專利名稱：用于樁基超聲波檢測的超聲波傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種超聲波傳感器，尤其涉及一種用于樁基超聲波檢測的收發(fā)一體的帶前置信號放大和濾波處理的超聲波傳感器。
背景技術(shù)：
超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的振動頻率的機(jī)械波，是由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動而產(chǎn)生。超聲波具有頻率高，波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好，能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對液體、固定的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成回波，該回波碰到運(yùn)動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波，完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上成為超聲換能器，或者超聲波探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲波探頭多作探測作用。超聲波探頭按結(jié)構(gòu)可以分為以下幾種直探頭(縱波)、斜探頭 (橫波)、表面波探頭(表面波)、蘭姆波探頭(蘭姆波)、雙探頭(一個(gè)探頭反射、另一個(gè)探頭接收)等。基樁超聲聲波投射法檢測采用一種軸向有限長度、單一主頻的柱面波，超聲波在混凝土中的傳播規(guī)律服從彈性波的特性，由直達(dá)波、繞射波、折射波和反射波構(gòu)成。波形分析的基本物理量有1、直達(dá)波到達(dá)時(shí)(波速)；2、波幅(或衰減)；3、接收信號頻率變化；4、 接收波形畸變。波速只反映透測中線為對象的混凝土性質(zhì)，而波形和頻譜變化不但反映透測對象的混凝土狀態(tài)，而波形和頻譜變化不但反映透測對象的混凝土狀態(tài)，而且也反映構(gòu)件邊界面及透測范圍以外混凝土的狀態(tài)。由于超聲波的繞射波、折射波、反射波的時(shí)程，使得接收的波形迭加后變化復(fù)雜，不易解讀。所以基樁聲波透射法檢測判定，一般采用了聲時(shí)和首波波幅兩個(gè)參數(shù)，對波形變化分析要求越來越高，而且測試孔越來越深，高達(dá)300米的深孔。但是普通的超聲波探頭具有以下不足和缺點(diǎn)1、由于接收壓電晶體的輸出阻抗高，容易受到干擾；2、由于測試樁孔越來越深，連接電纜也越長，依靠無源的收發(fā)一體在長距離傳輸中，由于接收壓電晶體的輸出阻抗高，長電纜的分布電容參數(shù)變大，導(dǎo)致接收的信號嚴(yán)重畸變失真而無法分析樁基的質(zhì)量，為建筑基礎(chǔ)留下嚴(yán)重的隱患；3、長電纜的超聲信號傳輸導(dǎo)致信號衰減很大，在接收端必須具有很大的放大倍數(shù)，導(dǎo)致噪聲也同時(shí)放大，導(dǎo)致信噪比降低；4、長電纜的超聲信號傳輸導(dǎo)致信號衰減很大。
發(fā)明內(nèi)容[0011]針對現(xiàn)有樁基測量超聲傳感器存在的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型的目的在于提供一種新型的用于樁基超聲波檢測的收發(fā)一體的帶前置信號放大和濾波處理的超聲波傳感器，解決普通超聲傳感器采用收發(fā)同一壓電晶體的輸出阻抗高，隨著傳輸電纜延長衰減和畸變的缺
