CN212301427U - 一种基于超声波法的锚杆回波采集装置 - Google Patents
一种基于超声波法的锚杆回波采集装置 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种基于超声波法的锚杆回波采集装置，包括STM微控制器模块、光耦隔离驱动模块、高压负脉冲生成模块、收发一体传感器、信号钳位与放大模块、信号滤波与衰减模块、AD转换模块、显示模块、无线网络模块和SD卡数据存储模块；STM微控制器模块分别与信号滤波与衰减模块、AD转换模块、显示模块、无线网络模块和SD卡数据存储模块和光耦隔离驱动模块连接；光耦隔离驱动模块还与高压负脉冲生成模块连接，高压负脉冲生成模块分别与收发一体传感器、信号钳位与放大模块连接，收发一体传感器还与信号钳位与放大模块连接；信号钳位与放大模块与信号滤波与衰减模块连接；信号滤波与衰减模块与AD转换模块连接；无线网络模块还与服务器连接。
Description
技术领域
本实用新型涉及锚杆质量检测技术领域，具体是一种基于超声波法的锚杆回波采集装置。
背景技术
锚杆支护是应用在基础建设工程上的一种广泛应用技术，可以使整个周围岩土更加稳定可靠，现有锚杆质量的检测方法分为有损检测和无损检测，有损检测优点是直观、准确，但属于破坏性检测法，且操作复杂、开销大、工作量大；无损检测法当前主要采用应力波法和超声波法，其中应力波法在使用时需要操作人员手动使用敲击锤作为激励，存在一定的人为误差且不宜探测较深的锚杆，而超声波法无需使用敲击锤激励，操作更为便捷，探测深度更广。现有超声波法的全波形回波采集设备由于对微控制器性能有较高的要求，普遍存在成本高的问题，非全波形采集的设备主要对回波采用比较和计时的方法检测锚杆质量，虽然成本相对较低，但对锚杆质量检测的准确性远比不上全波形采集的设备。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种基于超声波法的锚杆回波采集装置。
实现本实用新型目的的技术方案是：
一种基于超声波法的锚杆回波采集装置，包括STM微控制器模块、光耦隔离驱动模块、高压负脉冲生成模块、收发一体传感器、信号钳位与放大模块、信号滤波与衰减模块、AD转换模块、显示模块、无线网络模块和SD卡数据存储模块；STM微控制器模块分别与信号滤波与衰减模块、AD转换模块、显示模块、无线网络模块和SD卡数据存储模块和光耦隔离驱动模块连接；光耦隔离驱动模块的信号输出端与高压负脉冲生成模块的信号输入端连接，高压负脉冲生成模块的信号输出端与收发一体传感器、信号钳位与放大模块输入端连接，收发一体传感器的信号输出端还与信号钳位与放大模块的信号输入端连接；信号钳位与放大模块的信号输出端与信号滤波与衰减模块的信号输入端连接；信号滤波与衰减模块的信号输出端与AD转换模块的信号输入端连接；无线网络模块还与上位机中的服务器连接。
所述的STM微控制器模块是基于STM32F407ZET6芯片的微控制器，通过DCMI接口与AD转换模块连接，通过SPI接口与SD卡数据存储模块连接，通过FSMC接口与显示模块连接，通过USART4接口与无线网络模块连接。
所述的收发一体传感器是谐振频率为2.5MHz的单晶超声换能器。
所述的光耦隔离驱动模块，是基于TLP250芯片的光耦隔离驱动电路。
所述的信号钳位与放大模块，是基于低噪运放芯片AD8099、快恢复二极管FR107以及BZT52C3V3稳压管的电路；电路将输入信号钳位在正负4.6V以内避免输入电压过高损坏后级放大环节，放大环节是一个放大约22.36倍的同相比例运算放大电路。
所述的信号滤波与衰减模块，是基于5阶带通无源LC滤波器和数字电位器X9C104芯片的电路，其中带通滤波器的中心频率2.5MHz，1dB带宽为250KHz。
所述的AD转换模块，是基于AD9283芯片的数据转换模块
所述的显示模块，为TFT液晶显示器。
