CN113702505A - 一种垃圾填埋场hdpe膜损伤定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垃圾填埋场HDPE膜损伤定位系统及装置，其是利用了超声波散射特性。借助以规则的平面几何方式铺设在HDPE膜待检测区域上表面的波压电片，由波压电片形发生器控制半数压电片自激振荡产生超声波，且较佳的，为防止检测系统相互干扰，再由指定对边压电片接收超声波信号。依据上述过程完成扫描并得到模拟量损伤信号，经模数变换与小波分析提取时间‑能量密度特征，根据有无损伤时能量密度差异，结合概率成像实现损伤定位，经系统控制发出损伤警报，且能显示损伤位置。该系统能解决现有裸膜检测方法时效性低、气体泄露、人工工作量大等问题，并通过诱振压电片实现HDPE膜主动检测，有效降低漏检率。

Description

一种垃圾填埋场HDPE膜损伤定位系统及方法
技术领域
本发明涉及环保工程领域，尤指一种利用超声波散射特性的垃圾填埋场HDPE膜损伤定位系统。
背景技术
生活垃圾填埋场为解决渗滤液渗漏污染地下水问题，通常利用铺设HDPE膜实现防渗。然而由于施工及焊接不规范等各种原因，会导致填埋场在运行前HDPE膜就会破损，因此投入使用前需预先进行损伤定位，以便能及时加以修补。
目前，传统垃圾填埋场HDPE裸膜损伤检测方法主要有红外检测法、真空箱检测法、偶极子法等。其中，红外检测法需要对HDPE膜进行预热，通过损伤与完整处温差特性定位损伤区域，缺点是需等待破损和完整区域温度有较大差异才可实现损伤识别，导致该方法检测效率较低；真空箱法需要在HDPE膜表面用肥皂水加湿，通过箱内压力变化判断是否损伤，缺点是箱内易漏气导致漏检；偶极子法需对HDPE膜预湿润，通过电势异常区判断损伤位置，缺点是人力工作量大。
针对现有HDPE膜损伤检测方法如红外检测法需要对HDPE膜进行预热处理、真空箱检测法箱内易漏气，导致漏检、偶极子法需要加湿处理使膜具备导电特性等所述缺点，本发明提出的一种利用超声波散射特性的HDPE膜损伤定位系统，是利用超声波通过损伤位置时发生散射，且具备损伤与传感路径越近，能量衰减越严重的特性实现HDPE膜损伤位置的精确定位，可有效克服时效性低、气体泄露、人工工作量大等缺点。
发明内容
为解决上述问题，本发明主要目的在于，提供一种利用超声波散射特性的垃圾填埋场HDPE膜损伤定位系统，可借助提取经过HDPE膜损伤位置的超声波散射信号，经数据处理最终实现HDPE裸膜损伤精准定位。
为达上述目的，本发明提供了一种垃圾填埋场HDPE膜损伤定位方法，主要是利用超声波散射特性，其借助以矩形方式(也可为其他规则的几何形状)铺设在HDPE膜待检测区域上表面的波压电片，由波压电片形发生器控制半数(指定的)压电片自激振荡产生超声波，且较佳的，为防止检测系统相互干扰，再由指定其余(例如对边)压电片接收超声波信号。依据上述过程完成扫描并得到模拟量损伤信号，经模数变换与小波分析提取时间-能量密度特征，根据有无损伤时能量密度差异，结合概率成像实现损伤定位，经系统控制发出损伤警报，且能显示损伤位置。该系统能解决现有裸膜检测方法时效性低、气体泄露、人工工作量大等问题，并通过诱振压电片实现HDPE膜主动检测，有效降低漏检率。
本发明还提供了一种利用上述方法的HDPE膜损伤定位系统，主要包括超声波发生模块及超声波接收处理模块，所述超声波发生模块主要是由数个压电片和波形发生器组成；所述接收处理模块主要是由压电片、A/D转换器及处理器构成；其中，数个压电片是以矩形(或其他指定的规则几何方式)排列的方式铺设在HDPE膜待检测区域上表面，而压电片波形发生器制半数压电片自激振荡产生超声波，而其余压电片接收超声波信号，处理器扫描各个压电片获得其接收的超声波信号作为模拟量损伤信号，经模数变换与小波分析提取时间-能量密度特征，根据有无损伤时能量密度差异，结合概率成像实现损伤定位。