點(diǎn)O為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供了一種用于樁基超聲波檢測的超聲波傳感器，其特征在于，包括壓電晶體換能器、前置處理電路和連接電纜，其中，所述前置處理電路包括前置放大電路和帶通濾波電路，其中，所述前置放大電路和所述帶通濾波電路連接；所述壓電晶體換能器的輸出端與所述前置放大電路的輸入端連接；所述帶通濾波電路的輸出端與所述連接電纜連接；所述壓電晶體換能器輸出的超聲波信號通過所述前置放大電路放大，并所述前置放大電路將放大后的超聲波信號傳輸至所述帶通濾波電路；所述帶通濾波電路，對該放大后的超聲波信號進(jìn)行帶通濾波，并將帶通濾波后的超聲波信號傳送至所述連接電纜。實(shí)施時(shí)，所述帶通濾波器，其中心頻率為壓電晶體換能器輸出的超聲波信號的諧振峰值頻率。實(shí)施時(shí)，所述壓電晶體換能器為兩個(gè)，其中，一個(gè)所述壓電晶體換能器，為激發(fā)壓電晶體，用于激發(fā)超聲波，在高壓脈沖波的激勵(lì)下輸出超聲波；另一個(gè)所述壓電晶體換能器，為接收壓電晶體，用于接收超聲波信號；所述接收壓電晶體的輸出端與所述前置放大電路的輸入端連接。實(shí)施時(shí)，所述前置處理電路還包括阻抗變換電路；所述阻抗變換電路，連接于所述壓電晶體換能器與所述前置放大電路之間，用于對所述壓電晶體換能器輸出的超聲波信號進(jìn)行阻抗變換，并將阻抗變換后的超聲波信號傳輸至所述前置放大電路。實(shí)施時(shí)，所述前置處理電路還包括輸入限幅電路；所述限幅電路，連接于所述壓電晶體換能器與所述前置放大電路之間，用于對所述壓電晶體換能器輸出的超聲波信號進(jìn)行限幅，并將限幅后的超聲波信號傳輸至所述前置放大電路。實(shí)施時(shí)，所述前置處理電路還包括自動增益控制電路；所述自動增益控制電路，并聯(lián)于相互串聯(lián)的所述前置放大電路和所述帶通濾波電路的兩端，用于對所述濾波電路輸出的超聲波信號的幅值進(jìn)行控制。實(shí)施時(shí)，所述前置處理電路還包括屏蔽層驅(qū)動電路；所述屏蔽層驅(qū)動電路，連接于所述帶通濾波電路的輸出端與所述連接電纜之間， 用于驅(qū)動所述連接電纜的屏蔽層。實(shí)施時(shí)，本實(shí)用新型所述的用于樁基超聲波檢測的超聲波傳感器，其特征在于，其還包括采用防水結(jié)構(gòu)的不銹鋼外殼，所述壓電晶體換能器和所述前置處理電路設(shè)于所述不銹鋼外殼中，所述不銹鋼外殼在螺紋連接部分采用環(huán)氧樹脂密封。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型所述的用于樁基超聲波檢測的超聲波傳感器，將壓電晶體換能器輸出的超聲波信號經(jīng)過前置放大器放大，并采用帶通濾波電路，帶通濾波電路的中心頻率在接受晶體諧振頻率，這樣大大提高輸出信號的抗干擾能力。
圖1是本實(shí)用新型所述的用于樁基超聲波檢測的超聲波傳感器的一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)圖；圖2是本實(shí)用新型所述的用于樁基超聲波檢測的超聲波傳感器的一種具體實(shí)施方式
的前置處理電路的結(jié)構(gòu)圖；圖3A是本實(shí)用新型所述的用于樁基超聲波檢測的超聲波傳感器的前置處理電路的一具體實(shí)施例的穩(wěn)壓電源部分的電路圖；圖;3B是本實(shí)用新型所述的用于樁基超聲波檢測的超聲波傳感器的前置處理電路的一具體實(shí)施例的主體部分電路圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提供了一種用于樁基超聲波檢測的超聲波傳感器，包括壓電晶體換能器、前置處理電路和輸出超聲波信號的連接電纜。如圖1所示，根據(jù)一種具體實(shí)施方式
