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申请/专利权人：湖南科技大学

摘要：本实用新型公开了一种坝堤渗漏监测预警装置，包括信号接入单元、特征提取与信号转换单元、CPU单元和上位机。信号接入单元在CPU单元控制下通过与其连接的插入坝堤地表的16根探针获取坝堤监测信号，特征提取与信号转换单元在CPU单元控制下从信号接入单元输出的监测信号中提取坝堤渗漏信息并转换为数字信号，CPU单元采集并保存坝堤渗漏监测的实时数据供上位机读取，上位机分析管理软件通过读取装置实时监测数据，可定性分析坝堤内部结构变化情况，定量计算坝堤渗漏水的埋藏深度、渗漏水量。本实用新型的有益效果在于：能在低成本前提下获得较高工作效率，可以清晰地监测到坝堤内部分界线和确定渗漏点的位置，且设备轻便、应用广泛。

主权项：一种坝堤渗漏监测预警装置，包括信号接入单元、特征提取与信号转换单元、CPU单元和上位机，其特征在于：所述信号接入单元在CPU单元控制下通过与其连接的插入坝堤地表的16根探针获取坝堤监测信号并输出到特征提取与信号转换单元，所述特征提取与信号转换单元在CPU单元控制下从监测信号中提取坝堤渗漏信息并转换为数字信号后送CPU单元，所述CPU单元采集并保存坝堤渗漏监测的实时数据供上位机读取，所述上位机软件通过实时监测数据处理可对坝堤渗漏进行定性、定量分析。

全文数据：坝堤渗漏监测预警装置技术领域[0001]本实用新型涉及一种灾害监测仪器，尤其是一种用于监测坝堤渗漏的监测预警装置。背景技术[0002]堤坝是堤和坝的总称谓，也泛指防水拦水的建筑物和构筑物。传统的堤坝主要有两大类:土石坝和混凝土坝;近年来，大型堤坝都采用高科技的钢筋水泥建筑。土石坝是用土或石头建造的宽坝，因为底部承受的水压比顶部的大的多，所以底部较顶部宽;土石坝多是横越大河建成的，用的都是既普通又便宜的材料；由于物料较松散，能承受地基的动摇，但水会慢慢渗入堤坝，降低堤坝的坚固程度，常会在堤坝表面加上一层防水的黏土，或设计一些通道，让一部分的水流走。混凝土坝多用混凝土建成，通常建筑在深而窄的山谷，因为只有混凝土才能承受堤坝底部的高水压;混凝土坝可以细分为混凝土重力坝、混凝土拱坝、混凝土支墩坝等，混凝土坝的主要特点是利用自身的重量来支撑水体压力。[0003]堤身渗漏和基础管涌是河流、水库、湖区防洪工程中出现的两种最常见也是破坏性最大的地质灾害。河流、水库、湖区堤身渗漏和基础管涌的产生，除受外在水动力条件的控制外，堤身和基础的工程地质条件是最重要的因素。就管涌而言，地下水回水造成堤内地面涌水一般有三种情况：（1当地下水回水水头压力大于盖层重量时，则盖层破坏，地下水涌出地面；（2当盖层之上有地表水体时，此时地下水回水水头压力大于盖层重量与水柱压力之和时，盖层被破坏，地下水涌出地面；（3在管涌层、流土层裸露区，当地下水回水位高于地面时，地下水涌出地面。因此，可靠监测河流、水库、湖区堤坝内地下水的活动情况，是防治渗漏、管涌的主要措施。[0004]渗漏和管涌是坝堤破坏力最大的病害，其主要受到坝基工程和地质条件的双重影响。对坝堤渗漏进行监测并及时发现渗漏异常成为当前研究的重点课题。目前，我国测量渗漏的方法主要有钻孔取样法、人工巡查法、地球物理探测等。传统渗漏监测方法与勘测矿产的手段类似，只能监测到险情的出现，并不能精准地监测到渗漏数据和对险情进行预警，导致事故发生时并不能对其进行有效控制，危及人民生命财产安全。虽然，国内外许多学者都对坝堤渗漏监测进行过研究，并提出了基于瞬变电磁法、浅层地震法、探地雷达法等多种监测方法。这些方法的共同点是把寻找固体矿产的物探方法应用到坝堤渗漏监测上，仪器测量值反映的是地质体物性综合值，属于静态信息，这些方法只能够知道地下是否为低阻区，至于地下是否有水，水量有多大，水流速度是多少是无法知道的。能否实用新型一种可靠监测坝堤渗漏的监测预警装置，目前国内外科技界一直没有解决，尚无相关的研究成果和产品报道。