CN115901929A - 一种混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集装置与方法 - Google Patents

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黄松岭
张敬华
彭丽莎
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Abstract

本发明公开了一种混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集装置与方法,其中,该装置包括:三轴电磁监测传感器、电磁信号校正单元、电磁信号调理单元、智能控制单元和供电电源单元;三轴电磁监测传感器用于获取混凝土大坝坝体表面的空间磁场数据,电磁信号校正单元用于剔除混凝土大坝背景噪声,电磁信号调理单元用于把三轴电磁监测传感器采集的电磁模拟信号转换为电磁数字信号,智能控制单元用于识别和存储混凝土大坝活动裂纹产生的电磁信号,供电电源单元用于向三轴电磁监测传感器、电磁信号校正单元、电磁信号调理单元和智能控制单元的正常工作提供所需电压和电流。本发明能实现混凝土大坝活动裂纹电磁信号的采集,采集区域更广泛,装置功耗低。

Description

一种混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集装置与方法
技术领域
本发明涉及在线电磁信号采集技术领域,特别是涉及一种混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集装置与方法。
背景技术
混凝土大坝作为大体积混凝土结构,其抗拉强度远小于抗压强度,容易形成活动裂纹。而且大坝需承受的水压和地震作用可达千万吨级,在动、静裂纹的共同作用下,其裂纹容易发生扩展,给大坝的安全稳定造成威胁。然而,混凝土大坝由于需要承载大量的水电站库水压力,长期处于受力状态,蓄水侧难以进行直接观测,活动裂纹产生的电磁信号频率高、幅值小,使得混凝土大坝活动裂纹信号的采集一直是无损检测中的难点问题。因此,混凝土大坝活动裂纹电磁信号的采集具有重要的意义。
然而,目前世界上还没有成熟的大型混凝土活动裂纹电磁信号采集装置。人工巡检方式消耗大量的人力和物力成本,却只能定期对大坝裂纹缺陷进行评估,难以实时确定裂纹缺陷的状态;常规电磁信号采集装置的采样频率低,无法实现混凝土大坝活动裂纹信号波形的完整记录;矿用电磁辐射监测装置只能对矿场或煤层的电磁辐射信号进行特征识别,难以实现在混凝土大坝上活动裂纹电磁信号的识别和记录。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此,本发明提出一种混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集装置。以实现利用三轴电磁监测传感器及相关信号调理模块,识别活动裂纹产生的电磁信号,为监测混凝土大坝活动裂纹的变化情况提供依据,为大坝的安全运行提供技术支撑。
本发明的另一个目的在于提出一种混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集方法。
为达上述目的,本发明一方面提出一种混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集装置,包括:三轴电磁监测传感器(1)、电磁信号校正单元(2)、电磁信号调理单元(3)、智能控制单元(4)和供电电源单元(5);
所述三轴电磁监测传感器(1)用于获取混凝土大坝坝体表面的空间三维磁场数据;
所述电磁信号校正单元(2)包括差分电路(21)和陷波电路(22),用于剔除混凝土大坝活动裂纹产生的电磁辐射信号中的电磁背景噪声;
所述电磁信号调理单元(3)包括一级放大电路(31)、低通滤波电路(32)、二级放大电路(33)、带通滤波电路(34)和模数转换电路(35),与所述三轴电磁监测传感器(1)连接,用于把所述三轴电磁监测传感器(1)采集的电磁模拟信号转换为电磁数字信号;
所述智能控制单元(4)包括信号临时存储模块(41)、信号比较模块(42)、信号特征提取模块(43)和信号存储模块(44),与所述电磁信号调理单元(3)连接,用于识别和存储混凝土大坝活动裂纹产生的电磁信号;
所述供电电源单元包括供电电池(51)、电源保护电路(52)、电源转换电路(53)和电源滤波电路(54),与所述三轴电磁监测传感器(1)、电磁信号校正单元(2)、电磁信号调理单元(3)和智能控制单元(4)连接,用于向所述三轴电磁监测传感器(1)、电磁信号校正单元(2)、电磁信号调理单元(3)和智能控制单元(4)的正常工作提供所需电压和电流。
