本实用新型涉及信号处理领域，具体涉及一种预应力渡槽监测系统的信号处理电路。
背景技术：
我国水资源分布极不均衡，跨流域的调水工程已成为我国水利建设的重要内容，渡槽是输水建筑物中跨越河川和交通干线的重要水工建筑物。一般来说，渡槽是桥式结构，但由于渡槽输水的特殊功能，又使得渡槽槽身的结构型式与桥梁有很大不同。渡槽为开口的薄壁结构，以尽可能减小结构自重荷载，增加输水承重能力。预应力矩形薄壳渡槽是众多渡槽结构中较优的一种，南水北调中线工程、湖北省鄂北地区水资源配置工程中的大型渡槽也将其做为备选设计方案之一。
大型渡槽的输水流量大，预应力技术被广泛地应用于渡槽的结构设计中，已有学者对这一类型渡槽的振动反应特点进行了探讨，现有技术中，在对渡槽可靠性进行测试或对渡槽进行监测时通常有两种方法，一种是理论分析，另一种是硬件测试。
其中，理论分析中一般忽略渡槽支撑结构的竖向变形影响，将渡槽简化为简支梁或连续梁等梁式结构，在梁的两端作用一对预应力，在渡槽的受力分析中，在梁轴线上还有一个附加力偶，通过预应力渡槽的弯曲振动微分方程对渡槽可靠性进行研究。但是，在理论分析中，由于为了便于计算，往往将渡槽的结构进行简化，然后通过简化后的模型对渡槽可靠性进行计算，简化的模型忽略了渡槽的次要结构特征，不能有效对渡槽进行高精度监测。
硬件测试中，一般利用预应力渡槽监测系统进行测试，该系统使用振动传感器设置在渡槽的内侧，通过采集渡槽的振动信号以对渡槽的可靠性进行测试。由于传感器本身的采集精度不高，并存在干扰，从而导致可靠性测试结果不准确。
技术实现要素：
本实用新型的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种精度高、误差小的预应力渡槽监测系统的信号处理电路。
本实用新型的技术方案为：一种预应力渡槽监测系统的信号处理电路，包括
用于对采样信号进行放大的信号放大电路和用于对采样信号进行滤波的信号滤波电路；
所述信号放大电路包括集成运放a1、场效应管vt3和集成运放a4；
所述信号滤波电路包括双t网络电路和集成运放a5；
所述采样信号与所述集成运放a1的同相输入端连接，所述集成运放a1的反相输入端与输出端连接并通过电阻r9接地，所述集成运放a1的输出端通过场效应管vt3与集成运放a4连接，所述场效应管vt3的栅极与预应力渡槽监测系统的采样信号控制端连接，所述集成运放a4的输出端通过双t网络电路与集成运放a5的同相输入端连接，所述集成运放a5的输出端为本信号处理电路的信号输出端。
较为优选的，所述信号放大电路还包括三极管vt4、vt5、电阻r11～r14、二极管d1、d2和电容c4，所述采样信号控制端通过电阻r14与三极管vt5的基极连接，所述三极管vt5的基极通过电阻r13与 1.5v电源连接，所述 1.5v电源与三极管vt5的发射极连接，所述三极管vt5的集电极通过电阻r11与三极管vt4的基极连接，所述三极管vt4的基极通过电阻r12接地，所述三极管vt4的发射极接地，集电极与场效应管vt3的栅极连接。
较为优选的，所述信号放大电路还包括电阻r10、r15、二极管d1、d2和电容c4，所述电阻r10与二极管d1串联在场效应管vt3与地之间，所述电阻r10与场效应管vt3的漏极连接，所述二极管d1阳极接地，所述采样信号控制端通过电阻r15与电容c4连接，所述电容c4另一端分别连接二极管d1的阴极和场效应管vt3的栅极，所述二极管d2阳极连接在电容c4和电阻r15之间，二极管d2的阴极接地。
较为优选的，所述信号放大电路还包括集成运放a2、a3、电阻r1～r8、电容c1～c3、三极管vt1、vt2，集成运放a2的反向端通过电容c1接地，同时通过电阻r4与输出端连接，电阻r1和r3并联在集成运放a2的同相输入端，电阻r1的另一端连接 1.5v电源，电阻r3的另一端接地，集成运放a2的同相输入端通过电阻r2与输出端连接，集成运放a2的输出端与集成运放a3的反向输入端连接，电阻r5和r6并联在集成运放a3的同相输入端，电阻r5的另一端连接 1.5v电源，电阻r6的另一端接地，集成运放a3的输出端通过电阻r8与三极管vt2的基极连接，三极管vt2的集电极通过电容c3接地，发射极通过电容c2与集成运放a3的反相输入端连接，集成运放a3的反相输入端通过电阻r7与三极管vt1基极连接，三极管vt1发射极接地，集电极与三极管vt2的发射极连接。
