CN110243559A - 基于流场拟合法的堤坝渗漏探测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于流场拟合法的堤坝渗漏探测装置及方法，其中，所述装置包括：发射装置、接收装置和上位机，发射装置包括依次连接的CPLD、H桥隔离驱动电路、H桥发射电路和两个发射电极，两个发射电极分别置于水库内和堤坝外侧的水库出水口处，接收装置包括依次连接的两个接收电极、低通滤波电路、信号保护电路、低噪声放大电路、模数转换器和单片机，所述接收电极置于水库内且靠近堤坝放置，上位机通过串口模块与单片机通讯，用于对接收到的电位信号进行处理，并绘制堤坝渗漏电势等位线图，实现对堤坝渗漏点的定位。该基于流场拟合法的堤坝渗漏探测装置及方法，不易被自然地貌所影响，汛期和非汛期均能够使用。
Description
技术领域
本发明涉及堤坝渗漏勘测技术，特别提供了一种基于流场拟合法的堤坝渗漏探测装置及方法。
背景技术
随着我国不断发展水利水电事业，堤坝的建设与维护越来越被重视。堤坝工程的建设能够发电，提升农业生产质量，对航道起到改善的作用。但是全国将近2/3的地区均在不同程度上受到洪水的灾害。在长期自然环境和多种因素作用下，堤坝存在很多隐患，常常发生溃坝、渗漏、管涌等险情。因此，检测和定位堤坝渗漏的具体位置有着十分重要的意义。
检测堤坝渗漏位置的方法有很多，首先是瞬变电磁法，瞬变电磁法虽然能够通过接收线圈观测涡流场的变化，进而判断渗漏位置，但上述方法使用的前提是线圈要铺设的尽量平整，因此很容易受到复杂的地貌和地理环境限制；其次是地质雷达法，通过向地下发射高频电磁波，用天线接收反射回的信号到雷达主机上。尽管上述方法操作简单，但发射的高频电磁波衰减程度不容忽视，这对检测的深度和精度都造成的影响；最后是高密度电阻率法，尽管该方法在地质探测中有很好的应用效果，但是在堤坝的渗漏点的探测中会因为堤坝材料的差异大大降低。
因此，研制一种具有较高精度且不易受地形环境等因素影响的堤坝渗漏探测装置，成为人们亟待解决的问题。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于流场拟合法的堤坝渗漏探测装置及方法，以解决现有堤坝渗漏探测装置易受地形地貌、汛期等因素影响的问题。
本发明一方面提供了一种基于流场拟合法的堤坝渗漏探测装置，包括：发射装置、接收装置和上位机，其中，发射装置包括依次连接的CPLD、H桥隔离驱动电路、H桥发射电路和两个发射电极，CPLD用于发射两路相位相差180°的1Hz单极性方波，并通过H桥隔离驱动电路控制H桥发射电路输出1Hz双极性方波信号，两个发射电极分别置于水库内和堤坝外侧的水库出水口处，用于激励大地电场，以实现在渗流场上形成人工恒定电场，接收装置包括依次连接的两个接收电极、低通滤波电路、信号保护电路、低噪声放大电路、模数转换器和单片机，所述接收电极置于水库内且靠近堤坝放置，用于采集沿测线上间隔设置的测点处的电位信号，所述测线与堤坝平行设置，接收电极与低通滤波电路的匹配电阻串联，匹配电阻两端的信号依次经低通滤波、信号保护、放大、模数转换后传送至单片机，上位机通过串口模块与单片机通讯，用于对接收到的电位信号进行处理，并绘制堤坝渗漏电势等位线图，实现对堤坝渗漏点的定位。
优选，所述H桥隔离驱动电路为基于6N137器件的隔离驱动电路，用于强弱电的隔离，6N137的输出端连接升压电路，用于驱动H桥发射电路的功率开关器件。
进一步优选，所述H桥发射电路采用500V耐压的N沟道场效应管IRF460作为功率开关器件，并设置基于LTC1871的调压电路，使发射电压在12～120V连续可调，发射电流可调范围为0～30A。