可选地,所述三轴电磁监测传感器(1)的电磁信号的采样速率大于10MHz,所述电磁信号的最小分度值小于10nT。
可选地,所述差分电路(21),用于比较三轴电磁模拟信号与混凝土大坝背景噪声的差异,以滤除低频电磁信号;
所述陷波电路(22)用于剔除三轴电磁模拟信号中存在的预设频率的背景噪声;
所述一级放大电路(31)为低增益低噪声电压放大电路,噪声低于5nV/√Hz,电压的放大倍数不高于20;
所述低通滤波电路(32),用于滤除频率在100Hz以下的低频干扰电磁信号;
所述二级放大电路(33)为高增益高速电压放大电路,增益带宽积大于2GHz,电压放大倍数不低于200;
所述带通滤波电路(34),用于滤除频率在10kHz以下和10MHz以上的干扰电磁信号;
所述模数转换电路(35)的采样分辨率不低于16位,数据转换速率不低于50MHz。
可选地,所述信号临时存储模块(41)用于临时记录三轴电磁数字信号波形,记录的单次电磁信号时间长度大于2ms;
所述信号比较模块(42),用于比较三轴电磁数字信号波形之间的差异,排除电磁信号采集装置内部干扰噪声;
所述信号特征提取模块(43),用于区分混凝土大坝活动裂纹电磁信号与环境干扰信号、电磁信号采样单元内部干扰噪声;
所述信号存储模块(44)与所述信号特征提取模块(43)连接,用于存储混凝土大坝活动裂纹电磁信号,所存储的单次活动裂纹产生的电磁信号时间长度大于2ms。
可选地,所述供电电池(51)采用高能量密度锂电池组和太阳能电池板组合的供电电池进行供电;
所述电源保护电路(52),用于对所述供电电池进行过压和过流防护;
所述电源转换电路(53),用于将供电电池的供电电压转换为所述三轴电磁监测传感器、电磁信号采集单元和智能控制单元所对应的供电电压;
所述电源滤波电路(54),用于滤除供电电压中的非直流分量。
为达上述目的,本发明第二方面实施例提出了混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集方法,应用在上述第一方面实施例所描述的混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集装置,包括如下步骤:
根据混凝土大坝活动裂纹的分布规律,选定需要进行活动裂纹信号采集的区域,在混凝土大坝坝体上安装三轴电磁监测传感器,结合配套的电磁信号校正单元、电磁信号调理单元、智能控制单元和供电电源单元,采集和存储混凝土大坝坝体包含背景噪声的三轴电磁信号;
当混凝土大坝坝体活动裂纹发生扩展时,所述产生的电磁信号经三轴电磁监测传感器转化为三轴电磁模拟信号,与电磁背景噪声比较,通过电磁信号调理单元对三轴电磁模拟信号进行放大滤波和模数转换,把信号转换为三轴电磁数字信号,并发送至智能控制单元;
智能控制单元的信号比较模块结合三轴电磁数字信号的频率和幅值差异,排除装置内部干扰噪声;
智能控制单元的信号特征提取模块结合三轴电磁数字信号的时域特征,识别混凝土大坝活动裂纹产生的电磁信号,并把识别的电磁信号传输到所述信号存储模块。
可选地,所述选定需要进行活动裂纹采集的区域,包括:混凝土大坝承受负荷比重大的区域、日常巡检中容易出现裂纹的区域以及已出现微小裂纹但尚未发生严重开裂的区域。
可选地,所述三轴电磁模拟信号,包括:采集区域空间辐射场中所述三轴电磁监测传感器(1)采集的x,y,z三轴磁场分量,三轴相互垂直。
可选地,所述结合三轴电磁数字信号的频率和幅值差异,包括:当智能控制单元(4)接收的三轴电磁数字信号未被同时识别、三轴电磁数字信号的主频率不一致或三轴电磁数字信号的主频率在10kHz-10MHz区间外时三轴电磁数字信号为环境干扰噪声。
可选地,所述结合三轴电磁数字信号的时域特征,包括:当智能控制单元(4)接收的三轴电磁数字信号为脉冲振荡衰减信号,且信号上升时间小于0.5ms,衰减时间小于1.5ms时,接收的三轴电磁数字信号为混凝土大坝活动裂纹产生的电磁信号。
根据本发明实施例的混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集装置与方法,能利用三轴电磁监测传感器提取混凝土大坝活动裂纹产生的电磁信号,借助电磁信号校正单元和调理单元滤除空间磁场干扰信号,通过智能控制单元识别并存储活动裂纹产生的电磁信号;采集装置可采集混凝土大坝内部活动裂纹产生的电磁信号,采集区域更广泛,可靠性更高;方法求解模型简单,实时性好;装置功耗低。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1为根据本发明一个实施例的混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集装置示意图;
图2为根据本发明一个实施例的混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集装置电磁信号校正单元结构示意图;
