一种高精度的应力波信号采集方法及设备技术

本发明专利技术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。

High precision method and equipment for collecting stress wave signals

The invention discloses a stress wave signal acquisition method and device for high precision, the equipment including excitation device, piezoelectric sensor, signal amplifying circuit and low pass filter circuit, and a voltage comparison circuit, programmable amplifier circuit, A/D converter and FPGA controller. The device uses the signal amplifying circuit to capture the stress wave signal amplification, removing noise and external interference signal is amplified using a filter circuit, amplifier gain can be adjusted according to the stress wave signal intensity, without distortion of sampling, using programmable amplifying circuit to solve the problem of wide range signal, effectively improve the accuracy the A/D conversion, the reflected signal is easy to identify, can provide the basis for the quality analysis of bolt.

【技术实现步骤摘要】
一种高精度的应力波信号采集方法及设备
本专利技术属于应力波信号采集
，具体是一种高精度的应力波信号采集方法及设备。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。实现本专利技术目的的技术方案是：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。本专利技术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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张法全，冯帅，王国富，叶金才，王小红，张海如，闵玉瑾，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45