进一步优选，位于水库内的发射电极与堤坝的距离大于1000m。
进一步优选，所述低通滤波电路用于提取匹配电阻两端的1、3、5、7、11Hz次奇次谐波，滤去其他高频成分。
进一步优选，所述信号保护电路包括两个反接的齐纳二极管，其中，低通滤波电路的两个输出端连接在所述两个反接的齐纳二极管上。
进一步优选，所述低噪声放大电路包括INA114放大器芯片。
进一步优选，所述模数转换器采用高精度24位数模转换芯片ADS1256。
进一步优选，所述单片机为MPS430单片机。
本发明还提供了一种利用上述基于流场拟合法的堤坝渗漏探测装置对堤坝渗漏进行探测的方法，包括如下步骤：
(1)将两个发射电极一端置于堤坝水库内，一端置于堤坝外侧的水库出水口处，并使两者尽可能远；
(2)打开发射装置的电源开关，发射1Hz的双极性方波，从而在堤坝的渗流场上施加一个人工恒定电场；
(3)将接收电极置于水库内且靠近堤坝放置，并沿与堤坝平行设置的测线每隔2m完成一次电位采集；
(4)接收装置对从接收电极采集的测点电位信号进行处理，并存储在单片机中，同时，每完成一次测点采集后均将处理后的数据上传至上位机；
(5)上位机对采集的数据进行初步数据处理和计算并绘制堤坝渗漏电势等位线图，实现对堤坝渗漏点的定位。
本发明提供的基于流场拟合法的堤坝渗漏探测装置的理论基础是水电比拟方法，恒定无旋电场和无涡渗流场均具有拉普拉斯控制形式以及相似的数学物理特性，通过发射1Hz双极性方波施加人工恒定电场的方式来拟合渗流场，渗流点处流速大，电势幅值高，通过采集电位数据信息，即可分析出渗流场的空间状态，并定位堤坝渗漏位置。
本发明提供的基于流场拟合法的堤坝渗漏探测方法，可以对堤坝的渗漏情况进行探测，首先发射装置利用发射的1Hz双极性方波在渗流场上形成人工恒定电场，基于流场拟合原理用施加的电流场拟合渗流场，渗漏点的电阻率远远低于非渗漏位置，因此，通过接收装置采集两接收电极间的电压波形数据，并经过滤波、放大、转换成数字信号传递给上位机，上位机对采集到的数据进行处理，并绘制电位分布等势线图，即可实现对堤坝渗漏位置的探测。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明提供的基于流场拟合法的堤坝渗漏探测装置的硬件电路结构框图；
图2为本发明提供的基于流场拟合法的堤坝渗漏探测装置在检测过程中的布设位置图。
具体实施方式
下面将结合具体的实施方案对本发明进行进一步的解释，但并不局限本发明。
如图1、图2所示，本发明提供了一种基于流场拟合法的堤坝渗漏探测装置，包括：发射装置1、接收装置2和上位机3，其中，发射装置1包括依次连接的CPLD11、H桥隔离驱动电路12、H桥发射电路13和两个发射电极14，CPLD11用于发射两路相位相差180°的1Hz单极性方波，并通过H桥隔离驱动电路12控制H桥发射电路13输出1Hz双极性方波信号，两个发射电极14分别置于水库5内和堤坝6外侧的水库出水口7处，用于激励大地电场，以实现在渗流场上形成人工恒定电场，优选，两个发射电极14距离尽量远，接收装置2包括依次连接的两个接收电极21、低通滤波电路22、信号保护电路23、低噪声放大电路24、模数转换器25和单片机26，所述接收电极21置于水库内且靠近堤坝放置，用于采集沿测线上间隔设置的测点处的电位信号，所述测线与堤坝平行设置，接收电极21与低通滤波电路22的匹配电阻串联，匹配电阻两端的信号依次经低通滤波、信号保护、放大、模数转换后传送至单片机26，上位机3通过串口模块4与单片机26通讯，用于对接收到的电位信号进行处理，并绘制堤坝渗漏电势等位线图，实现对堤坝渗漏点的定位，具体地，上位机3对从接收装置2采集来的电位信号进行快速傅里叶变换(FFT)，提取奇次谐波分量进行频谱分析绘制堤坝渗漏电势等位线图，可实现堤坝渗漏点位置的定位，其中，FFT公式为：优选，上位机3包括数据处理模块31和数据存储模块32。
