CN108414159B - 一种利用应力波定位hdpe膜渗漏位置的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用应力波定位HDPE膜渗漏位置的方法及装置,其应用铺设在HDPE膜下的数个振动检波器监测HDPE膜破裂时产生的应力波，并将接收到的机械信号转化为电信号，并记录应力波的到达时刻；所述电信号经过信号调理电路对其进行调制放大并滤除杂波；调理好的电信号经A\D转换电路进行模数转换之后输送到数据采集器的主控芯片进行储存；由数据处理终端提取数据采集器中的信息并对其进行分析，以判断新的震源的产生时刻及得到HDPE膜破损位置坐标。本发明可以改善旧方法先污染后发现的问题，且显著提高定位模型的分辨率。

Description

一种利用应力波定位HDPE膜渗漏位置的方法及装置

技术领域

本发明涉及环境监测、控制工程，尤指一种利用应力波定位HDPE膜渗漏位置的方法及装置。

背景技术

目前，传统的垃圾填埋场防渗在线监测方法是在HDPE膜下方铺设一定数量的电极或者铺设网格状导电纤维，通过测量不同地点的电势差或通过测量导电纤维是否发生短路来判断渗漏的位置，进而确定HDPE膜的破损点。这两种方法的优点是结构简单，实现方便。其中，土工膜电学渗漏位置探测是目前防渗土工膜渗漏位置检测中最为可靠和有效的现场检测技术方法，基本原理简单来说是在土工膜上施加电压，分析在HDPE膜下方铺设的电极电势分布差异，定位渗漏点。申请号为CN201420211744.3的《固体废弃物填埋场渗漏检测的导电HDPE膜结构》专利，其公开了通过专用电火花测试器对导电HDPE膜进行全面检测，当检测到漏点时电刷与导电HDPE膜导电层连通且电流值发生变化触动电流预警值，电火花测试器发出蜂鸣报警，即可准确检测到渗漏点。但这两种方法也存在着不同的缺陷。对于铺设电极的方法由于垃圾层属于良导体，渗漏点电流场大部分能量会传输到垃圾层，致使在检测电势差时会造成极大偏差；而铺设网格状导电纤维的方法所面对的最大问题是现有的设备还无法提供功率足够大的电信号致使系统的分辨率过低。

因而，如何提高检测精度及分辨率，尤其是解决传统方法先污染后发现的问题，使得发现得更为及时可靠，是本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的一种利用应力波定位HDPE膜渗漏位置的方法及装置主要目的在于解决传统方法分辨率过低，现有设备不能达到要求和先污染后发现等缺点，以求可以改善旧方法先污染后发现的问题，且显著提高定位模型的分辨率。其次，本发明专利意欲解决的另一技术问题是如何实现检波器位置、二维定位算法的有效结合，同时，还能提高定位模型分辨率。

发明人考虑到由于地基的不均匀下陷和垃圾渗漏液腐蚀作用，使得铺设在卵石层下的HDPE膜会随机发生破裂，进而会产生不同形式的应力波。同时发明人借鉴了目前监测工程中异常震动的技术，近几十年来，随着对工程安全的要求不断提高，为防止施工和使用时由于人为、环境等因素造成的细小破裂进而诱发安全事故，监测工程中异常震动的技术由此而生。为此，检波器得到了充分的发展和广泛的应用。现如今，随着集成射频检波器代替传统的动圈式检波器，其稳定性、抗干扰能力和灵敏度得到了质的飞跃且具有了一定的智能功能和识别功能。

因而本发明的一种利用应力波定位HDPE膜渗漏位置的方法及装置的关键点是运用应力波监测技术来实现垃圾填埋场HDPE膜防渗漏检测。本发明通过监测HDPE膜破裂所产生的应力波的方法，利用应力波传播稳定，传播距离长且在HDEP膜发生破裂时立即有应力波产生的特点，实现对HDPE膜渗漏位置的实时精确定位。

为实现上述目的，本发明提供了一种利用应力波定位HDPE膜渗漏位置的方法,其包括步骤：

1)应用铺设在HDPE膜下的数个振动检波器监测HDPE膜破裂时产生的应力波，并将接收到的机械信号转化为电信号，并记录应力波的到达时刻；

2)所述电信号经过信号调理电路对其进行调制放大并滤除杂波；

3)调理好的电信号经A\D转换电路进行模数转换之后输送到数据采集器的主控芯片进行储存；

4)由数据处理终端提取数据采集器中的信息并对其进行分析，以判断新的震源的产生时刻及得到HDPE膜破损位置坐标。

较佳的，该方法使用的渗漏位置监测系统由地上部分和地下部分组成，其中地下部分为，由铺设在HDPE膜下的数个振动检波器构成的振动波传感器组；地上部分为数据采集器和数据处理终端。