图3为根据本发明一个实施例的混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集装置电磁信号调理单元结构示意图;
图4为根据本发明一个实施例的混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集装置智能控制单元结构示意图;
图5为根据本发明一个实施例的混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集装置供电电源单元结构示意图;
图6为根据本发明一个实施例的混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集方法流程图;
图7为根据本发明一个实施例的混凝土大坝活动裂纹电磁信号干扰噪声波形图;
图8为根据本发明一个实施例的混凝土大坝活动裂纹电磁信号波形图。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集装置和方法。
图1是本发明实施例的混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集装置结构示意图。
如图1所示,该装置包括:三轴电磁监测传感器(1),所述三轴电磁监测传感器(1)用于获取混凝土大坝坝体表面的空间三维磁场数据;
电磁信号校正单元(2),所述电磁信号校正单元(2)包括差分电路(21)和陷波电路(22),用于剔除混凝土大坝活动裂纹产生的电磁辐射信号中的电磁背景噪声;
电磁信号调理单元(3),所述电磁信号调理单元(3)包括一级放大电路(31)、低通滤波电路(32)、二级放大电路(33)、带通滤波电路(34)和模数转换电路(35),与所述三轴电磁监测传感器(1)连接,用于把所述三轴电磁监测传感器(1)采集的电磁模拟信号转换为电磁数字信号;
智能控制单元(4),所述智能控制单元(4)包括信号临时存储模块(41)、信号比较模块(42)、信号特征提取模块(43)和信号存储模块(44),与所述电磁信号调理单元(3)连接,用于识别和存储混凝土大坝活动裂纹产生的电磁信号;
供电电源单元(5),所述供电电源单元包括供电电池(51)、电源保护电路(52)、电源转换电路(53)和电源滤波电路(54),与所述三轴电磁监测传感器(1)、电磁信号校正单元(2)、电磁信号调理单元(3)和智能控制单元(4)连接,用于向所述三轴电磁监测传感器(1)、电磁信号校正单元(2)、电磁信号调理单元(3)和智能控制单元(4)的正常工作提供所需电压和电流。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述三轴电磁监测传感器的空间电磁信号的采样速率不低于10MHz,电磁信号的最小分度值小于10nT。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述差分电路,比较三轴电磁模拟信号与混凝土大坝背景噪声的差异,用于滤除地磁场等低频电磁信号的干扰;
所述陷波电路剔除三轴电磁模拟信号中存在的电力线工频及整数次谐波电磁辐射背景噪声;
所述一级放大电路为低增益低噪声电压放大电路,噪声为5nV/√Hz,电压的放大倍数为20;
所述低通滤波电路,用于滤除频率在100Hz以下的低频干扰电磁信号;
所述二级放大电路为高增益高速电压放大电路,增益带宽积为2GHz,电压放大倍数为200;
所述带通滤波电路,用于滤除频率在10kHz以下和10MHz以上的干扰电磁信号;
所述模数转换电路的采样分辨率为16位,数据转换速率为50MHz。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述供电电池采用高能量密度锂电池组和太阳能电池板组合方式供电,当光照充足时,采用太阳能电池板供电,当光照不足时,采用高能量密度锂电池组供电;
所述电源保护电路,用于对所述供电电池进行过压和过流防护;
所述电源转换电路,用于将供电电池的12V供电电压转换为所述三轴电磁监测传感器、电磁信号采集单元和智能控制单元所对应的5V、3.3V等供电电压;
所述电源滤波电路,用于滤除供电电压中的非直流分量,减小装置供电电压的波动。
可以理解的是,在本发明实施例中采用的智能控制单元为意法半导体公司生产的STM32F7系列高性能单片机;信号存储模块采用闪迪公司生产的高速128G存储卡;三轴电磁监测传感器采用霍尼韦尔公司生产的三轴磁场传感器。本领域技术人员可根据实际情况进行选择,在此不做具体限定。
根据本发明实施例提出的混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集装置,解决了混凝土大坝活动裂纹信号难以采集的问题,活动裂纹的识别方法简单,采集区域更广泛,可靠性更高;方法求解模型简单,实时性好;装置功耗低。