较为优选的，所述信号放大电路还包括场效应管vt6、vt7、电阻r16～r18，所述场效应管vt6、vt7的漏极与 1.5v电源连接，场效应管vt6的栅极与场效应管vt3的源极连接，场效应管vt7的栅极与集成运放a4的输出端连接，所述场效应管vt6的源极通过串联的电阻r16、r17接地，场效应管vt7的源极通过串联的电阻r18、r19接地，所述集成运放a4的同相输入端连接在电阻r16、r17之间，反相输入端连接在电阻r18、r19之间。
较为优选的，所述信号滤波电路还包括电容c7、电阻r23～r25，所述双t网络电路包括串联的电阻r21、r22和串联的电容c8、c9，所述电容c7一端连接在串联的电阻r21、r22之间，另一端与集成运放a5的输出端连接，所述电阻r23一端连接在电容c8、c9之间，另一端接地，所述集成运放a5的反相输入端通过电阻r25接地，所述电阻r25另一端通过电阻r24与集成运放a5的输出端连接。
本实用新型的有益效果为：将振动传感器采集的微弱电压信号，在信号放大电路内通过集成运放a1-a4、电容c1-c6、二极管d1-d3、三极管vt1-vt2、vt4-vt5、场效应管vt3、vt6-vt7和电阻r1-r20放大处理。而由集成运放a1-a4、电容c1-c6、二极管d1-d3、三极管vt1-vt2、vt4-vt5、场效应管vt3、vt6-vt7和电阻r1-r20构成的信号放大电路只有1.35μv/℃的漂移、2μv以内的偏移、100pa偏置电流和0.1hz到10hz宽带内3.25nv的噪声。同时，进入信号滤波电路使用电阻r21-r25、电容c7-c9以及集成运放a5对经过放大后的电信号进行滤波处理，从而提高了振动检测的精度，并降低干扰。
附图说明
图1为本实用新型一种预应力渡槽监测系统的信号处理电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明，便于清楚地了解本实用新型，但它们不对本实用新型构成限定。
如图1所示，本实用新型的预应力渡槽监测系统的信号处理电路用于对该系统振动传感器采集的振动信号进行放大和滤波处理。振动信号被转换为电压信号v0后传输至信号处理电路，v1为经过信号处理电路处理后的电压信号，信号处理电路包括信号放大电路和信号滤波电路，振动传感器的输出端与信号放大电路的输入端连接，信号放大电路的输出端与信号滤波电路的输入端连接。
具体地，信号放大电路包括集成运放a1-a4、电容c1-c6、二极管d1-d3、三极管vt1-vt2、vt4-vt5、场效应管vt3、vt6-vt7和电阻r1-r20。
其中，振动传感器的输出端与集成运放a1的同相输入端连接，电阻r1的一端与 1.5v电源连接，电阻r1的另一端与集成运放a2的同相输入端连接，电阻r3的一端接地，电阻r3的另一端与电阻r1的另一端连接，电容c1的一端接地，电容c1的另一端与集成运放a2的反相输入端连接，电阻r1的另一端还与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端与集成运放a2的输出端连接，电阻r4的一端与集成运放a2的反相输入端连接，电阻r4的另一端与集成运放a2的输出端连接，电阻r4的另一端与电容c2的一端连接，电阻r4的另一端与电阻r7的一端连接，电阻r4的另一端还与集成运放a3的反相输入端连接，电阻r6的一端接地，电阻r6的另一端与集成运放a3的同相输入端连接，电阻r5的一端与 