该基于流场拟合法的堤坝渗漏探测装置的理论基础是水电比拟方法，恒定无旋电场和无涡渗流场均具有拉普拉斯控制形式以及相似的数学物理特性，通过发射1Hz双极性方波施加人工恒定电场的方式来拟合渗流场，渗流点处流速大，电势幅值高，通过采集电位数据信息，即可分析出渗流场的空间状态，并定位堤坝渗漏位置。
作为技术方案的改进，所述H桥隔离驱动电路12为基于6N137器件的隔离驱动电路，用于强弱电的隔离，6N137的输出端连接升压电路，用于驱动H桥发射电路13的功率开关器件。
作为技术方案的改进，所述H桥发射电路13采用500V耐压的N沟道场效应管IRF460作为功率开关器件，并设置基于LTC1871的调压电路，使发射电压在12～120V连续可调，发射电流可调范围为0～30A。
作为技术方案的改进，位于水库内的发射电极距离堤坝的距离大于1000m。
作为技术方案的改进，所述低通滤波电路22提取匹配电阻两端的1、3、5、7、11Hz次奇次谐波，滤去其他高频成分。
作为技术方案的改进，所述信号保护电路23包括两个反接的齐纳二极管，其中，低通滤波电路22的两个输出端连接在所述两个反接的齐纳二极管上。
作为技术方案的改进，所述低噪声放大电路24包括INA114放大器芯片。
作为技术方案的改进，所述模数转换器25采用高精度24位数模转换芯片ADS1256，其中，单片机可根据上位机的控制信号配置模数转换器的增益、采样率，上位机控制软件优选采用LabVIEW进行设计，程序设置采样频率250Hz，低截止频率45Hz，阶数为8的低通滤波功能，用于滤去接收到的数据中混入的高频谐波。
作为技术方案的改进，所述单片机26为MPS430单片机。
作为技术方案的改进，所述接收装置2上设置四个指示灯，分别代表电源、信号采集、信号传输、信号采集完成。
本发明还提供了一种基于流场拟合法的堤坝渗漏探测方法，利用上述装置，可以检测堤坝具体渗漏位置，具体步骤如下：
(1)将两个发射电极一端置于堤坝水库内，一端置于堤坝外侧的水库出水口处，并使两者尽可能远；
(2)打开发射装置的电源开关，发射1Hz的双极性方波，从而在堤坝的渗流场上施加一个人工恒定电场；
(3)将接收电极置于水库内且靠近堤坝放置，并沿与堤坝平行设置的测线每隔2m完成一次电位采集，如：将接收电极一端由测量人员放置在距离岸边0.6m的水中，一端通过测试小船放在距离岸边60m处，用重物沉入水底，之后，沿与堤坝平行设置的测线每隔2m进行一次电位采集；
(4)接收装置对从接收电极采集的测点电位信号进行处理，并存储在单片机中，同时，每完成一次测点采集后均将处理后的数据上传至上位机；
(5)上位机对采集的数据进行初步数据处理和计算并绘制堤坝渗漏电势等位线图，实现对堤坝渗漏点的定位。
通过上述方法，可以对堤坝的渗漏情况进行探测，首先发射装置利用发射的1Hz双极性方波在渗流场上形成人工恒定电场，基于流场拟合原理用施加的电流场拟合渗流场，渗漏点的电阻率远远低于非渗漏位置，因此，通过接收装置采集两接收电极间的电压波形数据，并经过滤波、放大、转换成数字信号传递给上位机，上位机对采集到的数据进行快速傅里叶变换，进行频谱分析，绘制电位分布等势线图，即可实现对堤坝渗漏位置的检测。
本发明的具体实施方式是按照递进的方式进行撰写的，着重强调各个实施方案的不同之处，其相似部分可以相互参见。
上面结合附图对本发明的实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (10)