进一步地,结合附图对本发明实施例的混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集的方法进行描述,其中,混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集的方法应用在混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集的装置中,如图6所示,该方法包括:
S1,根据混凝土大坝活动裂纹的分布规律,选定需要进行活动裂纹信号采集的区域,在混凝土大坝坝体上安装三轴电磁监测传感器,结合配套的电磁信号校正单元、电磁信号调理单元、智能控制单元和供电电源单元,采集和存储包含混凝土大坝坝体背景噪声的三轴电磁信号;
S2,当混凝土大坝坝体活动裂纹发生扩展时,其产生的电磁信号经三轴电磁监测传感器转化为三轴电磁模拟信号,与电磁背景噪声比较,通过电磁信号调理单元对三轴电磁模拟信号进行放大滤波和模数转换,把信号转换为三轴电磁数字信号,并发送至智能控制单元;
S3,智能控制单元的信号比较模块结合三轴电磁数字信号的频率和幅值差异,排除装置内部干扰噪声的影响;
S4,智能控制单元的信号特征提取模块结合三轴电磁数字信号的时域特征,识别混凝土大坝活动裂纹产生的电磁信号,并把识别的电磁信号传输到所述的信号存储模块。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述选定需要进行活动裂纹信号采集的区域为日常巡检中容易出现裂纹的区域。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述三轴电磁模拟信号,包括:采集区域空间辐射场中所述三轴电磁监测传感器采集的x,y,z三轴磁场分量,三轴相互垂直。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述结合三轴电磁数字信号的频率和幅值差异,包括:当智能控制单元接收的三轴电磁数字信号未被同时识别、三轴电磁数字信号的主频率不一致或三轴电磁数字信号的主频率在10kHz-10MHz区间外时均认为三轴电磁数字信号为环境干扰噪声,具体而言,在本发明实施例中,混凝土大坝活动裂纹电磁信号干扰噪声波形图如图7所示,三轴数字电磁信号未被同时识别到,可认为电磁信号的波动为环境干扰噪声引起的。
进一步地,在本发明的一个实施例中,所述结合三轴电磁数字信号的时域特征,包括:当智能控制单元接收的三轴电磁数字信号为脉冲振荡衰减信号,且信号上升时间小于0.5ms,衰减时间小于1.5ms时,认为接收的三轴电磁数字信号为混凝土大坝活动裂纹产生的电磁信号,具体而言,在本发明实施例中,混凝土大坝活动裂纹电磁信号波形图如图8所示,电磁数字信号为脉冲衰减信号,其信号特征满足活动裂纹产生电磁信号的要求,因此,将此时的电磁数字信号存储在信号存储模块,并等待下一次信号采集过程。
根据本发明实施例的混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集方法,能利用三轴电磁监测传感器提取混凝土大坝活动裂纹产生的电磁信号,借助电磁信号校正单元和调理单元滤除空间磁场干扰信号,通过智能控制单元识别并存储活动裂纹产生的电磁信号;采集装置可采集混凝土大坝内部活动裂纹产生的电磁信号,采集区域更广泛,可靠性更高;方法求解模型简单,实时性好;装置功耗低。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。

Claims (10)

1.一种混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集装置,其特征在于,所述装置包括:三轴电磁监测传感器(1)、电磁信号校正单元(2)、电磁信号调理单元(3)、智能控制单元(4)和供电电源单元(5);
所述三轴电磁监测传感器(1)用于获取混凝土大坝坝体表面的空间三维磁场数据;
所述电磁信号校正单元(2)包括差分电路(21)和陷波电路(22),用于剔除混凝土大坝活动裂纹产生的电磁辐射信号中的电磁背景噪声;
所述电磁信号调理单元(3)包括一级放大电路(31)、低通滤波电路(32)、二级放大电路(33)、带通滤波电路(34)和模数转换电路(35),与所述三轴电磁监测传感器(1)连接,用于把所述三轴电磁监测传感器(1)采集的电磁模拟信号转换为电磁数字信号;
所述智能控制单元(4)包括信号临时存储模块(41)、信号比较模块(42)、信号特征提取模块(43)和信号存储模块(44),与所述电磁信号调理单元(3)连接,用于识别和存储混凝土大坝活动裂纹产生的电磁信号;
