一种检波器串信号处理前置电路系统的制作方法

1.本发明涉及水利水电工程地球物理勘探技术领域，尤其涉及一种用于检测堰塞坝不良体空间结构和物性参数识别、防渗墙质量检测、堤坝隐患探测、采空区、岩溶探测等方面的弹性波层析成像系统的检波器串信号处理前置电路系统。


背景技术：

2.堰塞坝一般是由于地震造成两岸山体崩塌、滑坡等原因天然形成的，崩塌堆积体、滑坡体其材料结构与一般的岩体相比，结构十分松散，存在不密实、空洞等缺陷，这些缺陷的存在将会严重影响堰塞坝体结构的稳定性，给大型水电工程带来安全隐患，采取有效方法查明这些缺陷的性质、范围及尺寸，以便及时进行技术处理，乃是堰塞湖整治水利枢纽工程建设中的一个十分重要课题。
3.利用弹性波走时层析成像(computerized tomography，简称ct)技术对堰塞坝体、滑坡体内部结构进行无损检测，是一种精度高、速度快的探测方法，该方法是利用弹性波在塞坝体、滑坡体内传统传播，根据弹性波传播速度的差异，通过走时数据的拾取和计算机反演成像技术来重建介质的速度分布图像，进而直观地再现堰塞坝体、滑坡体内部的精细结构。
4.弹性波ct技术的发展，离不开稳定、可靠、精密的弹性波ct仪，弹性波ct仪由下面几部分组成：1)弹性波激发：电火花测井震源；2)弹性波接收传感器：检波器串；3)弹性波数据采集：多道数字工程地震仪；4)数据分析：弹性波层析成像软件。
5.对堰塞坝不良体、滑坡体内部结构进行无损检测，其结构内部本身就比较松散，弹性波在其内部衰减非常快，弹性波传播信号较弱，这就要求接收传感器具有非常高的灵敏度、滤波和抗干扰能力及较宽的频带。常规的用于混凝土和钢筋混凝土结构物的弹性波ct检测的地震检波器技术已经非常成熟，但适用于堰塞坝不良体、滑坡体、松散体弹性波ct系统拾取地震波的高精度、高灵敏度、宽频带的压电型检波器串尚未出现。
6.受水利工程现场各种施工环境影响，震源弹性波传递效率低、信号较弱，传感数据存在较大的噪声和干扰，若通过高精度、高灵敏度压电型传感器完整无误地接收数据，因此需要在传感器前端需要设置对应的前置电路对传感数据进行滤波、抗干扰等处理。业界尚未出现专门用于弹性波ct接收系统的压电型检波器串前置电路系统。