较佳的是，上述方案还可包含上位机及警报器，其中，处理器一方面将压电片产生的超声波信号存储，另一方面将所得到的HDPE膜损伤位置信息传输至上位机，当检测到HDPE膜损伤后，警报器报警，上位机显示破损位置，方便施工人员进行修补。
本发明有益效果在于，借助上述技术方案，利用超声波信号传输快速，杂波干扰小等特点，使本发明的检测方法具有以下优点：
(1)该系统检测周期短，时效性强。
(2)本发明可诱振压电片，实现对HDPE膜损伤的主动检测，能有效降低漏检率。
(3)检测过程智能化高，可降低人工工作量。
(4)该系统不涉及材料属性，对损伤前后信号波速没有要求，极大的回避了现有的几何定位方法的弊端。
附图说明
图1为本发明的一种垃圾填埋场HDPE膜损伤定位系统的HDPE膜压电片布置示意图；
图2为为本发明的一种垃圾填埋场HDPE膜损伤定位系统的监测网络传感路径示意图；
图3为本发明的一种垃圾填埋场HDPE膜损伤定位系统的传感路径受影响区域平面示意图；
图4为本发明的一具体实施例垃圾填埋场损伤检测示意图；
图5为本发明的一具体实施例的超声波发生器电路图；
图6为本发明的一具体实施例的信号转换电路图；
图7为本发明的一具体实施例的处理器电路图；
图8为本发明的一具体实施例的警报器电路；
图9为本发明的一具体实施例的上位机电路图；
图10为一具体实施例的平行线方式压电片布置及传感路径示意图；
图11一具体实施例的圆形方式压电片布置及传感路径示意图
图12一具体实施例的三角形方式压电片布置及传感路径示意图。
其中：1-18为压电片。
具体实施方式
以下将通过实施例，并结合附图，从功能、组成和工作原理三个方面介绍本发明专利涉及的HDPE膜损伤检测系统，对本发明的技术方案做进一步具体的说明。
本发明的技术方案是通过采集超声波参数检测HDPE膜损伤位置。其关键点为借助在HDPE膜上铺设的矩形压电片，利用有无损伤时超声波散射特性，并结合小波变换、概率损伤成像实现垃圾填埋场HDPE膜损伤定位。而且本发明利用的超声波通过损伤位置时发生散射，其具备损伤与传感路径越近，能量衰减越严重的特性，从而实现了HDPE膜损伤位置的主动检测并能精确定位。该方法可有效克服现有检测方法时效性低、气体泄露、人工工作量大等缺点。
本发明系统的实现是将压电片以矩形排列铺设在HDPE膜待检测区域上表面，波形发生器控制半数压电片自激振荡产生超声波，为防止检测系统相互干扰，指定对边压电片接收超声波信号。依据上述过程完成扫描并得到模拟量损伤信号，经模数变换与小波分析提取时间-能量密度特征，根据有无损伤时能量密度差异，结合概率成像实现损伤定位，经系统控制发出损伤警报，且能显示损伤位置。该系统能解决现有裸膜检测方法时效性低、气体泄露、人工工作量大等问题，并通过诱振压电片实现HDPE膜主动检测，有效降低漏检率。
本发明的一种利用超声波散射特性的垃圾填埋场HDPE膜损伤定位系统的主要功能是：利用超声波散射特性实现HDPE膜损伤的主动检测。
主要组成：本发明主要由压电片、及任意波形发生器组成。
工作原理：该系统在HDPE膜上按矩形方式布置压电片并依次编号，如图1所示，为本发明的一种利用超声波散射特性的垃圾填埋场HDPE膜损伤定位系统的HDPE膜压电片布置示意图。波形发生器控制相邻俩边压电片产生超声波，选取对边压电片作为接收器，如图2所示：第1-10个压电片1-10作自激振荡产生超声波，得到覆盖矩形检测区域的55条传感路径检测网络。
单条传感路径受HDPE膜损伤影响发生散射，对损伤检测区进行椭圆轨迹形式的网格划分如图3所示，即同一椭圆轨迹上的不同损伤位置超声波散射特性相同，网格(图3中阴影部分)距椭圆轴线越近，损伤概率值越大。将检测区域内任一位置各个损伤概率值进行数据叠加，数值最大点的坐标即为损伤位置。
将超声波信号进行小波变换为关于尺度参数a和时间参数b的函数：
