。
具体实施方式
本实用新型提供了一种用于桩基超声波检测的超声波传感器，包括压电晶体换能器、前置处理电路和输出超声波信号的连接电缆。
如图1所示，根据一种具体实施方式，本实用新型所述的用于桩基超声波检测的超声波传感器采用两个压电晶体换能器，其中，
一个压电晶体换能器，为激发压电晶体1，用于激发超声波，在高压脉冲波的激励下输出超声波；
另一个压电晶体换能器，为接收压电晶体2，用于接收超声波信号；
该用于桩基超声波检测的超声波传感器还包括前置处理电路3、透声胶4、不锈钢外壳5和连接电缆6；
其中，
所述接收压电晶体2的输出端与所述前置处理电路3的输入端连接；
所述激发压电晶体1、所述接收压电晶体2和所述前置处理电路3设于所述不锈钢外壳5中；
所述前置处理电路3的输出端与所述连接电缆6连接，经过前置处理后的超声波信号从连接电缆6差分输出，便于远距离传输信号；
在不锈钢外壳5与激发压电晶体1、接收压电晶体2之间填充充透声胶，以降低超声波在收发过程衰减作用。
该接收压电晶体2将该超声波信号输出至前置处理电路3；
所述前置处理电路3中的U2B运算放大器对该超声波信号进行阻抗变换和放大，再进行滤波；
所述前置处理电路3中的滤波电路设计为窄带通滤波器，其中心频率为激发压电晶体1输出的超声波信号的谐振峰值频率，以保证经过滤波后得到的放大的超声波信号为激发压电晶体1激发输出的超声波信号，这样提高了超声波传感器接收的灵敏度和信噪比，确保用于桩基完整性检测的超声波传感器真正满足国家有关检测规程和规范的基本要求，使得检测评定具有科学性和准确性，特别是在几十米到几百米的长桩基中，由于接收压电晶体2超声波信号经过所述前置处理电路3的U2B运算放大器进行阻抗变换、放大并滤波，使得经所述前置处理电路3处理后的超声波信号具有低阻抗、抗干扰和传输距离远的特点；
所述不锈钢外壳5采用防水结构，在所有的螺纹连接部分采用环氧树脂密封。
如图2所示，所述前置处理电路包括限幅电路21、阻抗变换电路22、前置放大电路23、带通滤波电路24、自动增益控制电路25和屏蔽层驱动电路26，其中，
所述限幅电路21、所述阻抗变换电路22、所述前置放大电路23、所述带通滤波电路24和所述屏蔽层驱动电路26依次电连接；
所述自动增益控制电路25，并联于相互串联的所述前置放大电路23和所述带通滤波电路24的两端；
所述接收压电晶体2的输出端与所述限幅电路21的输入端连接；
所述屏蔽层驱动电路26的输出端与所述连接电缆6连接；
所述限幅电路21，用于对所述接收压电晶体2输出的超声波信号进行限幅，并将限幅后的超声波信号传输至所述阻抗变换电路22；
所述阻抗变换电路22，用于对所述限幅电路21输出的超声波信号进行阻抗变换，并将阻抗变换后的超声波信号传输至所述前置放大电路23；
所述阻抗变换电路22输出的超声波信号通过所述前置放大电路23放大，并所述前置放大电路23将放大后的超声波信号传输至所述带通滤波电路24；
所述带通滤波电路24，对该放大后的超声波信号进行带通滤波，并将带通滤波后的超声波信号传送至所述屏蔽层驱动电路26；
所述自动增益控制电路25，用于对所述带通滤波电路24输出的超声波信号的幅值进行控制；
所述屏蔽层驱动电路26，用于驱动所述连接电缆6的屏蔽层。
如图3A、图3B所示，为所述前置处理电路3的一种具体实施方式的电路图，所述前置处理电路3利用低电压和低功耗的轨对轨输出运算放大器MC33204来实现信号处理功能，包含四个放大器：放大器U2A、放大器U2B、放大器U2C和放大器U2D，其中，放大器U2A是型号为MC78L08CP的放大器，放大器U2B、放大器U2C和放大器U2D是型号为MC33204的放大器。
如图3A所示，为所述前置处理电路3的稳压电源部分的电路图，由输入电源12V电源，经过电阻R17、电阻R18、电容C18和电容C19滤波后，进入放大器U1稳压输出8V电压，输出8V电压再经过电容C16和电容C17滤波。该8V电压经过R15和R16分压得到4V的电压，4V的电压经过放大器U2A的跟随器作用，输出电压经R14和电容C14的限流和滤波作用后，作为单电源提供整个信号处理电路的直流偏置电压和经过R11驱动输出超声波信号的连接电缆6的屏蔽层，减少信号在长达上百米电缆分布电容引起的信号衰减和失真。
如图3B所示，接收压电晶体2接收的超声波信号从接插件J1输入，输入电路由二极管D1、二极管D2、电阻R2、电容C2和电阻R1组成。其中二极管D1和二极管D2起到限幅作用，电阻R2和电容C1组成一阶低通滤波器，设置截止频率在100KHz左右，因为接收压电晶体2的谐振频率在48KHz。电阻R1为输入信号提供4V的直流偏置电压。电容C2为隔断输入信号的直流成分。放大器U2B、电阻R3、电阻R4和电容C4组成第一级同相高阻抗的放大，放大倍数在11倍左右。电容C3为隔断放大后信号的直流成分。电阻R5、三极管Q1、电阻R13、电容C13、D3、电阻R12和W1组成自动增益控制电路。放大器U2C和放大器U2D组成两级低通滤波器和放大器。