所述的上位机中的服务器，属于现有技术。
本实用新型提供的一种基于超声波法的锚杆回波采集装置，该装置支持回波全波形采集和波形存储，具有成本低，采样率高，精度高，准确性高等优点，具体是该装置采用基于STM32F407ZET6芯片的微控制器，使用其DCMI接口读取AD转换数据，相比现有全波形采集卡，能够在满足高采样率的前提下，具有更低的成本；新增支持网络功能，因此采集卡除了能够在本地对数据进行常规分析以外，还能够通过网络将采集到的回波数据以文件形式上传至服务器并对数据进行神经网络分析，且能接收来自服务器下发的结论数据，提高了锚杆质量检测的准确性。
附图说明
图1为一种基于超声波法的锚杆回波采集装置的结构框图；
图2为STM微控制器模块、AD转换模块和SD卡数据存储模块的电路原理图；
图3为STM微控制器模块、显示模块和无线网络模块的电路原理图；
图4为光耦隔离驱动模块和高压负脉冲生成模块的电路原理图；
图5为信号钳位与放大模块的电路原理图；
图6为信号滤波与衰减模块的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型内容做进一步阐述，但不是对本实用新型的限定。
实施例：
如图1所示，一种基于超声波法的锚杆回波采集装置，包括STM微控制器模块、光耦隔离驱动模块、高压负脉冲生成模块、收发一体传感器、信号钳位与放大模块、信号滤波与衰减模块、AD转换模块、显示模块、无线网络模块和SD卡数据存储模块；STM微控制器模块分别与信号滤波与衰减模块、AD转换模块、显示模块、无线网络模块和SD卡数据存储模块和光耦隔离驱动模块连接；光耦隔离驱动模块的信号输出端与高压负脉冲生成模块的信号输入端连接，高压负脉冲生成模块的信号输出端与收发一体传感器、信号钳位与放大模块输入端连接，收发一体传感器的信号输出端还与信号钳位与放大模块的信号输入端连接；信号钳位与放大模块的信号输出端与信号滤波与衰减模块的信号输入端连接；信号滤波与衰减模块的信号输出端与AD转换模块的信号输入端连接；无线网络模块还与上位机中的服务器连接。
如图2、图3所示，所述的STM微控制器模块是基于STM32F407ZET6芯片的微控制器，通过DCMI接口与AD转换模块连接，通过SPI接口与SD卡数据存储模块连接，通过FSMC接口与显示模块连接，通过USART4接口与无线网络模块连接。
所述的收发一体传感器是谐振频率为2.5MHz的单晶超声换能器。
如图4所示，所述的光耦隔离驱动模块，是基于TLP250芯片的光耦隔离驱动电路。
如图5所示，所述的信号钳位与放大模块，是基于低噪运放芯片AD8099、快恢复二极管FR107以及BZT52C3V3稳压管的电路；电路将输入信号钳位在正负4.6V以内避免输入电压过高损坏后级放大环节，放大环节是一个放大约22.36倍的同相比例运算放大电路。
如图6所示，所述的信号滤波与衰减模块，是基于5阶带通无源LC滤波器和数字电位器X9C104芯片的电路，其中带通滤波器的中心频率2.5MHz，1dB带宽为250KHz。
所述的显示模块，为TFT液晶显示器。
所述的AD转换模块，是基于AD9283芯片的数据转换模块，基准采用其内部自带1.25V基准电压，该芯片的数据输出引脚与微控制器的DCMI接口相连，该芯片ENCODE引脚与微控制器的42MHz时钟输出引脚相连。
所述的上位机中的服务器，属于现有技术。
该装置的工作原理是：