发明内容[0005]为了克服目前坝堤渗漏监测方法及设备存在的不足，本实用新型公开了一种坝堤渗漏监测预警装置。[0006]本实用新型采用的技术方案是:一种坝堤渗漏监测预警装置，包括信号接入单元、特征提取与信号转换单元、CPU单元和上位机，其特征在于:所述信号接入单元在CPU单元控制下通过与其连接的插入坝堤地表的16根探针获取坝堤监测信号并输出到特征提取与信号转换单元，所述特征提取与信号转换单元在CPU单元控制下从监测信号中提取坝堤渗漏信息并转换为数字信号后送CHJ单元，所述CPU单元采集并保存坝堤渗漏监测的实时数据供上位机读取，所述上位机软件通过实时监测数据处理可对坝堤渗漏进行定性、定量分析。[0007]在本实用新型中，所述的信号接入单元包括16根探针接口、16通道信号耦合电路、通道选择开关、输入适配电路、50Hz陷波电路、低通滤波电路和两个2选1开关，16根探针获取的坝堤监测信号经探针接口、信号耦合电路连接至通道选择开关的输入端，通道选择开关的输出连接至输入适配电路的输入端，输入适配电路的输出直接和经50Hz陷波电路连接至前2选1开关的输入端，前2选1开关的输出直接和经低通滤波电路连接至后2选1开关的输入端，后2选1开关的输出连接到特征提取与信号转换单元;通道选择和两个2选1开关是在CPU单元控制下进行工作的。[0008]在本实用新型中，所述的特征提取与信号转换单元包括前可控增益放大器、带通可选滤波器组、后可控增益放大器、模数转换器，前可控增益放大器接收来自信号接入单元的输出信号并放大后连接至带通可选滤波器组的输入端，带通可选滤波器组选择出待测深度的坝堤监测信号并连接至后可控增益放大器的输入端，后可变增益放大器将待测深度坝堤监测信号放大到满足模数转换器输入要求的信号并连接至模数转换器的输入端，模数转换器将其输入的模拟信号转换成数字信号并传输到CPU单元;前、后可控增益放大器的放大倍数和带通可选滤波器组的带通中心频率由CPU单元进行调节与控制。[0009]在本实用新型中，所述的CPU单元包括DSP、CPLD、RAM、ROM、USB接口、时钟与复位电路，时钟与复位电路连接至DSP，DSP的数据总线连接0?0、1^1、1?01、特征提取与信号转换单元的模数转换电路、USB接口芯片，CPLD的逻辑输出连接至RAM、ROM、USB接口芯片、信号接入单元、特征提取与信号转换单元的控制输入端;上位机通过USB接口可读取所述坝堤渗漏监测预警装置的实时监测数据或对监测预警参数进行配置。[0010]在本实用新型中，所述上位机的分析管理软件通过读取装置实时监测数据，可定性分析坝堤内部结构变化情况，定量计算坝堤渗漏水的埋藏深度、渗漏水量。[0011]本实用新型装置由信号接入单元、特征提取与信号转换单元、CPU单元和上位机组成，以天然地下磁场为探测工作场，通过监测穿透坝堤到地表的天然电磁波，判断坝堤内部的地质结构和渗漏点。其有益效果在于：（1采用地下天然电磁场作为工作场，在低成本的前提下获得较高的工作效率；（2监测不会受到地质环境影响，可以清晰地监测到坝堤内部分界线，确定渗漏点的位置；（3装置不需人工电源场，设备轻便、应用较为广泛。附图说明[0012]图1是本实用新型的总体结构框图；[0013]图2是本实用新型实施例的信号接入单元结构框图；[00M]图3是本实用新型实施例的特征提取与信号转换单元结构框图；[0015]图4是本实用新型实施例的CPU单元结构框图；[0016]图5是本实用新型实施例的坝堤渗漏特征信息图。具体实施方式[0017]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。[0018]参见附图，图1是本实用新型的总体结构框图。本实用新型的坝堤渗漏监测预警装置由信号接入单元、特征提取与信号转换单元、CPU单元和上位机等部分组成。