技术实现要素：

7.本发明正是为了解决上述问题缺陷，提供一种检波器串信号处理前置电路系统，具体为一种弹性波层析成像系统的检波器串信号处理前置电路系统。
8.本发明采用如下技术方案实现。
9.一种检波器串信号处理前置电路系统，其特征在于，该电路系统包括依序串联的第一前置电路模块、第二前置电路模块、第三前置电路模块；
10.所述的第一前置电路模块包括依次连接的传感器信号输入端、电源保护单元、第
一级放大单元；
11.所述的第二前置电路模块包括依次连接的第二级放大单元和二阶低通滤波单元；
12.所述的第三前置电路模块包括电压跟随电路单元及信号输出端子。
13.本发明所述的依序串联的第一前置电路模块、第二前置电路模块、第三前置电路模块三者构成信号处理前置电路系统；信号处理前置电路系统分别与压电式检波器和工程地震仪主机连接；信号处理前置电路系统设置在压电式检波器前端。
14.本发明所述的工程地震仪主机设置在井口。
15.本发明所述的第一前置电路模块包括依次连接的传感器信号输入端、电源保护单元、第一级放大单元，具体为：包括p3端子、二极管d2、二极管d3、第一运算放大器tl082、补偿电容c8、电阻r13、去耦电容c6、去耦电容c7；去耦电容c6、c7采用标准的100nf容量；
16.所述的p3端子与第一运算放大器tl082连接；第一运算放大器tl082和p3端子分别接地；
17.在p3端子与第一运算放大器tl082的连接线和第一运算放大器tl082接地的连接线之间并联二极管d2、二极管d3；二极管d2、d3采用in4148；
18.第一运算放大器tl082通过去耦电容c6与接地；第一运算放大器tl082通过去耦电容c7与接地；用于滤除高频信号干扰。
19.在第一运算放大器tl082上并联补偿电容c8；在第一运算放大器tl082上并联电阻r13；r13为1mω电阻，提供非常大的信号放大能力；
20.所述的p3端子为传感器信号输入端；所述的二极管d2、二极管d3构成电源保护单元；所述的第一运算放大器tl082、补偿电容c8、电阻r13构成第一级放大单元。c8补偿电容量为18pf；
21.本发明所述的第二前置电路模块包括依次连接的第二级放大单元和二阶低通滤波单元，具体为：包括第二运算放大器tl082、第三运算放大器tl082、电阻r14、电阻r15、电阻r16、电阻r17、电容c9、电容c10、电容c11、电容c12；
22.所述的第二运算放大器tl082依序通过电阻r16、电阻r17与第三运算放大器tl082串连接；第二运算放大器tl082通过电阻r15接地；在第二运算放大器tl082两端并联电阻r14，电阻r14为可调电位器，通过调节r14来调整放大倍数；电阻r17与第三运算放大器tl082之间并联电容c10；第三运算放大器tl082通过电容c11接地；第三运算放大器tl082通过电容c12接地；第三运算放大器tl082与电容c12之间并联电容c9；c11、c12在供电电源和地之间为去耦电容，用于滤除高频信号干扰；、c11、c12采用标准的100nf容量；
23.第二运算放大器tl082、电阻r14、电阻r15构成第二级放大单元；
24.第三运算放大器tl082、电阻r16、r17，电容c9、c10构成二阶低通滤波单元，低通10khz滤波。
25.本发明所述的第三前置电路模块包括电压跟随电路单元及信号输出端子，具体为：包括第四运算放大器tl082、电阻r19、p4端子；第四运算放大器tl082通过电阻r19与p4端子连接；p4端子接地；r19为限流电阻。
26.本发明该系统设置为12道压电式传感器串联接收(或者选择24道检波器串联)，每道传感器间距1米，12道压电式传感器接收到井下震源激发的弹性波信号后，传感器输出信号经过对应的12道检波器串信号处理前置电路系统对信号进行初步处理，处理后的信号经
下井电缆连接至用于弹性波数据采集的多道工程地震仪，多道工程地震仪对12道检波器串信号进行采集、存储、后续再对存储的波形信号进行分析。
27.本发明信号处理前置电路系统设计成一块pcb电路板，pcb板及原器件刷防水漆后，再进行灌胶、密封防水，并与压电检波器一同安装在一个纺锤体壳体内。
28.本发明用于工程现场弹性波层析成像系统在堰塞坝不良体、滑坡体内部结构进行无损检测工作；具体为，预先布置2个钻孔，跨距不宜过大，钻孔跨距在20米内，弹性波激发震源下放到目标检测深度，在一个钻孔内激发，安装有信号处理前置电路系统的检波器串在另外一个孔内接收弹性波；震源激发频率和能量通过震源的控制箱进行控制，检波器串的信号通过井下电缆传递至地面的主机进行数字化的采集、存储，再后续进行进一步的处理和反演分析。
29.本发明每一道压电式检波器，接收到震源激发的地震波原始信号后，一次经过第一前置电路模块进行保护限幅、电流电源信号转换、第一级互阻抗放大后，输入第二前置电路模块的电路进行第二级放大，以及进行二阶有源低通滤波，低通10khz滤波，最后输入第三前置电路模块通过一个电压跟随电路输出；经过前置电路输出的地震波信号，通过下井电缆传输至井口的工程地震仪主机。
30.本发明的有益效果为，本发明可实现对堰塞坝不良体、滑坡体内部结构进行弹性波ct无损检测，若弹性波传递效率低、信号较弱，传感数据存在较大的噪声和干扰时，本检波器前置电路可进行滤波处理，提高抗干扰能力，同时对微弱的原始震动信号进行放大，以适应各种不良体、滑坡体内部结构进行弹性波ct检测。
31.下面结合附图和具体实施方式本发明做进一步解释。
附图说明
32.图1为本发明的电气连接总图；
33.图2为本发明第一前置电路模块的电路原理图；
34.图3为本发明第二前置电路模块的电路原理图；
35.图4为本发明第三前置电路模块的电路原理图。
36.图1标记1
‑
6分别为：1
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压电式检波器、2