信号钳位与放大模块、信号滤波与衰减模块组成信号调理电路，首先基于STM32F407ZET6芯片的微控制器在上电后，初始化SD数据存储模块和预先下载到微控制器中的Fatfs文件为数据存储做准备，初始化片内DCMI接口和DMA为接收AD转换结果做准备，当用户按下STM32F407ZET6芯片自带的采集按键SW1后，微控制器首先输出42MHz的时钟提供给AD9283芯片的ENCODE引脚，此时AD9283芯片开始工作，然后微控制器输出1KHz的重复脉冲给光耦隔离驱动模块，然后光耦隔离驱动模块驱动高压负脉冲生成模块产生负高压窄脉冲，产生的窄脉冲用于驱动收发一体传感器，即超声换能器向被检测目标发射超声波，同时产生的高压窄脉冲信号也被送入到信号调理电路，经过信号调理电路后的信号被输入AD转换模块中，此时微控制器使能片内DCMI接口和DMA进行AD转换结果的读取并暂存到片内RAM区域，超声换能器发射的超声波到达被测目标的断裂处或者底部时将会反射信号回超声换能器，由压电效应可知反射信号也会送入到信号调理电路，当DMA数据搬运完毕后，微控制器失能DCMI接口、关闭42MHz时钟输出、关闭重复脉冲、并将RAM区域中暂存的回波数据一次性写入到SD数据存储模块内指定文件中，完成本次采集，当无线网络模块没有接入互联网无法与上位机中的服务器通信时，微控制器将调用本地的常规分析算法对锚杆回波数据进行分析并将结论显示在TFT显示器上，当无线网络模块接入了互联网且能够与服务器通信时，将自动上传本次采集的数据文件，上位机中的服务器端对数据分析完毕后将会下发结论数据到本地，最后再将结论显示在TFT上，完成本次数据的采集与分析；其中服务器对数据进行分析，是本领域技术人员，根据功能需求，编写好程序，使用训练好的神经网络算法对采集到的数据进行分析，得出结论，是属于采用现有技术。
Claims (8)
1.一种基于超声波法的锚杆回波采集装置，其特征在于，包括STM微控制器模块、光耦隔离驱动模块、高压负脉冲生成模块、收发一体传感器、信号钳位与放大模块、信号滤波与衰减模块、AD转换模块、显示模块、无线网络模块和SD卡数据存储模块；STM微控制器模块分别与信号滤波与衰减模块、AD转换模块、显示模块、无线网络模块和SD卡数据存储模块和光耦隔离驱动模块连接；光耦隔离驱动模块的信号输出端与高压负脉冲生成模块的信号输入端连接，高压负脉冲生成模块的信号输出端与收发一体传感器、信号钳位与放大模块输入端连接，收发一体传感器的信号输出端还与信号钳位与放大模块的信号输入端连接；信号钳位与放大模块的信号输出端与信号滤波与衰减模块的信号输入端连接；信号滤波与衰减模块的信号输出端与AD转换模块的信号输入端连接；无线网络模块还与服务器连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波法的锚杆回波采集装置，其特征在于，所述的STM微控制器模块是基于STM32F407ZET6芯片的微控制器，通过DCMI接口与AD转换模块连接，通过SPI接口与SD卡数据存储模块连接，通过FSMC接口与显示模块连接，通过USART4接口与无线网络模块连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声波法的锚杆回波采集装置，其特征在于，所述的收发一体传感器是谐振频率为2.5MHz的单晶超声换能器。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声波法的锚杆回波采集装置，其特征在于，所述的光耦隔离驱动模块，是基于TLP250芯片的光耦隔离驱动电路。
5.根据权利要求1所述的一种基于超声波法的锚杆回波采集装置，其特征在于，所述的信号钳位与放大模块，是基于低噪运放芯片AD8099、快恢复二极管FR107以及BZT52C3V3稳压管的电路。
6.根据权利要求1所述的一种基于超声波法的锚杆回波采集装置，其特征在于，所述的信号滤波与衰减模块，是基于5阶带通无源LC滤波器和数字电位器X9C104芯片的电路。
7.根据权利要求1所述的一种基于超声波法的锚杆回波采集装置，其特征在于，所述的AD转换模块，是基于AD9283芯片的数据转换模块。
8.根据权利要求1所述的一种基于超声波法的锚杆回波采集装置，其特征在于，所述的显示模块，为TFT液晶显示器。
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