1.5v电源连接，电阻r5的另一端与电阻r6的另一端连接，电阻r7的另一端与三极管vt1的基极连接，三极管vt1的发射极接地，电容c2的另一端与三极管vt1的集电极连接，电容c2的另一端还与三极管vt2的发射极连接，电容c3的一端接地，电容c3的另一端与三极管vt4的发射极连接，电容c3的另一端与电阻r12的一端连接，电容c3的另一端还与三极管vt2的集电极连接，电阻r8的一端与集成运放a3的输出端连接，电阻r8的另一端与三极管vt2的基极连接，电阻r9的一端接地，电阻r9的另一端与集成运放a1的输出端连接，电阻r9的另一端与集成运放a1的输出端连接，集成运放a1的反相输入端与集成运放a1的输出端连接，二极管d1的阳极接地，二极管d1的阴极与电阻r10的一端连接，二极管d1的阴极与场效应管vt3的栅极连接，二极管d1的阴极与电容c4的一端连接，二极管d1的阴极还与三极管vt4的集电极连接，电阻r10的另一端与集成运放a1的输出端连接，电阻r10的另一端还与场效应管vt3的漏极连接，电阻r12的另一端与三极管vt4的基极连接，电阻r12的另一端还与电阻r11的一端连接，电阻r11的另一端与三极管vt4的集电极连接，三极管vt5的发射极与 1.5v电源连接，电阻r14的一端与采样控制端连接，当采样控制端输入电压为1v时，信号放大电路对输入电压v0进行放大作业，否则，则信号放大电路不工作。电阻r14的另一端与电阻r15的一端连接，电阻r14的另一端与电阻r13的一端连接，电阻r14的另一端还与三极管vt5的基极连接，电阻r13的另一端与 1.5v电源连接，电容c5一端接地，电容c5的另一端与场效应管vt3的源极连接，电容c5的另一端与场效应管vt6的栅极连接，电阻r15的另一端与二极管d2的阳极连接，二极管d2的阴极接地，电阻r15的另一端还与电容c4的另一端连接，电阻r17的一端接地，电阻r17的另一端与集成运放a4的同相输入端连接，电阻r17的另一端还与电阻r16的一端连接，电阻r16的另一端与场效应管vt6的源极连接，场效应管vt6的漏极与 1.5v电源连接，电阻r19的一端接地，电阻r19的另一端与集成运放a4的反相输入端连接，电阻r19的另一端与电容c6的一端连接，电阻r19的另一端还与电阻r18的一端连接，电阻r18的另一端与场效应管vt7的源极连接，场效应管vt7的漏极与 1.5v电源连接，电容c6的另一端与集成运放a4的输出端连接，电容c6的另一端还与二极管d3的阳极连接，电阻r20的一端接地，电阻r20的另一端与二极管d3的阴极连接，电阻r20的另一端还与场效应管vt7的栅极连接，场效应管vt7的栅极与信号滤波电路的输入端连接。
具体地，信号滤波电路包括电阻r21-r25、电容c7-c9以及集成运放a5。
其中，信号放大电路的输出端与电阻r21的一端连接，电阻r21的一端与电容c8的一端连接，电阻r21的另一端与电容c7的一端连接，电阻r21的另一端还与电阻r22的一端连接，电容c8的另一端与电容c9的一端连接，电阻r23的一端接地，电阻r23的另一端与电容c8的另一端连接，电容c9的另一端与电阻r22的另一端连接，电阻r22的另一端与集成运放a5的同相输入端连接，电容c7的另一端与集成运放a5的输出端连接，电阻r25的一端接地，电阻r25的另一端与集成运放a5的反相输入端连接，是按照r25的另一端还与电阻r24的一端连接，电阻r24的另一端与集成运放a5的输出端连接，集成运放a5的输出端与中央处理装置的输入端连接，信号滤波电路将电压信号v1传输至中央处理装置的adc端口。
上述实施方式中，信号处理电路的噪声在3.25nv以内，漂移为1.35μv/℃，集成运放a1、a4的型号均为lm10，集成运放a2的型号为c1a1/2lt1018，集成运放a3的型号为c1b1/2lt1018，集成运放a5的型号为lt1192，场效应管vt3、vt6-vt7的型号均为2n4338，三极管vt1-vt2、vt4-vt5的型号均为2n3904，二极管d1-d3的型号均为1n914。