，本實(shí)用新型所述的用于樁基超聲波檢測的超聲波傳感器采用兩個(gè)壓電晶體換能器，其中，一個(gè)壓電晶體換能器，為激發(fā)壓電晶體1，用于激發(fā)超聲波，在高壓脈沖波的激勵(lì)下輸出超聲波；另一個(gè)壓電晶體換能器，為接收壓電晶體2，用于接收超聲波信號；該用于樁基超聲波檢測的超聲波傳感器還包括前置處理電路3、透聲膠4、不銹鋼外殼5和連接電纜6;其中，[0044]所述接收壓電晶體2的輸出端與所述前置處理電路3的輸入端連接；所述激發(fā)壓電晶體1、所述接收壓電晶體2和所述前置處理電路3設(shè)于所述不銹鋼外殼5中；所述前置處理電路3的輸出端與所述連接電纜6連接，經(jīng)過前置處理后的超聲波信號從連接電纜6差分輸出，便于遠(yuǎn)距離傳輸信號；在不銹鋼外殼5與激發(fā)壓電晶體1、接收壓電晶體2之間填充充透聲膠，以降低超聲波在收發(fā)過程衰減作用。該接收壓電晶體2將該超聲波信號輸出至前置處理電路3 ；所述前置處理電路3中的U2B運(yùn)算放大器對該超聲波信號進(jìn)行阻抗變換和放大， 再進(jìn)行濾波；所述前置處理電路3中的濾波電路設(shè)計(jì)為窄帶通濾波器，其中心頻率為激發(fā)壓電晶體1輸出的超聲波信號的諧振峰值頻率，以保證經(jīng)過濾波后得到的放大的超聲波信號為激發(fā)壓電晶體1激發(fā)輸出的超聲波信號，這樣提高了超聲波傳感器接收的靈敏度和信噪比，確保用于樁基完整性檢測的超聲波傳感器真正滿足國家有關(guān)檢測規(guī)程和規(guī)范的基本要求，使得檢測評定具有科學(xué)性和準(zhǔn)確性，特別是在幾十米到幾百米的長樁基中，由于接收壓電晶體2超聲波信號經(jīng)過所述前置處理電路3的U2B運(yùn)算放大器進(jìn)行阻抗變換、放大并濾波，使得經(jīng)所述前置處理電路3處理后的超聲波信號具有低阻抗、抗干擾和傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)；所述不銹鋼外殼5采用防水結(jié)構(gòu)，在所有的螺紋連接部分采用環(huán)氧樹脂密封。如圖2所示，所述前置處理電路包括限幅電路21、阻抗變換電路22、前置放大電路 23、帶通濾波電路24、自動增益控制電路25和屏蔽層驅(qū)動電路沈，其中，所述限幅電路21、所述阻抗變換電路22、所述前置放大電路23、所述帶通濾波電路M和所述屏蔽層驅(qū)動電路26依次電連接；所述自動增益控制電路25，并聯(lián)于相互串聯(lián)的所述前置放大電路23和所述帶通濾波電路M的兩端；所述接收壓電晶體2的輸出端與所述限幅電路21的輸入端連接；所述屏蔽層驅(qū)動電路沈的輸出端與所述連接電纜6連接；所述限幅電路21，用于對所述接收壓電晶體2輸出的超聲波信號進(jìn)行限幅，并將限幅后的超聲波信號傳輸至所述阻抗變換電路22 ；所述阻抗變換電路22，用于對所述限幅電路21輸出的超聲波信號進(jìn)行阻抗變換， 并將阻抗變換后的超聲波信號傳輸至所述前置放大電路23 ；所述阻抗變換電路22輸出的超聲波信號通過所述前置放大電路23放大，并所述前置放大電路23將放大后的超聲波信號傳輸至所述帶通濾波電路M ；所述帶通濾波電路M，對該放大后的超聲波信號進(jìn)行帶通濾波，并將帶通濾波后的超聲波信號傳送至所述屏蔽層驅(qū)動電路26 ；所述自動增益控制電路25，用于對所述帶通濾波電路M輸出的超聲波信號的幅值進(jìn)行控制；所述屏蔽層驅(qū)動電路沈，用于驅(qū)動所述連接電纜6的屏蔽層。如圖3A、圖;3B所示，為所述前置處理電路3的一種具體實(shí)施方式
的電路圖，所述前置處理電路3利用低電壓和低功耗的軌對軌輸出運(yùn)算放大器MC33204來實(shí)現(xiàn)信號處理功能，包含四個(gè)放大器放大器U2A、放大器U2B、放大器U2C和放大器U2D，其中，放大器U2A是型號為MC78L08CP的放大器，放大器U2B、放大器U2C和放大器U2D是型號為MC33204的放大器。如圖3A所示，為所述前置處理電路3的穩(wěn)壓電源部分的電路圖，由輸入電源12V 電源，經(jīng)過電阻R17、電阻R18、電容C18和電容C19濾波后，進(jìn)入放大器Ul穩(wěn)壓輸出8V電壓，輸出8V電壓再經(jīng)過電容C16和電容C17濾波。