Figure BDA0003220432840000051
f(t)表示压电片所测超声波信号，ψ(t)表示小波基函数，ψ*(t)表示ψ(t)的复共轭，WT(a,b)为小波变换处理后函数。
根据小波变换所具备的等距特性，信号f(t)小波变换过程中能量守恒，可得：
Figure BDA0003220432840000061
Cψ表示可溶性条件，|WT(a,b)|2dadb/Cψa2表示信号以尺度a和时间b为原点，尺度间隔为da、时间间隔为db的能量；
公式(2)可以写为：
Figure BDA0003220432840000062
其中：
Figure BDA0003220432840000063
E(b)为超声波信号在时刻b所具能量值，为时间-能量密度函数，反映信号频率的能量分布情况；
式(5)表示在尺度a区间内能量随参数b的变换，
Figure BDA0003220432840000064
E'(b)表示在尺度[a1,a2]下局部时间-能量密度函数，通过改变尺度a值，从而得到超声信号随时间的分布；
对HDPE膜无损和有损信号进行小波变换处理后，比较超声信号能量密度差异，在时频域中损伤指数DI为：
Figure BDA0003220432840000065
B(t)表示HDPE膜无损时超声波基准信号，D(t)是损伤状态下超声信号。DI值越大，表明损伤位置靠近传感路径；DI值越小，损伤位置远离传感路径；
将传感路径上的DI值经加权分布函数与矩形检测区域内各位置进行对应，DI的空间分布函数R(x,y)为：
Figure BDA0003220432840000071
Figure BDA0003220432840000072
其中，(xa,ya)为激励压电片坐标，(xt,yt)为接收压电片坐标，(xk,yk)为矩形区域内任一点坐标，dk为检测区域任意点到接发压电片距离之和与传感路径距离之比，D表示各传感路径受划分网格大小影响的参数，D越小影响度越小；
将多条传感路径损伤概率值进行数据叠加，叠加值最大的点即为损伤位置。为解决定位结果分散问题，引入增强因子，实现损伤位置精确定位，算法如下：
Figure BDA0003220432840000073
其中，n为参与叠加的传感路径数量；DIk为第k条传感路径损伤指数；u为增强因子,I为损伤概率值；
I值最大时的坐标(x,y)即为HDPE膜损伤位置。
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图为4基于超声波散射特性的垃圾填埋场损伤检测示意图，是本发明的一个具体实施例，HDPE膜检测区域面积为5m×4m，横向铺设5个压电片，纵向铺设4个，相邻间距均为1m。检测系统包括超声波发生模块、超声波接收处理模块。超声波发生模块由压电片和波形发生器组成；接收处理模块由压电片、A/D转换器、处理器、上位机、及警报器组成。
在本具体实施例中，所用压电片型号为CZ25437-0015-0002，波形发生器为IC555集成电路驱动波形发生器，处理器为STC8A型单片机，上位机为12864液晶显示器，警报器为BL-SBZ9632型。
如图5所示，为本发明的一具体实施例的超声波发生器电路图，该超声波发生器是采用IC555式集成电路，将该电路接为多谐振荡器，通过RP电位器控制振荡频率，超声波信号由IC555集成电路3引脚输出，经C3电容耦合及变压器T升压后，驱动压电片B发出超声波。
请参见图6，为本发明的一具体实施例的信号转换电路图，是采用逐次逼近型A/D转换器将压电片超声探头所采集超声波模拟信号经AIN3接口转换为数字信号，其中2046A第1、2、3引脚接处理器的P3.3、P3.2、P3.1引脚，第5引脚与VCC连接，第12引脚与超声波探头连接，第13引脚与参考电压VCC2连接，第16引脚与P3.4引脚连接。
该具体实施例的处理器系统：
