本實用新型屬于應力波信號采集技術領域，具體是一種高精度的應力波信號采集設備。

背景技術：

錨桿支護作為圍巖的一種加固技術，已成為煤礦巷道首選的、安全高效的支護方式。錨桿錨固工程不但具有復雜性，還具有高度的隱蔽性，發(fā)現(xiàn)質量問題難，事故處理更難。因此提高錨桿檢測工作的質量和可靠性，有利于確保錨桿錨固工作的質量與安全。目前，隨著無損檢測技術的發(fā)展，應力波反射法在錨桿質量檢測中得到了廣泛的應用，利用小錘敲擊錨桿端頭產生應力波，應力波信號沿著錨桿水平傳播，在介質交接的地方，波阻抗會改變，應力波會發(fā)生反射、透射和散射。通過反射波的波幅、相位特征和相應的傳播時間，即可對錨桿錨固的質量進行分析。

目前應力波采集設備，存在信號采集精度低、信噪比低、動態(tài)范圍小的缺點，采集到的應力波反射信號不明顯或者不顯現(xiàn)，使得錨桿體的反射信號識別變得困難，不能正確的對錨桿進行質量分析。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，而提供一種高精度的應力波信號采集設備，該設備適用于大動態(tài)范圍的應力波信號采集，具有高的分辨率，可以較好的還原弱信號；該設備小巧，可方便攜帶，靈敏度高、抗干擾能力強，適合于在多種復雜環(huán)境條件下使用。

實現(xiàn)本實用新型目的的技術方案是：

一種高精度的應力波信號采集設備，包括順序連接的激勵裝置、壓電傳感器、信號放大電路和低通濾波電路，還包括電壓比較電路、程控放大電路、A/D轉換器和FPGA控制器；低通濾波器信號輸出端分別與電壓比較電路、程控放大電路連接，F(xiàn)PGA控制器分別與電壓比較電路、程控放大電路和A/D轉換器連接，程控放大電路還與A/D轉換器連接。

所述的信號放大電路，包括第一運算放大器、第二運算放大器、第三運算放大器、第一電阻、第二電阻、第三電阻、第四電阻、第五電阻、第六電阻和第七電阻；第一運算放大器的正輸入端與壓電傳感器的正輸出端連接，第一運算放大器的負輸入端分別與第一電阻、第二電阻的一端連接；第一電阻的另一端與第二運算放大器的負輸入端連接，還與第三電阻的一端連接；第二電阻的另一端與第一運算放大器的信號輸出端連接；第一運算放大器的信號輸出端還與第四電阻的一端連接；第四電阻的另一端與第六電阻的一端連接，還與第三運算放大器的負輸入端連接；第六電阻的另一端與第三運算放大器的信號輸出端連接；第三運算放大器的信號輸出端輸出放大信號V_out3；第二運算放大器的正輸入端與壓電傳感器的負輸出端連接，信號輸出端與第三電阻的另一端連接，還與第五電阻的一端連接；第五電阻的另一端與第三運算放大器的正輸入端連接，還與第七電阻的一端連接；第七電阻的另一端與 GND連接。

所述的信號放大電路為兩級放大電路，第一級電路的放大增益為G₁＝1+2R₃/R₁，第二級放大增益，G₂＝R₆/R₄，則信號放大電路的增益為G＝G₁*G₂＝(1+2R₃/R₁)*R₆/R₄。

所述的低通濾波電路，包括第八電阻、第九電阻、第一電容、第二電容和第四運算放大器；第八電阻的一端與信號放大電路的第三運算放大器的信號輸出端連接，另一端分別與第九電阻和第一電容的一端連接；第九電阻的另一端分別與第二電容的一端和第四運算放大器的正輸入端連接；第一電容的另一端分別與第四運算放大器的負輸入端、信號輸出端連接；第二電容的另一端與GND連接。

所述的第一運算放大器、第二運算放大器、第三運算放大器和第四運算放大器，1管腳接+5V電壓，2管腳接-5V電壓。

所述的電壓比較電路，包括第十電阻、第十一電阻、第十二電阻、第十三電阻、第十四電阻、第十五電阻、第十六電阻、第十七電阻、第五運算放大器和第六運算放大器；第十一電阻的一端接+5V電壓，另一端與第五運算放大器正輸入端和第十電阻的一端連接；第十電阻的另一端接GND；第十二電阻的一端與低通濾波電路的第四運算放大器的信號輸出端連接，另一端與第五運算放大器的負輸入端連接；第十三電阻的一端接+5V電壓，另一端與第五運算放大器的信號輸出端連接；