所述供电电源单元包括供电电池(51)、电源保护电路(52)、电源转换电路(53)和电源滤波电路(54),与所述三轴电磁监测传感器(1)、电磁信号校正单元(2)、电磁信号调理单元(3)和智能控制单元(4)连接,用于向所述三轴电磁监测传感器(1)、电磁信号校正单元(2)、电磁信号调理单元(3)和智能控制单元(4)的正常工作提供所需电压和电流。
2.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述三轴电磁监测传感器(1)的电磁信号的采样速率大于10MHz,所述电磁信号的最小分度值小于10nT。
3.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述差分电路(21),用于比较三轴电磁模拟信号与混凝土大坝背景噪声的差异,以滤除低频电磁信号;
所述陷波电路(22)用于剔除三轴电磁模拟信号中存在的预设频率的背景噪声;
所述一级放大电路(31)为低增益低噪声电压放大电路,噪声低于5nV/√Hz,电压的放大倍数不高于20;
所述低通滤波电路(32),用于滤除频率在100Hz以下的低频干扰电磁信号;
所述二级放大电路(33)为高增益高速电压放大电路,增益带宽积大于2GHz,电压放大倍数不低于200;
所述带通滤波电路(34),用于滤除频率在10kHz以下和10MHz以上的干扰电磁信号;
所述模数转换电路(35)的采样分辨率不低于16位,数据转换速率不低于50MHz。
4.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述信号临时存储模块(41)用于临时记录三轴电磁数字信号波形,记录的单次电磁信号时间长度大于2ms;
所述信号比较模块(42),用于比较三轴电磁数字信号波形之间的差异,排除电磁信号采集装置内部干扰噪声;
所述信号特征提取模块(43),用于区分混凝土大坝活动裂纹电磁信号与环境干扰信号、电磁信号采样单元内部干扰噪声;
所述信号存储模块(44)与所述信号特征提取模块(43)连接,用于存储混凝土大坝活动裂纹电磁信号,所存储的单次活动裂纹产生的电磁信号时间长度大于2ms。
5.如权利要求1所述的装置,其特征在于,所述供电电池(51)采用高能量密度锂电池组和太阳能电池板组合的供电电池进行供电;
所述电源保护电路(52),用于对所述供电电池进行过压和过流防护;
所述电源转换电路(53),用于将供电电池的供电电压转换为所述三轴电磁监测传感器、电磁信号采集单元和智能控制单元所对应的供电电压;
所述电源滤波电路(54),用于滤除供电电压中的非直流分量。
6.一种混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集方法,其特征在于,所述方法应用在如权利要求1-5任一所述的混凝土大坝活动裂纹电磁信号采集装置上,包括以下步骤:
根据混凝土大坝活动裂纹的分布规律,选定需要进行活动裂纹信号采集的区域,在混凝土大坝坝体上安装三轴电磁监测传感器,结合配套的电磁信号校正单元、电磁信号调理单元、智能控制单元和供电电源单元,采集和存储混凝土大坝坝体包含背景噪声的三轴电磁信号;
当混凝土大坝坝体活动裂纹发生扩展时,所述产生的电磁信号经三轴电磁监测传感器转化为三轴电磁模拟信号,与电磁背景噪声比较,通过电磁信号调理单元对三轴电磁模拟信号进行放大滤波和模数转换,把信号转换为三轴电磁数字信号,并发送至智能控制单元;
智能控制单元的信号比较模块结合三轴电磁数字信号的频率和幅值差异,排除装置内部干扰噪声;
智能控制单元的信号特征提取模块结合三轴电磁数字信号的时域特征,识别混凝土大坝活动裂纹产生的电磁信号,并把识别的电磁信号传输到所述信号存储模块。
7.如权利要求6所述的方法,其特征在于,所述选定需要进行活动裂纹采集的区域,包括:混凝土大坝承受负荷比重大的区域、日常巡检中容易出现裂纹的区域以及已出现微小裂纹但尚未发生严重开裂的区域。
8.如权利要求6所述的方法,其特征在于,所述三轴电磁模拟信号,包括:采集区域空间辐射场中所述三轴电磁监测传感器(1)采集的x,y,z三轴磁场分量,三轴相互垂直。
9.如权利要求6所述的方法,其特征在于,所述结合三轴电磁数字信号的频率和幅值差异,包括:当智能控制单元(4)接收的三轴电磁数字信号未被同时识别、三轴电磁数字信号的主频率不一致或三轴电磁数字信号的主频率在10kHz-10MHz区间外时三轴电磁数字信号为环境干扰噪声。
10.如权利要求6所述的方法,其特征在于,所述结合三轴电磁数字信号的时域特征,包括:当智能控制单元(4)接收的三轴电磁数字信号为脉冲振荡衰减信号,且信号上升时间小于0.5ms,衰减时间小于1.5ms时,接收的三轴电磁数字信号为混凝土大坝活动裂纹产生的电磁信号。
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