本發(fā)明涉及水電工程檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于防滲墻質(zhì)量檢測、隧道圍巖松動圈探測、堤壩隱患探測、巖溶探測等方面的彈性波CT儀的前置電路系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物在施工過程中，有時因漏振、漏漿、石子架空在鋼筋骨架上、停水、停電或其它施工管理不善和自然環(huán)境等原因，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部形成蜂窩、不密實、空洞或離析等缺陷，這些缺陷的存在將會嚴重影響混凝土結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性，給船閘、橋墩等大型水電工程帶來安全隱患，采取有效方法查明這些缺陷的性質(zhì)、范圍及尺寸，以便及時進行技術(shù)處理，乃是工程建設(shè)中的一個十分重要課題。尤其是近幾年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和大型水電工程建設(shè)的需要，對大體積混凝土缺陷的檢測越來越多，并要求達到高精度和高分辨率，以客觀、精確地評價混凝土內(nèi)部質(zhì)量。

利用彈性波走時層析成像(Computerized Tomography，簡稱CT)技術(shù)對大型水電工程混凝土內(nèi)部質(zhì)量進行無損檢測，是一種精度高、速度快的探測方法，該方法是利用彈性波在正?；炷梁腿毕葜袕椥詾V傳播速度的差異，通過走時數(shù)據(jù)的拾取和計算機反演成像技術(shù)來重建介質(zhì)的速度分布圖像，進而直觀地再現(xiàn)混凝土介質(zhì)內(nèi)部的精細結(jié)構(gòu)。

彈性波CT技術(shù)的發(fā)展，離不開穩(wěn)定、可靠、精密的彈性波CT儀，彈性波CT儀由下面幾部分組成：1）彈性波激發(fā)：包括雷管震源、炸藥震源、電火花震源、超磁致震源等多種震源；2）彈性波接收傳感器：包括動圈式地震檢波器、壓電晶體型加速度檢波器和數(shù)字檢波器；3）彈性波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

目前應(yīng)用于水電工程檢測技術(shù)領(lǐng)域的彈性波CT檢測，大多用地球物理勘探中的淺層地震儀，但用于對水電工程混凝土內(nèi)部質(zhì)量進行無損檢測的彈性波接收傳感器應(yīng)是高精度和高分辨率的精細探測，一般的淺層地震儀達不到要求。淺層地震儀一般采用動圈式地震檢波器拾取地震波，而較高精度的壓電晶體型加速度檢波器和數(shù)字檢波器尚不能用于淺層地震儀做它的傳感器。

彈性波CT儀通過彈性波接收傳感器接收數(shù)據(jù)，由于傳感數(shù)據(jù)存在較大的噪聲和干擾，因此需要在傳感器前端需要設(shè)置對應(yīng)的前置電路對傳感數(shù)據(jù)進行濾波、抗干擾等處理。業(yè)界尚未出現(xiàn)能夠使彈性波CT儀同時適用于動圈式地震檢波器、壓電晶體型加速度檢波器和數(shù)字檢波器的前置電路系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種彈性波CT儀的前置電路系統(tǒng)，可使彈性波CT儀同時適用于動圈式地震檢波器、壓電晶體型加速度檢波器和數(shù)字檢波器。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種彈性波CT儀的前置電路系統(tǒng)，包括與動圈式地震檢波器相連的第一前置電路模塊、與壓電晶體型加速度檢波器相連的第二前置電路模塊和與數(shù)字檢波器相連的第三前置電路模塊，還包括用于切換不同傳感器的轉(zhuǎn)換器模塊，所述第一前置電路模塊包括依次連接的保護單元、第一濾波單元和放大單元，所述第二前置電路模塊包括依次連接的電荷放大單元和第二濾波單元，所述第三前置電路模塊包括依次連接的共模干擾抑制單元和差模干擾抑制單元。