第十五電阻的一端接+5V電壓，另一端與第六運算放大器正輸入端和第十四電阻的一端連接；第十四電阻的另一端接GND；第十六電阻的一端與低通濾波電路的第四運算放大器的信號輸出端連接，另一端與第六運算放大器的負輸入端連接；第十七電阻的一端接+5V電壓，另一端與第六運算放大器的信號輸出端連接。

所述的第五運算放大器和第六運算放大器，1管腳接+5V電壓，3管腳接GND，輸出的信號發(fā)送至FPGA控制器。

所述的電壓比較電路的輸出信號為，當其“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，輸出端為高電平，表示當前輸入電壓低于比較器的比較電壓；當它的“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，輸出端為低電平，表示當前輸入電壓高于比較器的比較電壓；根據(jù)濾波電路輸出的信號V_out4與V₁、V₂的電壓大小關系，得到C0、C1的值，并將C0、C1值送入FPGA 控制器進行增益編碼。

所述的程控放大電路，包括第七運算放大器、第八運算放大器、第十八電阻、第十九電阻和第二十電阻；第七運算放大器的正輸入端與第四運算放大器的信號輸出端連接，負輸入端與GND連接，信號輸出端與第二十電阻的一端連接；第二十電阻的另一端與第八運算放大器的負輸入端連接；第十八電阻的一端與GND連接，另一端與第八運算放大器的正輸入端和第十九電阻的一端連接；第十九電阻的另一端與第八運算放大器的信號輸出端連接；第八運算放大器的信號輸出端與A/D轉換器連接。

所述的第七運算放大器為可編程增益放大器，3管腳接GND，4管腳與第七運算放大器信號輸出端連接，5管腳接A1，6管腳接A0。

所述的A0、A1為FPGA控制器發(fā)送的編碼值。

所述程控放大電路的增益值，若A0＝0，A1＝0，程控放大電路放大倍數(shù)為1；若A0＝1， A1＝0，程控放大電路放大倍數(shù)為10；若A0＝0，A1＝1，程控放大電路放大倍數(shù)為100。

本實用新型提供了一種高精度的應力波信號采集設備，使用兩級放大電路放大應力波信號，使用濾波電路去除被放大的噪聲信號和外部干擾信號，使用程控放大電路解決信號的寬范圍問題，提高A/D轉換的有效精度。與傳統(tǒng)的應力波信號采集設備相比，該設備可根據(jù)應力波信號的強弱及時調整放大器增益，對采集信號進行濾波，有效降低噪聲干擾，提高信號采集的可靠性，可用于錨桿檢測中應力波信號的采集，適用于大動態(tài)范圍的應力波信號采集，同時具有較高的分辨率，能對強弱不同的應力波信號進行無失真采樣，使反射信號容易識別，檢測精度高，可為錨桿質量分析提供依據(jù)；也可用于木材中或輸油管道中應力波信號的采集，檢測木材的尺寸、規(guī)格和基本物理性質，或檢測輸油管道是否泄漏。

附圖說明

圖1為本實用新型應力波信號采集裝置結構框圖；

圖2為信號放大電路圖；

圖3為低通濾波電路圖；

圖4為電壓比較電路圖；

圖5為程控放大電路圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本實用新型做進一步闡述，但不是對本實用新型的限定。

實施例：

如圖1所示，一種高精度的應力波信號采集設備，包括順序連接的激勵裝置1、壓電傳感器2、信號放大電路3和低通濾波電路4，還包括電壓比較電路5、程控放大電路7、A/D 轉換器8和FPGA控制器6；低通濾波電路4信號輸出端分別與電壓比較電路5、程控放大電路7連接，F(xiàn)PGA控制器6分別與電壓比較電路5、程控放大電路7和A/D轉換器8連接，程控放大電路7還與A/D轉換器8連接。

如圖2所示，所述的信號放大電路3，包括第一運算放大器U1、第二運算放大器U2、第三運算放大器U3、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6和第七電阻R7；第一運算放大器U1的正輸入端與壓電傳感器2的正輸出端連接，第一運算放大器U1的負輸入端分別與第一電阻R1、第二電阻R2的一端連接；第一電阻R1的另一端與第二運算放大器U2的負輸入端連接，還與第三電阻R3的一端連接；第二電阻R2的另一端與第一運算放大器U1的信號輸出端連接；第一運算放大器U1的信號輸出端還與第四電阻R4的一端連接；第四電阻R4的另一端與第六電阻R6的一端連接，還與第三運算放大器U3的負輸入端連接；第六電阻R6的另一端與第三運算放大器U3的信號輸出端連接；第三運算放大器U3的信號輸出端輸出放大信號V_out3；第二運算放大器U2的正輸入端與壓電傳感器2的負輸出端連接，信號輸出端與第三電阻R3的另一端連接，還與第五電阻R5的一端連接；第五電阻R5的另一端與第三運算放大器U3的正輸入端連接，還與第七電阻R7的一端連接；第七電阻R7的另一端與GND連接。

