[发明专利]一种高精度的应力波信号采集方法及设备

说明书

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V_out3；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。