進一步，所述保護單元包括一個二極管D1，所述第一濾波單元包括電阻R1、R2、R3、R4和電容C1、C2、C3，R1和C1串聯(lián)后與R2并聯(lián)，R4和C3串聯(lián)后與R3并聯(lián)，所述放大單元包括互相耦合的程控放大器PGA205和運算放大器OP27AH，PGA205的輸出端與OP27AH的正相輸入端相連，D1與C2并聯(lián)后再與分別R2和R3連接，C1和C3分別連接PGA205的正相輸入端和反相輸入端，OP27AH的反相輸入端通過電容C4和電阻R5、R6與OP27AH的輸出端相連。

進一步，所述二極管D1采用TVS二極管。

進一步，所述第二前置電路模塊包括兩個相互連接的第一運放芯片和第二運放芯片，所述電荷放大單元包括第一運放芯片，電容C5通過相互并聯(lián)的電容C6和電阻R7與第一運放芯片的反相輸入端相連，第一運放芯片的正相輸入端連接有一可變電阻R8，所述第二濾波單元包括第二運放芯片，所述第二運放芯片的正相輸入端通過電阻R9和電容C7與第二運放芯片的輸出端連接，所述第二運放芯片的正相輸入端還連接有一電容C8。

進一步，第一運放芯片和第二運放芯片采用CA3140芯片。

進一步，所述C5的大小為0.22μF，所述R8的大小為10kΩ。

進一步，所述共模干擾抑制單元包括運算放大器OP279GP，所述差模干擾抑制單元包括相互并聯(lián)的電容C9和電阻R10，相互并聯(lián)的C9和R10連接OP279GP的反相輸入端和輸出端。

進一步，所述轉(zhuǎn)換器模塊包括ADG451芯片。

本發(fā)明的有益效果是：一種彈性波CT儀的前置電路系統(tǒng)，當(dāng)在實際工作需要某種傳感器時，可通過轉(zhuǎn)換器模塊切換到該種傳感器，傳感器進行彈性波接收后，經(jīng)過對應(yīng)的前置電路對信號進行初步處理，彈性波CT儀再對處理后的信號進行分析，完成檢測。本發(fā)明可使彈性波CT儀同時適用于動圈式地震檢波器、壓電晶體型加速度檢波器和數(shù)字檢波器。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明：

圖1為本發(fā)明第一前置電路模塊的電路原理圖；

圖2為本發(fā)明第二前置電路模塊的電路原理圖；

圖3為本發(fā)明第三前置電路模塊的電路原理圖。

具體實施方式

彈性波CT儀包括彈性波激發(fā)、彈性波接收傳感器和彈性波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三個部分，而彈性波接收傳感器主要包括包括動圈式地震檢波器、壓電晶體型加速度檢波器和數(shù)字檢波器。不同的彈性波接收傳感器有不同的技術(shù)特點和缺點，具體如下：

動圈式地震檢波器的基本工作原理是基于電磁感應(yīng)，利用上、下兩個線圈繞制在鋁制線圈架上，組成一個慣性體，由彈簧片懸掛在永久磁鐵產(chǎn)生的磁場中，永久磁鐵與檢波器外殼固定在一起。當(dāng)檢波器外殼隨地面震動時，引起線圈相對于永久磁鐵運動，兩線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢的大小隨檢波器外殼振動變化，振動幅度越大，感應(yīng)電動勢也大，反之亦然。在輸出端輸出相應(yīng)的電信號，傳輸給彈性波CT儀。隨著彈性波CT技術(shù)發(fā)展對數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的要求越來越高，因此動圈式地震檢波器暴露的問題也越來越多，主要包括失真度高、一致性差和抗電磁干擾能力不足等。

壓電晶體型加速度檢波器是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的一種有源傳感器。在外力作用下，某些物質(zhì)變形后其表面會產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)。室外使用時，檢波器與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物耦合，當(dāng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物振動時，由于彈簧的剛度較大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對較小，可以認為質(zhì)量塊的慣性較小。因此質(zhì)量塊感受到與檢波器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣質(zhì)量塊就有一個正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于壓電片具有壓電效應(yīng)，因此在它的兩個表面就產(chǎn)生了交變電荷，利用這種壓電效應(yīng)，壓電晶體型加速度檢波器將地震波引起的壓變效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，傳輸給彈性波CT儀。壓電晶體型加速度檢波器存在以下問題：由于是有源檢波器，野外使用不方便；一致性不好，而且使用壽命較短。