所述的信號放大電路為兩級放大電路，第一級電路的放大增益為G₁＝1+2R₃/R₁，第二級放大增益，G₂＝R₆/R₄，則信號放大電路的增益為G＝G₁*G₂＝(1+2R₃/R₁)*R₆/R₄。

如圖3所示，所述的低通濾波電路4，包括第八電阻R8、第九電阻R9、第一電容C1、第二電容C2和第四運算放大器U4；第八電阻R8的一端與信號放大電路3的第三運算放大器U3的信號輸出端連接，另一端分別與第九電阻R9和第一電容C1的一端連接；第九電阻R9的另一端分別與第二電容C2的一端和第四運算放大器U4的正輸入端連接；第一電容C1 的另一端分別與第四運算放大器U4的負輸入端、信號輸出端連接；第二電容C2的另一端與 GND連接。

所述的第一運算放大器U1、第二運算放大器U2、第三運算放大器U3和第四運算放大器U4，1管腳接+5V電壓，2管腳接-5V電壓。

如圖4所示，所述的電壓比較電路5，包括第十電阻R10、第十一電阻R11、第十二電阻 R12、第十三電阻R13、第十四電阻R14、第十五電阻R15、第十六電阻R16、第十七電阻 R17、第五運算放大器U5和第六運算放大器U6；第十一電阻R11的一端接+5V電壓，另一端與第五運算放大器U5正輸入端和第十電阻R10的一端連接；第十電阻R10的另一端接 GND；第十二電阻R12的一端與低通濾波電路4的第四運算放大器U4的信號輸出端連接，另一端與第五運算放大器U5的負輸入端連接；第十三電阻R13的一端接+5V電壓，另一端與第五運算放大器U5的信號輸出端連接；

第十五電阻R15的一端接+5V電壓，另一端與第六運算放大器U6正輸入端和第十四電阻R14的一端連接；第十四電阻R14的另一端接GND；第十六電阻R16的一端與低通濾波電路4的第四運算放大器U4的信號輸出端連接，另一端與第六運算放大器U6的負輸入端連接；第十七電阻R17的一端接+5V電壓，另一端與第六運算放大器U6的信號輸出端連接。

所述的第五運算放大器U5和第六運算放大器U6，1管腳接+5V電壓，3管腳接GND，輸出的信號發(fā)送至FPGA控制器6。

所述的電壓比較電路的輸出信號為，當其“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，輸出端為高電平，表示當前輸入電壓低于比較器的比較電壓；當它的“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，輸出端為低電平，表示當前輸入電壓高于比較器的比較電壓；根據(jù)濾波電路輸出的信號V_out4與V₁、V₂的電壓大小關系，得到C0、C1的值，并將C0、C1值送入FPGA 控制器進行增益編碼。

如圖5所示，所述的程控放大電路7，包括第七運算放大器U7、第八運算放大器U8、第十八電阻R18、第十九電阻R19和第二十電阻R20；第七運算放大器U7的正輸入端與第四運算放大器U4的信號輸出端連接，負輸入端與GND連接，信號輸出端與第二十電阻R20 的一端連接；第二十電阻R20的另一端與第八運算放大器U8的負輸入端連接；第十八電阻 R18的一端與GND連接，另一端與第八運算放大器U8的正輸入端和第十九電阻R19的一端連接；第十九電阻R19的另一端與第八運算放大器U8的信號輸出端連接；第八運算放大器 U8的信號輸出端與A/D轉換器連接。

所述的第七運算放大器U7為可編程增益放大器，3管腳接GND，4管腳與第七運算放大器U7信號輸出端連接，5管腳接A1，6管腳接A0。

所述的A0、A1為FPGA控制器6發(fā)送的編碼值。

所述程控放大電路7的增益值，若A0＝0，A1＝0，程控放大電路7放大倍數(shù)為1；若A0＝1， A1＝0，程控放大電路7放大倍數(shù)為10；若A0＝0，A1＝1，程控放大電路7放大倍數(shù)為100。