较佳的，所述振动检波器为集成射频检波器，所述数据采集器和数据处理终端包括信号调理电路、A\D转换电路、主控芯片及外围电路和至少一台计算机。

较佳的，所述检波器数量大于等于4个，成等距离间隔排列构成矩形。

较佳的，所述检波器组相邻的两检波器之间距离小于等于10米，HDPE膜任一点与最近的四个振动检波器之间距离都小于31米。

较佳的，所述检波器组相邻的两检波器之间距离小于等于10米，振动检波器与HDPE膜之间垂直直线距离为10米。

较佳的，在步骤4)中是利用数个振动检波器监测HDPE膜破损时产生应力波的到达时间，以二维定位算法确定应力波空间位置。

较佳的，以振动检波器所处平面为Z＝0面建立三维坐标系，则HDPE膜所处的平面为Z＝10；震源点至各检波器间的关系为：

式中，t_si,t_pi为s波与p波到第i个检波器的初至时刻，v_s,v_p为s波与p波的波速，(x₀,y₀,10)为起振位置坐标，(x_i,y_i,0)为第i个检波器坐标；

对于第m,k个检波器有：

令t_si-t_pi＝T_i，并将式(2)减去式(3)可得：

对(4)进行泰勒展开得：

其中：

对于n个传感器即可得到n(n-1)/2个方程，用矩阵表达式为

令

[r_1，2…r_n-1，n]^T＝r。

用δθ＝[A^TA-(▽_θA^T)r]^-1A^Tr求解式(8)可得修正向量δθ＝[Δx，Δy]，其中，

以(θ+δθ)为新的震源坐标点继续迭代，直至满足误差要求，即可得到HDPE膜破损位置坐标。

较佳的，该数据采集器主要包含电源模块，晶振电路，复位电路，按键模块，信号调理及A/D转换模块，存储模块，串口通信模块和USB模块；当应力波传感器监测到振动信号后输送到信号调理及A/D转换模块进行放大滤波和模数转换，然后将调理好的信号送入存储模块进行储存，最后将采集的信息通过串口通信模块送入数据处理终端中进行处理和分析。

本发明还提供了一种利用应力波定位HDPE膜渗漏位置的装置,其包括，铺设于HDPE膜下方的振动波传感器组、数据采集器和数据处理终端，而数据采集器和数据处理终端由信号调理电路、A\D转换电路、主控芯片及外围电路和至少一台计算机组成。

较佳的，所述渗漏位置监测系统由地上部分和地下部分组成，其中地下部分为振动波传感器组，地上部分为数据采集器和数据处理终端；

其中，铺设在HDPE膜下的检波器监测HDPE膜破裂时产生的应力波，将接收到的机械信号转化为电信号，并记录应力波的到达时刻。随后电信号经过信号调理电路对其进行调制放大并滤除杂波。调理好的电信号经A\D转换电路进行模数转换之后输送到数据采集器的主控芯片进行储存。最后由数据处理终端提取数据采集器中的信息并对其进行分析。

借助上述方法及装置，本发明的一种利用应力波定位HDPE膜渗漏位置的方法及装置比较传统防渗漏监测方法，运用检测应力波的方法主要有以下优点：

1)当HDPE膜发生破损时会及时产生应力波，会立即被检波器所监测，较传统方法发现得更为及时可以有效改善旧方法先污染后发现的问题。

2)定位模型分辨率得到显著提高。

3)较传统方法，本发明所运用的检测装置足可以满足对检测精度的要求。

4)在定位运算方法上，本发明的定位算法减少了未知数的数量，降低了计算难度。

5)利用本方法的系统，能有效识别HDPE膜破裂产生的振动波频谱范围，滤除杂波。

6)本系统所涉及定位算法能及时修正应力波在土壤中的传播速度。

附图说明

图1垃圾填埋场的应力波监测系统原理图；

图2本发明的一种利用应力波定位HDPE膜渗漏位置的方法及装置定位分析原理图；

图3本发明的一种利用应力波定位HDPE膜渗漏位置的方法及装置的一应力波监测系统的数据采集器具体实施例。

图中：

1…振动波传感器组2…HDPE膜

3…数据采集器。

具体实施方式

本发明的一种利用应力波定位HDPE膜2渗漏位置的方法及装置是利用应力波测试技术对垃圾填埋场防渗层(HDPE膜)进行实时渗漏定位。由于地基的不均匀下陷和垃圾渗漏液腐蚀作用，使得铺设在卵石层下的HDPE膜2会随机发生破裂，进而产生不同形式的应力波。本方法将振动检波器以一定的排列方式铺设在HDPE膜2下土壤层中，利用检波器监测应力波到达时间，并以此确定HDPE膜2产生应力波的时刻及其空间位置，并将应力波调制放大，滤除杂波后输送到信息处理终端进行分析。本发明专利除了能解决传统电学检测方法先污染后发现的问题，还能提高定位精度。因此，本发明专利解决的技术问题是如何实现检波器位置、二维定位算法的有效结合，同时，还能提高定位模型分辨率。