數(shù)字檢波器由于輸出的是直接數(shù)字化的信號，因此稱為數(shù)字檢波器。常規(guī)檢波器輸出的信號都是模擬信號，信號的數(shù)字化是在采集站里完成的。由于現(xiàn)在應(yīng)用的數(shù)字檢波器都采用MEMS技術(shù)，因此也稱為MEMS（MICROELECTRON MECHANIC SYSTEM）檢波器。數(shù)字檢波器主要由傳感器、專用集成電路ASIC電路和數(shù)字信號處理器DSP和其它輔助電路組成。傳感器檢測大地震動信號，ASIC電路實現(xiàn)對傳感器的反饋控制，同時完成信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，DSP完成數(shù)字濾波，其它輔助電路主要完成供電、提供測試信號、重力方向檢測等功能。但數(shù)字檢波器無環(huán)境噪音衰減，環(huán)境噪音大時不適用，測量時要求道距更短，需要道數(shù)多，成本較高。

在實際工作中可能需要用于不同的傳感器，然后業(yè)界尚未出現(xiàn)能夠使彈性波CT儀同時適用于動圈式地震檢波器、壓電晶體型加速度檢波器和數(shù)字檢波器的前置電路系統(tǒng)，這就為水電工程檢測帶來的一定的困難。

一種彈性波CT儀的前置電路系統(tǒng)，包括與動圈式地震檢波器相連的第一前置電路模塊、與壓電晶體型加速度檢波器相連的第二前置電路模塊和與數(shù)字檢波器相連的第三前置電路模塊，還包括用于切換不同傳感器的轉(zhuǎn)換器模塊，所述第一前置電路模塊包括依次連接的保護單元、第一濾波單元和放大單元，所述第二前置電路模塊包括依次連接的電荷放大單元和第二濾波單元，所述第三前置電路模塊包括依次連接的共模干擾抑制單元和差模干擾抑制單元。所述轉(zhuǎn)換器模塊包括ADG451芯片。當(dāng)在實際工作需要某種傳感器時，可通過轉(zhuǎn)換器模塊切換到該種傳感器。傳感器分別通過第一前置電路模塊、第二前置電路模塊和第三前置電路模塊與彈性波CT儀相連，通過轉(zhuǎn)換器模塊的切換，能使得動圈式地震檢波器、壓電晶體型加速度檢波器和數(shù)字檢波器均能應(yīng)用于水電工程檢測技術(shù)領(lǐng)域的彈性波CT檢測。

在第一前置電路模塊中，所述保護單元包括一個二極管D1，所述第一濾波單元包括電阻R1、R2、R3、R4和電容C1、C2、C3，R1和C1串聯(lián)后與R2并聯(lián)，R4和C3串聯(lián)后與R3并聯(lián)，所述放大單元包括互相耦合的程控放大器PGA205和運算放大器OP27AH，PGA205的輸出端與OP27AH的正相輸入端相連，D1與C2并聯(lián)后再與分別R2和R3連接，C1和C3分別連接PGA205的正相輸入端和反相輸入端，OP27AH的反相輸入端通過電容C4和電阻R5、R6與OP27AH的輸出端相連。

由電阻R1、R2、R3、R4和電容C1、C2、C3組成的RC低通濾波電路的主要作用是對輸入的模擬信號進行濾波、RC阻抗匹配、壓制信號在測線傳輸中產(chǎn)生的共模信號，提高抗干擾能力。程控放大器PGA205和運算放大器OP27AH采用直接耦合方式。由于動圈式地震檢波器源電阻在幾百歐姆到幾十千歐姆之間，所選擇低頻端噪聲性能較好的可編程增益放大器PGA205，它在低頻端具有較低的噪聲水平。PGA205作為一個四端網(wǎng)絡(luò)，通過放大倍數(shù)控制端A1、A0可以實現(xiàn)1、2、4、8倍放大，其中引腳A0、A1由單片機控制模塊進行控制。模擬信號經(jīng)過程控放大器輸出后，通過運算放大器OP27AH進一步放大，傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換電路。