请参见图7，为该具体实施例的处理器电路图，该处理器为具有32位地址总线的STC单片机，该处理器一方面将压电片产生的超声波信号存储，另一方面将所得到的HDPE膜损伤位置信息传输至上位机，其工作电路如图7所示。图中电阻R9、电容C14，以及复位按钮RSTK1组成复位电路；电容C12、C13以及12MHZ晶振Y2组成晶振电路；通过USB接口与外部电源连接实现供电。
当检测到HDPE膜损伤后，警报器报警，电路如图8所示，J 7接口连接处理器P3.0引脚，通过处理器不断输出高低电平实现无源警报器的报警。
同时，上位机显示破损位置，方便施工人员进行修补。上位机电路如图9所示,第7到14引脚与处理器P0端口连接，第21到28引脚与P1端口连接，第4、5、6、15、16引脚分别与处理器P2.6、P2.5、P2.7、P3.3、P3.4引脚连接。
以上是以图1及图2所示的压电片布置方法及收发方式为例，但是压电片布置及收发方式可形成多种形状检测区域，并且该定位模型都可适用，为了在建立数学模型时，能实现区域全覆盖，以及方便计算，其排布应以单一规则几何图形为佳，举例而言，可以采用平面多边形或平行线排列方式，其中，平面多边形包含矩形、平行线、圆形(正无限多边形)或三角形等，以下其它排布方式简要说明如下：
请参见图10，其为另一具体实施例中的以平行线方式布置压电片及及其传感路径示意图。其将压电片以平行线方式布置，控制上半部分压电片依次产生超声波，对边压电片作为超声波接收器。
如图11所示，是另一具体实施例中的以圆形方式布置压电片及其传感路径示意图。其将压电片以圆形方式布置在HDPE膜待检测区域，压电片依次产生超声波，其余压电片作为接收器。
图12为另一具体实施例中的以三角形方式布置压电片及其传感路径示意图。其是将压电片以三角形方式布置，根据编号控制压电片依次产生超声波，在互不相影响的情况下，选择其余压电片作为接收器。
其中，当采用不同的规则几何形排布压电片的时候，公式(9)中n应对应进行修改，当采用矩形方式、平行线、圆形或三角形布置时，n分别为55、25、45、55。
无论采用哪种方式，其中的压电片数量及传感路径疏密程度将影响定位精度。
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 (9)

1.一种垃圾填埋场HDPE膜损伤定位方法,其特征在于，首先将压电片以预定的规则的平面几何形状排布在HDPE膜上的待检测区域，然后选择部分压电片产生超声波，并使其余压电片作为接收器，得到覆盖矩形检测区域的多条传感路径检测网络，经扫描并得到模拟量损伤信号，提取经过HDPE膜损伤位置的超声波散射信号，经模数变换与小波分析提取时间-能量密度特征，根据有无损伤时能量密度差异，结合概率成像实现损伤定位，即将检测区域内任一位置各个损伤概率值进行数据叠加，数值最大点的坐标即为损伤位置。
2.根据权利要求1所述的一种垃圾填埋场HDPE膜损伤定位方法，其特征在于，所述的规则的平面几何形状为：矩形、平行线、圆形或三角形。
3.根据权利要求2所述的一种垃圾填埋场HDPE膜损伤定位方法，其特征在于，当采用矩形方式布置时，是选择相邻两边的压电片产生超声波，而选取对边压电片作为接收器；当压电片是以平行线方式布置时，控制上半部分压电片依次产生超声波，而选择对边压电片作为超声波接收器；当压电片以圆形方式布置在HDPE膜待检测区域时，使压电片依次产生超声波，而其余压电片作为接收器；当将压电片是以三角形方式布置时，控制压电片依次产生超声波，在互不相影响的情况下，选择其余压电片作为接收器。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种垃圾填埋场HDPE膜损伤定位方法，其特征在于，数据叠加的计算方法为：
将超声波信号进行小波变换为关于尺度参数a和时间参数b的函数：
Figure FDA0003220432830000021