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案做进一步具体的说明。

现将从功能、组成和工作原理三个方面介绍本发明的一种利用应力波定位HDPE膜2渗漏位置的方法涉及的HDPE膜2防渗漏监测系统。

功能：本发明的一种利用应力波定位HDPE膜2渗漏位置的方法及装置其构思是利用检波器监测HDPE膜2破损时产生应力波的到达时间，以此确定应力波的空间位置。

系统组成：本发明的一种利用应力波定位HDPE膜2渗漏位置的方法及装置所涉及的渗漏定位系统原理图如图1所示，为本发明涉及的垃圾填埋场的应力波监测系统原理图。由图可知，为实现本发明方法所设计的渗漏监测系统由地上部分和地下部分组成。其中地下部分为振动波传感器组1。地上部分为数据采集器3和数据处理终端，由信号调理电路、A\D转换电路、主控芯片及外围电路和多台计算机组成。

工作原理：本发明的一种利用应力波定位HDPE膜2渗漏位置的方法及装置应用铺设在HDPE膜2下的检波器监测HDPE膜2破裂时产生的应力波，将接收到的机械信号转化为电信号，并记录应力波的到达时刻。随后电信号经过信号调理电路对其进行调制放大并滤除杂波。调理好的电信号经A\D转换电路进行模数转换之后输送到数据采集器3的主控芯片进行储存。最后由数据处理终端提取数据采集器3中的信息并对其进行分析。

检波器排布：为了使检波器接收到足够明显的应力波，须使应力波到达检波器时的压力大于15Pa,根据应力波衰减公式：P＝P₀/r^α(其中r为应力波与震源的距离，

为衰减指数，γ为材料泊松比，对于垃圾填埋场粘土层一般取0.4。P₀为振源处压力，经实验得P₀＝14MPa)可得，r＜31m。为保证有足够的检波器(大于等于4个)检测到振动信号，两检波器之间距离至多为10米，振动检波器与HDPE膜2之间直线距离为10米。

定位分析：以检波器所处平面为Z＝0面建立三维坐标系如图2所示的定位分析原理图，则HDPE膜2所处的平面为Z＝10。

震源点至各检波器间的关系为：

式中，t_si,t_pi为s波与p波到第i个检波器的初至时刻，v_s,v_p为s波与p波的波速，(x₀,y₀,10)为起振位置坐标，(x_i,y_i,0)为第i个检波器坐标。

对于第m,k个检波器有：

令t_si-t_pi＝T_i，并将式(2)减去式(3)可得：

在实际情况下由于土壤介质密度不均匀，会造成P波和S波波速产生变动，从而使r_mk不为0，r_mk为速度残差。

对(4)进行泰勒展开得：

其中：

对于n个传感器即可得到n(n-1)/2个方程，用矩阵表达式为

令

[r_1，2…r_n-1，n]^T＝r。

用δθ＝[A^TA-(▽_θA^T)r]^-1A^Tr求解式(8)可得修正向量δθ＝[Δx，Δy]，其中

以(θ+δθ)为新的震源坐标点继续迭代，直至满足误差要求，即可得到HDPE膜2破损位置坐标。

图3是本发明的一种利用应力波定位HDPE膜2渗漏位置的方法及装置的一个应力波监测系统的数据采集器实施实例，从图3可以看出，本发明的该具体实施例所使用的数据采集器是以Cortex-A8芯片为基础设计的。该数据采集器所涉及的主要模块从左到右依次为电源模块，晶振电路，复位电路，按键模块，信号调理及A/D转换模块，存储模块，串口通信模块和USB模块。其工作过程为：当应力波传感器监测到振动信号后输送到信号调理及A/D转换模块进行放大滤波和模数转换，然后将调理好的信号送入存储模块进行储存，最后将采集的信息通过串口通信模块送入数据处理终端(即多台电脑)中进行处理和分析，以得到HDPE膜破损位置坐标及发生时间。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种利用应力波定位HDPE膜渗漏位置的方法,其特征在于，其包括步骤：