該8V電壓經(jīng)過R15和R16分壓得到4V 的電壓，4V的電壓經(jīng)過放大器U2A的跟隨器作用，輸出電壓經(jīng)R14和電容C14的限流和濾波作用后，作為單電源提供整個(gè)信號處理電路的直流偏置電壓和經(jīng)過Rll驅(qū)動輸出超聲波信號的連接電纜6的屏蔽層，減少信號在長達(dá)上百米電纜分布電容引起的信號衰減和失真。如圖:3B所示，接收壓電晶體2接收的超聲波信號從接插件Jl輸入，輸入電路由二極管D1、二極管D2、電阻R2、電容C2和電阻Rl組成。其中二極管Dl和二極管D2起到限幅作用，電阻R2和電容Cl組成一階低通濾波器，設(shè)置截止頻率在IOOKHz左右，因?yàn)榻邮諌弘娋w2的諧振頻率在48KHz。電阻Rl為輸入信號提供4V的直流偏置電壓。電容C2為隔斷輸入信號的直流成分。放大器U2B、電阻R3、電阻R4和電容C4組成第一級同相高阻抗的
6放大，放大倍數(shù)在11倍左右。電容C3為隔斷放大后信號的直流成分。電阻R5、三極管Q1、 電阻R13、電容C13、D3、電阻R12和Wl組成自動增益控制電路。放大器U2C和放大器U2D 組成兩級低通濾波器和放大器。最終放大濾波的信號一路經(jīng)過電容Cll和電容ClO輸出， 同時(shí)經(jīng)過電阻R12和電位器Wl分壓后，由二極管D3和電容C13的幅值檢波得到與幅值相關(guān)的直流電壓，經(jīng)過電阻R13加到三極管Ql的基極，使得三極管Ql工作在線性區(qū)，與電阻 R5組成分壓電路。自動增益的起控點(diǎn)由電位器Wl調(diào)節(jié)，在小信號幅值時(shí)不起控，在大信號幅值時(shí)自動減低放大倍數(shù)，防止大信號幅值飽和失真。U2C、電容C6、電阻R6、電阻R7、電阻 R8、電容C7和U2D、C8、電阻R9、電阻R10、電阻R11、電容C9組成兩級低通濾波器和放大器。 電阻R7、電容C7和電阻R10、電容C9確定低通濾波器的截止頻率，在IOOKHz左右。電阻R8 和電阻Rll提供直流偏置電壓。電容C6、電容C8、電容ClO和電容Cll隔斷放大后信號的直流成分。本實(shí)用新型所述的用于樁基超聲波檢測的超聲波傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)1.收發(fā)超聲壓電晶體采用不同的晶體，分為激發(fā)壓電晶體和接收壓電晶體。2.接收壓電晶體的輸出超聲信號通過前置放大器放大，并采用自動增益控制電路控制輸出信號的幅值，防止飽和失真，輸出恒定幅值的接收信號。3.接收壓電晶體的輸出超聲信號通過前置放大器放大，采用帶通濾波電路，帶通濾波電路的中心頻率在接受晶體諧振頻率，這樣大大提高輸出信號的抗干擾能力。4.在超聲傳感器的接收端就地放大和濾波的超聲信號，采用屏蔽層驅(qū)動的方法， 提高信號傳輸距離，提高在傳輸過程中的抗干擾能力。5.該不銹鋼外殼并采用防水結(jié)構(gòu)，在所有的螺紋連接部分采用環(huán)氧樹脂密封，能夠承受60MPa的水壓，滿足長樁基測量的要求。應(yīng)用實(shí)例該傳感器可以使用到基樁超聲聲波透射法檢測中，發(fā)射一種軸向有限長度、單一主頻的柱面波，超聲波在混凝土中的傳播規(guī)律服從彈性波的持性，由直達(dá)波、繞射波、折射波和反射波構(gòu)成。從該傳感器接收的波形可以清晰地分析1.直達(dá)波到達(dá)時(shí)(波速)；2.波幅(或衰減)；3.接收信號頻率變化；4.接收波形畸變。采用新型的傳感器可以測試300 米的基樁深孔。以上所述實(shí)施例，只是本實(shí)用新型較優(yōu)選的具體實(shí)施方式