最终放大滤波的信号一路经过电容C11和电容C10输出，同时经过电阻R12和电位器W1分压后，由二极管D3和电容C13的幅值检波得到与幅值相关的直流电压，经过电阻R13加到三极管Q1的基极，使得三极管Q1工作在线性区，与电阻R5组成分压电路。自动增益的起控点由电位器W1调节，在小信号幅值时不起控，在大信号幅值时自动减低放大倍数，防止大信号幅值饱和失真。U2C、电容C6、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C7和U2D、C8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C9组成两级低通滤波器和放大器。电阻R7、电容C7和电阻R10、电容C9确定低通滤波器的截止频率，在100KHz左右。电阻R8和电阻R11提供直流偏置电压。电容C6、电容C8、电容C10和电容C11隔断放大后信号的直流成分。
本实用新型所述的用于桩基超声波检测的超声波传感器具有以下优点：
1.收发超声压电晶体采用不同的晶体，分为激发压电晶体和接收压电晶体。
2.接收压电晶体的输出超声信号通过前置放大器放大，并采用自动增益控制电路控制输出信号的幅值，防止饱和失真，输出恒定幅值的接收信号。
3.接收压电晶体的输出超声信号通过前置放大器放大，采用带通滤波电路，带通滤波电路的中心频率在接受晶体谐振频率，这样大大提高输出信号的抗干扰能力。
4.在超声传感器的接收端就地放大和滤波的超声信号，采用屏蔽层驱动的方法，提高信号传输距离，提高在传输过程中的抗干扰能力。
5.该不锈钢外壳并采用防水结构，在所有的螺纹连接部分采用环氧树脂密封，能够承受60MPa的水压，满足长桩基测量的要求。
应用实例
该传感器可以使用到基桩超声声波透射法检测中，发射一种轴向有限长度、单一主频的柱面波，超声波在混凝土中的传播规律服从弹性波的持性，由直达波、绕射波、折射波和反射波构成。从该传感器接收的波形可以清晰地分析1.直达波到达时(波速)；2.波幅(或衰减)；3.接收信号频率变化；4.接收波形畸变。采用新型的传感器可以测试300米的基桩深孔。
以上所述实施例，只是本实用新型较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本实用新型技术方案范围内进行的通常变化和替换，在本实用新型技术方案的基础上，凡根据本实用新型原理对个别部分进行的改变和等同变换都应包含在本实用新型技术方案的保护范围内。
Claims (8)
1.一种用于桩基超声波检测的超声波传感器，其特征在于，包括压电晶体换能器、前置处理电路和连接电缆，其中，
所述前置处理电路包括前置放大电路和带通滤波电路，其中，
所述前置放大电路和所述带通滤波电路连接；
所述压电晶体换能器的输出端与所述前置放大电路的输入端连接；
所述带通滤波电路的输出端与所述连接电缆连接；
所述压电晶体换能器输出的超声波信号通过所述前置放大电路放大，并所述前置放大电路将放大后的超声波信号传输至所述带通滤波电路；
所述带通滤波电路，对该放大后的超声波信号进行带通滤波，并将带通滤波后的超声波信号传送至所述连接电缆。
2.如权利要求1所述的用于桩基超声波检测的超声波传感器，其特征在于，所述带通滤波器，其中心频率为压电晶体换能器输出的超声波信号的谐振峰值频率。
3.如权利要求1所述的用于桩基超声波检测的超声波传感器，其特征在于，所述压电晶体换能器为两个，其中，
一个所述压电晶体换能器，为激发压电晶体；
另一个所述压电晶体换能器，为接收压电晶体；
所述接收压电晶体的输出端与所述前置放大电路的输入端连接。
4.如权利要求1所述的用于桩基超声波检测的超声波传感器，其特征在于，所述前置处理电路还包括阻抗变换电路；
所述阻抗变换电路，连接于所述压电晶体换能器与所述前置放大电路之间，用于对所述压电晶体换能器输出的超声波信号进行阻抗变换，并将阻抗变换后的超声波信号传输至所述前置放大电路。
5.如权利要求4所述的用于桩基超声波检测的超声波传感器，其特征在于，所述前置处理电路还包括限幅电路；
所述限幅电路，连接于所述压电晶体换能器与所述阻抗变换电路之间，用于对所述压电晶体换能器输出的超声波信号进行限幅，并将限幅后的超声波信号传输至所述阻抗变换电路。
6.如权利要求1所述的用于桩基超声波检测的超声波传感器，其特征在于，所述前置处理电路还包括自动增益控制电路；
所述自动增益控制电路，并联于相互串联的所述前置放大电路和所述带通滤波电路的两端。
7.如权利要求1所述的用于桩基超声波检测的超声波传感器，其特征在于，所述前置处理电路还包括屏蔽层驱动电路；
所述屏蔽层驱动电路，连接于所述带通滤波电路的输出端与所述连接电缆之间。
8.如权利要求1所述的用于桩基超声波检测的超声波传感器，其特征在于，其还包括采用防水结构的不锈钢外壳，所述压电晶体换能器和所述前置处理电路设于所述不锈钢外壳中，所述不锈钢外壳在螺纹连接部分采用环氧树脂密封。
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