1)应用铺设在HDPE膜下的数个振动检波器监测HDPE膜破裂时产生的应力波，并将接收到的机械信号转化为电信号，并记录应力波的到达时刻；

2)所述电信号经过信号调理电路对其进行调制放大并滤除杂波；

3)调理好的电信号经A\D转换电路进行模数转换之后输送到数据采集器的主控芯片进行储存；

4)由数据处理终端提取数据采集器中的信息并对其进行分析，以判断新的震源的产生时刻及得到HDPE膜破损位置坐标；

其中，该方法使用的渗漏位置监测系统由地上部分和地下部分组成，其中地下部分为：由铺设在HDPE膜下的数个振动检波器构成的振动波传感器组；地上部分为数据采集器和数据处理终端；所述振动检波器为集成射频检波器，所述数据采集器和数据处理终端包括信号调理电路、A\D转换电路、主控芯片及外围电路和至少一台计算机；所述检波器数量大于等于4个，成等距离间隔排列构成矩形；所述检波器组相邻的两检波器之间距离小于等于10米，HDPE膜任一点与最近的四个振动检波器之间距离都小于31米；

以振动检波器所处平面为Z＝0面建立三维坐标系，则HDPE膜所处的平面为Z＝10；震源点至各检波器间的关系为：

式中，t_si,t_pi为s波与p波到第i个检波器的初至时刻，v_s,v_p为s波与p波的波速，(x₀,y₀,10)为渗漏位置坐标，(x_i,y_i,0)为第i个检波器坐标；

对于n个检波器，将其坐标代入(1)式，进行两两相减，可得到n(n-1)/2个方程，对其进行泰勒展开，用矩阵表达式为

其中

r＝[r_1，2…r_n-1，n]^T，

用

求解式(2)可得修正向量δθ＝[Δx，Δy]，其中

以(θ+δθ)为新的震源坐标点继续迭代，直至满足误差要求，即可得到HDPE膜破损位置坐标。

2.根据权利要求1所述的一种利用应力波定位HDPE膜渗漏位置的方法,其特征在于，所述检波器组相邻的两检波器之间距离小于等于10米，振动检波器与HDPE膜之间垂直直线距离为10米。

3.根据权利要求2所述的一种利用应力波定位HDPE膜渗漏位置的方法,其特征在于，在步骤4)中是利用数个振动检波器监测HDPE膜破损时产生应力波的到达时间，以二维定位算法确定应力波空间位置。

4.根据权利要求1所述的一种利用应力波定位HDPE膜渗漏位置的方法,其特征在于，该数据采集器主要包含电源模块，晶振电路，复位电路，按键模块，信号调理及A/D转换模块，存储模块，串口通信模块和USB模块；当应力波传感器监测到振动信号后输送到信号调理及A/D转换模块进行放大滤波和模数转换，然后将调理好的信号送入存储模块进行储存，最后将采集的信息通过串口通信模块送入数据处理终端中进行处理和分析。

5.一种利用应力波定位HDPE膜渗漏位置的装置,其特征在于其包括，铺设于HDPE膜下方的振动波传感器组、数据采集器和数据处理终端，而数据采集器和数据处理终端由信号调理电路、A\D转换电路、主控芯片及外围电路和至少一台计算机组成；所述渗漏位置监测系统由地上部分和地下部分组成，其中地下部分为振动波传感器组，地上部分为数据采集器和数据处理终端；

其中，铺设在HDPE膜下的检波器监测HDPE膜破裂时产生的应力波，将接收到的机械信号转化为电信号，并记录应力波的到达时刻，随后电信号经过信号调理电路对其进行调制放大并滤除杂波，调理好的电信号经A\D转换电路进行模数转换之后输送到数据采集器的主控芯片进行储存，最后由数据处理终端提取数据采集器中的信息并对其进行分析；其分析是以振动检波器所处平面为Z＝0面建立三维坐标系，则HDPE膜所处的平面为Z＝10；震源点至各检波器间的关系为：

式中，t_si,t_pi为s波与p波到第i个检波器的初至时刻，v_s,v_p为s波与p波的波速，(x₀,y₀,10)为渗漏位置坐标，(x_i,y_i,0)为第i个检波器坐标；

对于n个检波器，将其坐标代入(1)式，进行两两相减，可得到n(n-1)/2个方程，对其进行泰勒展开，用矩阵表达式为

其中

r＝[r_1，2…r_n-1，n]^T，

用

求解式(2)可得修正向量δθ＝[Δx，Δy]，其中

以(θ+δθ)为新的震源坐标点继续迭代，直至满足误差要求，即可得到HDPE膜破损位置坐标。

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