在信号放大电路中，电阻r1的阻值为1mω，电阻r2的阻值为1mω，电阻r3的阻值为330ω，电阻r4的阻值为330kω，电阻r5的阻值为1mω，电阻r6的阻值为100kω，电阻r7的阻值为20kω，电阻r8的阻值为20kω，电阻r9的阻值10kω，电阻r10的阻值为300kω，电阻r11的阻值为180kω，电阻r12的阻值为100kω，电阻r13的阻值为1mω，电阻r14的阻值为100kω，电阻r15的阻值为3.3kω，电阻r16的阻值为49.9kω，电阻r17的阻值为49.9kω，电阻r18的阻值为49.9kω，电阻r19的阻值为49.9kω，电阻r20的阻值为33kω，电容c1的电容值为1000pf，电容c2的电容值为2.2μf，电容c3的电容值为2.2μf，电容c4的电容值为1500pf，电容c5的电容值为0.0068μf，电容c6的电容值为180pf。
本实施例中的信号放大电路对传感器输出的电压信号响应速度快，其中，传感器采集的电压信号v0从集成运放a1的同相端输入，场效应管vt3作为采样保持开关，电阻r9接地，且集成运放a1的反相输入端与集成运放a1的输出端连接，能够有效的滤除电压信号v0中的低频噪声部分。三极管vt4和vt5提供一种电平平移来驱动场效应管vt3的栅极，在本实施例中的信号放大电路中，为了降低电路的功耗，使用电容c4的前馈电路用于加快场效应管vt3快速开关其栅极，而不仅仅依靠三极管vt4和vt5的工作电流，也就是说通过采样控制端能够对场效应管vt3的栅极进行控制，进而控制了信号处理是否进行。集成运放a2用于驱动三极管vt1，集成运放a3反转集成运放a1的输出，并偏置三极管vt2，晶体管作为同步开关且电荷被传输至三极管vt2端的电容c3处，并在电容c3处产生一个负电位。同时，集成运放a2的输出端与集成运放a3的反相输入端连接，用于提供驱动信号。
信号放大电路中场效应管vt6-vt7设置为源极跟随器，所接电阻作为电平转换器以保持集成运放的输入在集成运放a1的共模范围内，因此，信号放大电路不仅能够对传感器采集的信号进行有效放大，并且放大后的信号平滑不失真。
信号放大单元将电压信号v01传输至信号滤波单元，关于信号滤波单元，其通过电阻r21、r22、c8、c9构成了一个双t网络，信号滤波单元还经由顶部电容c7提供正反馈的增益，双t网络为输入信号传输至集成运放a5的输入端提供了一条正向通路，也就是说，双t网络提供了两条信号传输路径：低频信号通路(从两个电阻一路通过)和高频信号通路(从两个电容一路通过)，在中频区域，这两条通路会产生相反的相位角，因此，在集成运放a5的输入端这两个正向信号有相互抵消的趋势，由此，经过集成运放a5输出的信号能够有效滤除高频噪声信号和低频噪声信号。
在信号滤波电路中，电阻r21-r25的阻值、电容c7-c9的电容值为根据滤波需求进行设置。
本实施例中优选一组电阻r21-r25的阻值、电容c7-c9的电容值的值，其中，电阻r21的阻值为26.7kω，电阻r22的阻值为26.7kω，电阻r23的阻值为13.3kω，电阻r24的阻值为9.53kω，电阻r25的阻值为10kω，电容c7的电容值为200nf，电容c8的电容值为100nf，电容c9的电容值为100nf。
以上实施例中，中心频率f0＝59.665hz。
由于振动传感器采集的信号为微弱的电压信号，因而信号放大电路通过集成运放a1-a4、电容c1-c6、二极管d1-d3、三极管vt1-vt2、vt4-vt5、场效应管vt3、vt6-vt7和电阻r1-r20对振动传感器输出的电压信号v0进行放大处理，由集成运放a1-a4、电容c1-c6、二极管d1-d3、三极管vt1-vt2、vt4-vt5、场效应管vt3、vt6-vt7和电阻r1-r20构成的信号放大电路只有1.35μv/℃的漂移、2μv以内的偏移、100pa偏置电流和0.1hz到10hz宽带内3.25nv的噪声。其中，信号滤波电路使用电阻r21-r25、电容c7-c9以及集成运放a5对经过放大后的电信号进行滤波处理，从而提高了振动检测的精度。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