f(t)表示压电片所测超声波信号，ψ(t)表示小波基函数，ψ*(t)表示ψ(t)的复共轭，WT(a,b)为小波变换处理后函数；
根据小波变换所具备的等距特性，信号f(t)小波变换过程中能量守恒，可得：
Figure FDA0003220432830000022
Cψ表示可溶性条件，|WT(a,b)|2dadb/Cψa2表示信号以尺度a和时间b为原点，尺度间隔为da、时间间隔为db的能量；
将公式(2)写为：
Figure FDA0003220432830000023
其中：
Figure FDA0003220432830000024
E(b)为超声波信号在时刻b所具能量值，为时间-能量密度函数，反映信号频率的能量分布情况；
式(5)表示在尺度a区间内能量随参数b的变换，
Figure FDA0003220432830000025
E'(b)表示在尺度[a1,a2]下局部时间-能量密度函数，通过改变尺度a值，从而得到超声信号随时间的分布；
对HDPE膜无损和有损信号进行小波变换处理后，比较超声信号能量密度差异，在时频域中损伤指数DI为：
Figure FDA0003220432830000031
B(t)表示HDPE膜无损时超声波基准信号，D(t)是损伤状态下超声信号。DI值越大，表明损伤位置靠近传感路径；DI值越小，损伤位置远离传感路径；
将传感路径上的DI值经加权分布函数与矩形检测区域内各位置进行对应，DI的空间分布函数R(x,y)为：
Figure FDA0003220432830000032
Figure FDA0003220432830000033
其中，(xa,ya)为激励压电片坐标，(xt,yt)为接收压电片坐标，(xk,yk)为矩形区域内任一点坐标，dk为检测区域任意点到接发压电片距离之和与传感路径距离之比，D表示各传感路径受划分网格大小影响的参数，D越小影响度越小；
将多条传感路径损伤概率值进行数据叠加，叠加值最大的点即为损伤位置。
5.根据权利要求4所述的一种垃圾填埋场HDPE膜损伤定位方法，其特征在于，该将所述计算方法引入用以解决定位结果分散问题的增强因子，其算法如下：
Figure FDA0003220432830000034
其中，n为参与叠加的传感路径数量；DIk为第k条传感路径损伤指数；u为增强因子,I为损伤概率值；
I值最大时的坐标(x,y)即为HDPE膜损伤位置。
6.一种垃圾填埋场HDPE膜损伤定位系统,其特征在于，其主要包括超声波发生模块及超声波接收处理模块，
所述超声波发生模块主要是由数个压电片和波形发生器组成；所述接收处理模块主要是由压电片、A/D转换器及处理器构成；
其中，数个压电片是以规则几何形状排列的方式铺设在HDPE膜待检测区域上表面，而压电片波形发生器控制指定压电片自激振荡产生超声波，而其余压电片接收超声波信号，处理器扫描各个压电片获得其接收的超声波信号作为模拟量损伤信号，经模数变换与小波分析提取时间-能量密度特征，根据有无损伤时能量密度差异，结合概率成像实现损伤定位。
7.根据权利要求6所述的一种垃圾填埋场HDPE膜损伤定位系统，其特征在于，所述的规则平面几何形状为：矩形、平行线、圆形或三角形，且是由指定对边压电片接收超声波信号以防止检测系统相互干扰。
8.根据权利要求6所述的一种垃圾填埋场HDPE膜损伤定位系统，其特征在于，所述接收处理模块还包含上位机，该处理器一方面将压电片产生的超声波信号存储，另一方面，当检测到HDPE膜损伤后，将所得到的HDPE膜损伤位置信息传输至上位机，使上位机显示损伤位置。
9.根据权利要求6或8所述的一种垃圾填埋场HDPE膜损伤定位系统，其特征在于，所述接收处理模块还包含警报器，在检测到HDPE膜损伤时，警报器经系统控制发出损伤警报。
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