的一種，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實(shí)用新型技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換，在本實(shí)用新型技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本實(shí)用新型原理對個(gè)別部分進(jìn)行的改變和等同變換都應(yīng)包含在本實(shí)用新型技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種用于樁基超聲波檢測的超聲波傳感器，其特征在于，包括壓電晶體換能器、前置處理電路和連接電纜，其中，所述前置處理電路包括前置放大電路和帶通濾波電路，其中，所述前置放大電路和所述帶通濾波電路連接；所述壓電晶體換能器的輸出端與所述前置放大電路的輸入端連接；所述帶通濾波電路的輸出端與所述連接電纜連接；所述壓電晶體換能器輸出的超聲波信號通過所述前置放大電路放大，并所述前置放大電路將放大后的超聲波信號傳輸至所述帶通濾波電路；所述帶通濾波電路，對該放大后的超聲波信號進(jìn)行帶通濾波，并將帶通濾波后的超聲波信號傳送至所述連接電纜。
2.如權(quán)利要求1所述的用于樁基超聲波檢測的超聲波傳感器，其特征在于，所述帶通濾波器，其中心頻率為壓電晶體換能器輸出的超聲波信號的諧振峰值頻率。
3.如權(quán)利要求1所述的用于樁基超聲波檢測的超聲波傳感器，其特征在于，所述壓電晶體換能器為兩個(gè)，其中，一個(gè)所述壓電晶體換能器，為激發(fā)壓電晶體；另一個(gè)所述壓電晶體換能器，為接收壓電晶體；所述接收壓電晶體的輸出端與所述前置放大電路的輸入端連接。
4.如權(quán)利要求1所述的用于樁基超聲波檢測的超聲波傳感器，其特征在于，所述前置處理電路還包括阻抗變換電路；所述阻抗變換電路，連接于所述壓電晶體換能器與所述前置放大電路之間，用于對所述壓電晶體換能器輸出的超聲波信號進(jìn)行阻抗變換，并將阻抗變換后的超聲波信號傳輸至所述前置放大電路。
5.如權(quán)利要求4所述的用于樁基超聲波檢測的超聲波傳感器，其特征在于，所述前置處理電路還包括限幅電路；所述限幅電路，連接于所述壓電晶體換能器與所述阻抗變換電路之間，用于對所述壓電晶體換能器輸出的超聲波信號進(jìn)行限幅，并將限幅后的超聲波信號傳輸至所述阻抗變換電路。
6.如權(quán)利要求1所述的用于樁基超聲波檢測的超聲波傳感器，其特征在于，所述前置處理電路還包括自動增益控制電路；所述自動增益控制電路，并聯(lián)于相互串聯(lián)的所述前置放大電路和所述帶通濾波電路的兩端。
7.如權(quán)利要求1所述的用于樁基超聲波檢測的超聲波傳感器，其特征在于，所述前置處理電路還包括屏蔽層驅(qū)動電路；所述屏蔽層驅(qū)動電路，連接于所述帶通濾波電路的輸出端與所述連接電纜之間。
8.如權(quán)利要求1所述的用于樁基超聲波檢測的超聲波傳感器，其特征在于，其還包括采用防水結(jié)構(gòu)的不銹鋼外殼，所述壓電晶體換能器和所述前置處理電路設(shè)于所述不銹鋼外殼中，所述不銹鋼外殼在螺紋連接部分采用環(huán)氧樹脂密封。
專利摘要一種用于樁基超聲波檢測的超聲波傳感器，包括壓電晶體換能器、前置處理電路和連接電纜，前置處理電路的輸出端與連接電纜連接；前置處理電路包括前置放大電路、帶通濾波電路、自動增益控制電路和屏蔽驅(qū)動電路，壓電晶體換能器的輸出端與前置放大電路的輸入端連接；壓電晶體換能器輸出的超聲波信號通過前置放大電路放大，并前置放大電路將放大后的超聲波信號傳輸至帶通濾波電路；帶通濾波電路，對該放大后的超聲波信號進(jìn)行帶通濾波；自動增益控制電路對帶通濾波電路輸出的信號進(jìn)行幅值控制；帶通濾波電路，其輸出端與連接電纜連接，用于將經(jīng)過放大、帶通濾波和幅值控制的超聲波信號傳送至連接電纜。本實(shí)用新型可以提高輸出信號的抗干擾能力。
文檔編號G01N29/04GK202075264SQ20112013507
公開日2011年12月14日 申請日期2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月29日
發(fā)明者劉黃華, 李克儉 申請人:武漢華和機(jī)電技術(shù)有限公司