優(yōu)選地，所述二極管D1采用TVS二極管。TVS二極管具有響應(yīng)時間短、瞬時功率大、漏電流小、擊穿電壓比較小、鉗位電壓易控制、體積小等優(yōu)點。

在第二前置電路模塊中，所述第二前置電路模塊包括兩個相互連接的第一運放芯片和第二運放芯片，所述電荷放大單元包括第一運放芯片，電容C5通過相互并聯(lián)的電容C6和電阻R7與第一運放芯片的反相輸入端相連，第一運放芯片的正相輸入端連接有一可變電阻R8，所述第二濾波單元包括第二運放芯片，所述第二運放芯片的正相輸入端通過電阻R9和電容C7與第二運放芯片的輸出端連接，所述第二運放芯片的正相輸入端還連接有一電容C8。第一運放芯片和第二運放芯片采用CA3140芯片。

電荷放大單元是整個電路的核心，采用高阻運算放大器CA3140將壓電晶體型加速度檢波器的輸出電荷信號Q轉(zhuǎn)換成電壓信號V。為了保證精度，反饋電容應(yīng)采用穩(wěn)定性及絕緣電阻高的精密聚苯乙烯電容。在CA3140的反向輸入端選用0.22μF的電容C5和一個由C6、R7組成的RC電路串聯(lián)，其作用是消除壓電晶體型加速度檢波器的零漂；同時為了保護第一運放芯片，在其反相端串接電阻R7，可避免運放第一運放芯片產(chǎn)生自激振蕩，在R7兩端并聯(lián)電容C6實現(xiàn)相位補償。根據(jù)運算放大器本身性能，選擇正相輸入端的可變電阻R8為10kΩ。

壓電晶體型加速度檢波器是一個弱阻尼的振動系統(tǒng)，其幅頻特性在高頻段有一個很高的共振峰，該峰值會引起高頻噪聲，并對信號產(chǎn)生干擾。為此，采用第二濾波單元平衡高頻幅頻特性。另外，由于電荷放大單元的通頻帶有時遠遠高于實際的振動信號頻率，因此需要通過二濾波單元濾除高頻分量。在C7、C8和R9組成的RC網(wǎng)絡(luò)上加上第二運放芯片，組成有源RC低通濾波器。有源RC低通濾波器在通帶內(nèi)不但無衰減，而且有一定的增益，其截止頻率約40KHz。

為了保證試驗時使用不同靈敏度的壓電晶體型加速度檢波器，不同靈敏度的傳感器經(jīng)過測量電路后有相同的輸出，在電荷放大單元后增加一級中間放大單元，此中間放大單元也采用CA3140芯片。

在第三前置電路模塊中，所述共模干擾抑制單元包括運算放大器OP279GP，所述差模干擾抑制單元包括相互并聯(lián)的電容C9和電阻R10，相互并聯(lián)的C9和R10連接OP279GP的反相輸入端和輸出端。

在本實施例中，數(shù)字檢波器以SF1500A為例，但第三前置電路模塊還可應(yīng)用在LIS344ALH等型號的數(shù)字檢波器上。SF1500A輸出的信號包括差模信號電壓、差模干擾電壓及共模干擾電壓三部分。干擾電壓中既包含環(huán)境噪聲、地震干擾波，也包含系統(tǒng)及周邊交流供電、天電等供電線感應(yīng)引入的電壓。共模干擾抑制單元利用高共模抑制比OP279GP的前置放大電路等抑制共模干擾電壓，利用電容C9和電阻R10組成的濾波電路抑制差模干擾電壓。

以上是對發(fā)明的較佳實施進行了具體說明，但發(fā)明創(chuàng)造并不限于所述實施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可作出種種的等同變型或替換，這些等同的變型或替換均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。