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信号处理前置电路系统、3
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井口的工程地震仪主机、4
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第一前置电路模块、5
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第二前置电路模块、6
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第三前置电路模块。
具体实施方式
37.见图1，图2，图3，图4所示。
38.一种检波器串信号处理前置电路系统，该电路系统包括依序串联的第一前置电路模块、第二前置电路模块、第三前置电路模块；
39.所述的第一前置电路模块包括依次连接的传感器信号输入端、电源保护单元、第一级放大单元；
40.所述的第二前置电路模块包括依次连接的第二级放大单元和二阶低通滤波单元；
41.所述的第三前置电路模块包括电压跟随电路单元及信号输出端子。
42.本发明所述的依序串联的第一前置电路模块、第二前置电路模块、第三前置电路模块三者构成信号处理前置电路系统；信号处理前置电路系统分别与压电式检波器和工程
地震仪主机连接；信号处理前置电路系统设置在压电式检波器前端。
43.本发明所述的工程地震仪主机设置在井口。
44.本发明所述的第一前置电路模块包括依次连接的传感器信号输入端、电源保护单元、第一级放大单元，具体为：包括p3端子、二极管d2、二极管d3、第一运算放大器tl082、补偿电容c8、电阻r13、去耦电容c6、去耦电容c7；
45.所述的p3端子与第一运算放大器tl082连接；第一运算放大器tl082和p3端子分别接地；
46.在p3端子与第一运算放大器tl082的连接线和第一运算放大器tl082接地的连接线之间并联二极管d2、二极管d3；
47.第一运算放大器tl082通过去耦电容c6与接地；第一运算放大器tl082通过去耦电容c7与接地；
48.在第一运算放大器tl082上并联补偿电容c8；在第一运算放大器tl082上并联电阻r13；
49.所述的p3端子为传感器信号输入端；所述的二极管d2、二极管d3构成电源保护单元；所述的第一运算放大器tl082、补偿电容c8、电阻r13构成第一级放大单元。
50.本发明所述的第二前置电路模块包括依次连接的第二级放大单元和二阶低通滤波单元，具体为：包括第二运算放大器tl082、第三运算放大器tl082、电阻r14、电阻r15、电阻r16、电阻r17、电容c9、电容c10、电容c11、电容c12；
51.所述的第二运算放大器tl082依序通过电阻r16、电阻r17与第三运算放大器tl082串连接；第二运算放大器tl082通过电阻r15接地；在第二运算放大器tl082两端并联电阻r14，电阻r14为可调电位器；电阻r17与第三运算放大器tl082之间并联电容c10；第三运算放大器tl082通过电容c11接地；第三运算放大器tl082通过电容c12接地；第三运算放大器tl082与电容c12之间并联电容c9；
52.第二运算放大器tl082、电阻r14、电阻r15构成第二级放大单元；
53.第三运算放大器tl082、电阻r16、r17，电容c9、c10构成二阶低通滤波单元。
54.本发明所述的第三前置电路模块包括电压跟随电路单元及信号输出端子，具体为：包括第四运算放大器tl082、电阻r19、p4端子；第四运算放大器tl082通过电阻r19与p4端子连接；p4端子接地；r19为限流电阻。
55.本发明该系统设置为12道压电式传感器串联接收(或者选择24道检波器串联)，每道传感器间距1米，12道压电式传感器接收到井下震源激发的弹性波信号后，传感器输出信号经过对应的12道检波器串信号处理前置电路系统对信号进行初步处理，处理后的信号经下井电缆连接至用于弹性波数据采集的多道工程地震仪，多道工程地震仪对12道检波器串信号进行采集、存储、后续再对存储的波形信号进行分析。
56.本发明信号处理前置电路系统设计成一块pcb电路板，pcb板及原器件刷防水漆后，再进行灌胶、密封防水，并与压电检波器一同安装在一个纺锤体壳体内。
57.本发明采用同样方式对十二个信号处理前置电路系统2、压电式检波器1进行串联，组成十二道检波器串、道间距采用1米，用于接收弹性波波信号(采用十二道接收、或者二十四道接收)、十二道检波器在通过下井电缆与井口的工程地震仪主机3连接。
58.本发明用于工程现场弹性波层析成像系统在堰塞坝不良体、滑坡体内部结构进行
无损检测工作；具体为，预先布置2个钻孔，跨距不宜过大，钻孔跨距在20米内，弹性波激发震源下放到目标检测深度，在一个钻孔内激发，安装有信号处理前置电路系统的检波器串在另外一个孔内接收弹性波；震源激发频率和能量通过震源的控制箱进行控制，检波器串的信号通过井下电缆传递至地面的主机进行数字化的采集、存储，再后续进行进一步的处理和反演分析。
59.本发明每一道压电式检波器，接收到震源激发的地震波原始信号后，一次经过第一前置电路模块进行保护限幅、电流电源信号转换、第一级互阻抗放大后，输入第二前置电路模块的电路进行第二级放大，以及进行二阶有源低通滤波，低通10khz滤波，最后输入第三前置电路模块通过一个电压跟随电路输出；经过前置电路输出的地震波信号，通过下井电缆传输至井口的工程地震仪主机。
60.以上所述的仅是本发明的具体实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，上述实施例不以任何方式限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。