1.一种预应力渡槽监测系统的信号处理电路，其特征在于，包括
用于对采样信号进行放大的信号放大电路和用于对采样信号进行滤波的信号滤波电路；
所述信号放大电路包括集成运放a1、场效应管vt3和集成运放a4；
所述信号滤波电路包括双t网络电路和集成运放a5；
所述采样信号与所述集成运放a1的同相输入端连接，所述集成运放a1的反相输入端与输出端连接并通过电阻r9接地，所述集成运放a1的输出端通过场效应管vt3与集成运放a4连接，所述场效应管vt3的栅极与预应力渡槽监测系统的采样信号控制端连接，所述集成运放a4的输出端通过双t网络电路与集成运放a5的同相输入端连接，所述集成运放a5的输出端为本信号处理电路的信号输出端。
2.根据权利要求1所述的预应力渡槽监测系统的信号处理电路，其特征在于：所述信号放大电路还包括三极管vt4、vt5、电阻r11～r14、二极管d1、d2和电容c4，所述采样信号控制端通过电阻r14与三极管vt5的基极连接，所述三极管vt5的基极通过电阻r13与 1.5v电源连接，所述 1.5v电源与三极管vt5的发射极连接，所述三极管vt5的集电极通过电阻r11与三极管vt4的基极连接，所述三极管vt4的基极通过电阻r12接地，所述三极管vt4的发射极接地，集电极与场效应管vt3的栅极连接。
3.根据权利要求1所述的预应力渡槽监测系统的信号处理电路，其特征在于，所述信号放大电路还包括电阻r10、r15、二极管d1、d2和电容c4，所述电阻r10与二极管d1串联在场效应管vt3与地之间，所述电阻r10与场效应管vt3的漏极连接，所述二极管d1阳极接地，所述采样信号控制端通过电阻r15与电容c4连接，所述电容c4另一端分别连接二极管d1的阴极和场效应管vt3的栅极，所述二极管d2阳极连接在电容c4和电阻r15之间，二极管d2的阴极接地。
4.根据权利要求2所述的预应力渡槽监测系统的信号处理电路，其特征在于，所述信号放大电路还包括集成运放a2、a3、电阻r1～r8、电容c1～c3、三极管vt1、vt2，集成运放a2的反向端通过电容c1接地，同时通过电阻r4与输出端连接，电阻r1和r3并联在集成运放a2的同相输入端，电阻r1的另一端连接 1.5v电源，电阻r3的另一端接地，集成运放a2的同相输入端通过电阻r2与输出端连接，集成运放a2的输出端与集成运放a3的反向输入端连接，电阻r5和r6并联在集成运放a3的同相输入端，电阻r5的另一端连接 1.5v电源，电阻r6的另一端接地，集成运放a3的输出端通过电阻r8与三极管vt2的基极连接，三极管vt2的集电极通过电容c3接地，发射极通过电容c2与集成运放a3的反相输入端连接，集成运放a3的反相输入端通过电阻r7与三极管vt1基极连接，三极管vt1发射极接地，集电极与三极管vt2的发射极连接。
5.根据权利要求1所述的预应力渡槽监测系统的信号处理电路，其特征在于，所述信号放大电路还包括场效应管vt6、vt7、电阻r16～r18，所述场效应管vt6、vt7的漏极与 1.5v电源连接，场效应管vt6的栅极与场效应管vt3的源极连接，场效应管vt7的栅极与集成运放a4的输出端连接，所述场效应管vt6的源极通过串联的电阻r16、r17接地，场效应管vt7的源极通过串联的电阻r18、r19接地，所述集成运放a4的同相输入端连接在电阻r16、r17之间，反相输入端连接在电阻r18、r19之间。
6.根据权利要求1所述的预应力渡槽监测系统的信号处理电路，其特征在于，所述信号滤波电路还包括电容c7、电阻r23～r25，所述双t网络电路包括串联的电阻r21、r22和串联的电容c8、c9，所述电容c7一端连接在串联的电阻r21、r22之间，另一端与集成运放a5的输出端连接，所述电阻r23一端连接在电容c8、c9之间，另一端接地，所述集成运放a5的反相输入端通过电阻r25接地，所述电阻r25另一端通过电阻r24与集成运放a5的输出端连接。
技术总结