1.基于流场拟合法的堤坝渗漏探测装置，其特征在于，包括：发射装置(1)、接收装置(2)和上位机(3)，其中，发射装置(1)包括依次连接的CPLD(11)、H桥隔离驱动电路(12)、H桥发射电路(13)和两个发射电极(14)，CPLD(11)用于发射两路相位相差180°的1Hz单极性方波，并通过H桥隔离驱动电路(12)控制H桥发射电路(13)输出1Hz双极性方波信号，两个发射电极(14)分别置于水库内和堤坝外侧的水库出水口处，用于激励大地电场，以实现在渗流场上形成人工恒定电场，接收装置(2)包括依次连接的两个接收电极(21)、低通滤波电路(22)、信号保护电路(23)、低噪声放大电路(24)、模数转换器(25)和单片机(26)，所述接收电极(21)置于水库内且靠近堤坝放置，用于采集沿测线上间隔设置的测点处的电位信号，所述测线与堤坝平行设置，接收电极(21)与低通滤波电路(22)的匹配电阻串联，匹配电阻两端的信号依次经低通滤波、信号保护、放大、模数转换后传送至单片机(26)，上位机(3)通过串口模块(4)与单片机(26)通讯，用于对接收到的电位信号进行处理，并绘制堤坝渗漏电势等位线图，实现对堤坝渗漏点的定位。
2.按照权利要求1所述的基于流场拟合法的堤坝渗漏探测装置，其特征在于：所述H桥隔离驱动电路(12)为基于6N137器件的隔离驱动电路，用于强弱电的隔离，6N137的输出端连接升压电路，用于驱动H桥发射电路(13)的功率开关器件。
3.按照权利要求1所述的基于流场拟合法的堤坝渗漏探测装置，其特征在于：所述H桥发射电路(13)采用500V耐压的N沟道场效应管IRF460作为功率开关器件，并设置基于LTC1871的调压电路，使发射电压在12～120V连续可调，发射电流可调范围为0～30A。
4.按照权利要求1所述的基于流场拟合法的堤坝渗漏探测装置，其特征在于：位于水库内的发射电极(14)与堤坝的距离大于1000m。
5.按照权利要求1所述的基于流场拟合法的堤坝渗漏探测装置，其特征在于：所述低通滤波电路(22)用于提取匹配电阻两端的1、3、5、7、11Hz次奇次谐波，滤去其他高频成分。
6.按照权利要求1所述的基于流场拟合法的堤坝渗漏探测装置，其特征在于：所述信号保护电路(23)包括两个反接的齐纳二极管，其中，低通滤波电路(22)的两个输出端连接在所述两个反接的齐纳二极管上。
7.按照权利要求1所述的基于流场拟合法的堤坝渗漏探测装置，其特征在于：所述低噪声放大电路(24)包括INA114放大器芯片。
8.按照权利要求1所述的基于流场拟合法的堤坝渗漏探测装置，其特征在于：所述模数转换器(25)采用高精度24位数模转换芯片ADS1256。
9.按照权利要求1所述的基于流场拟合法的堤坝渗漏探测装置，其特征在于：所述单片机(26)为MPS430单片机。
10.利用权利要求1至9中任一项所述的基于流场拟合法的堤坝渗漏探测装置对堤坝渗漏进行探测的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将两个发射电极一端置于堤坝水库内，一端置于堤坝外侧的水库出水口处，并使两者尽可能远；
(2)打开发射装置的电源开关，发射1Hz的双极性方波，从而在堤坝的渗流场上施加一个人工恒定电场；
(3)将接收电极置于水库内且靠近堤坝放置，并沿与堤坝平行设置的测线每隔2m完成一次电位采集；
(4)接收装置对从接收电极采集的测点电位信号进行处理，并存储在单片机中，同时，每完成一次测点采集后均将处理后的数据上传至上位机；
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