信号接入单元可外接16根插入坝堤地表的用于获取坝堤监测信号的探针，在CPU单元控制下实现探针接入选择、50Hz陷波选择和低通滤波选择;采用多探针选择接入方式来满足不同监测范围的要求，为解决工频干扰环境的可靠监测，本实用新型引入了可选择的50Hz陷波电路，即在工频干扰严重时监测信号通过50Hz陷波、工频干扰较小时监测信号不通过50Hz陷波；由于坝堤渗漏监测现场的电磁环境非常复杂，而坝堤渗漏特征信息多集中在低频部分，为减少高频干扰对监测信息的影响，本实用新型引入了可选择的低通滤波电路，即在高频干扰严重时监测信号通过低通滤波、高频干扰较小时监测信号不通过低通滤波;信号接入单元的输出信号连接到特征提取与信号转换单元的信号输入端。特征提取与信号转换单元在CPU单元控制下从监测信号中提取坝堤渗漏信息并转换为数字信号后送CPU单元，CPU单元采集并保存坝堤渗漏监测的实时数据供上位机读取，上位机软件通过实时监测数据处理可对坝堤渗漏进行定性、定量分析。[0019]附图2是本实用新型实施例的信号接入单元结构框图。信号接入单元由16根探针接口、16通道信号耦合电路、通道选择开关、输入适配电路、50Hz陷波电路、低通滤波电路和两个2选1开关等部分组成。16根探针获取的坝堤监测信号经探针接口、信号耦合电路连接至通道选择开关的输入端，通道选择开关的输出连接至输入适配电路的输入端，输入适配电路的输出直接和经50Hz陷波电路连接至前2选1开关的输入端，前2选1开关的输出直接和经低通滤波电路连接至后2选1开关的输入端，后2选1开关的输出连接到特征提取与信号转换单元。信号接入单元的通道选择和两个2选1开关是在CPU单元控制下进行工作的。探针获取的坝堤渗漏监测信号经探针接口连接至信号耦合电路，信号耦合电路可以滤除探针及探针连接线上不需要的EMI噪声，并且将探针获取到的信号耦合到通道选择开关的输入端。信号传输至通道选择开关后，由本实用新型中的CHJ单元根据用户选择设置的探针号，通过CPLD复杂逻辑可编程器件发出控制码来选择所需的探针信号输入通道，然后传输至输入适配电路。输入适配电路对输入的信号进行阻抗匹配和高通滤波，以保证信号源阻抗的一致性和衰减由于虚地引起的直流电平漂移，然后信号传输至可选择的50Hz陷波电路将工频干扰信号衰减到最小。由于坝堤渗漏监测中的有用信号集中在低频部分，信号经过50Hz陷波电路后传输至可选择的低通滤波电路，低通滤波电路对信号的高频部分进行滤除，然后信号传输至特征提取与信号转换单元。[0020]附图3是本实用新型实施例的特征提取与信号转换单元结构框图。特征提取与信号转换单元由前可控增益放大器、带通可选滤波器组、后可控增益放大器、模数转换器等部分组成。前可控增益放大器接收来自信号接入单元的输出信号并放大后连接至带通可选滤波器组的输入端，带通可选滤波器组选择出待测深度的坝堤监测信号并连接至后可控增益放大器的输入端，后可变增益放大器将待测深度坝堤监测信号放大到满足模数转换器输入要求的信号并连接至模数转换器的输入端，模数转换器将其输入的模拟信号转换成数字信号并传输到CHJ单元;前、后可控增益放大器的放大倍数和带通可选滤波器组的带通中心频率由CPU单元进行调节与控制。坝堤渗漏监测信号微弱且波动范围大，探针拾取的坝堤渗漏监测信号经过信号接入单元到特征提取与信号转换单元的前可控增益放大器，由CPU单元的DSP根据模数转换器的输出值计算增益控制码并经CPLD输出，以实现前可控增益放大器的增益自动调节，将监测信号放大到可识别的范围内。因坝坝堤渗漏监测信息具有频率低、幅度小、易受干扰等特点，为实现对坝堤不同深度的渗漏信息观测，前可控增益放大器的输出连接至带通可选滤波器组，可选带通滤波器让选定频率范围内的信号通过，而将此频率范围之外的干扰信号加以抑制或使其急剧衰减，使本实用新型的带通可选滤波器组在CPU单元的DSP与CPLD的控制下，可以有选择地分析不同深度的坝堤渗漏信息。在本实用新型的带通可选滤波器组中无增益设置，为配合后续的模数转换器，提高测量数据的分辨率和测量精度需对滤波后的信号需做进一步放大，从而信号经过带通可选滤波器组后传输至后可控增益放大器后，然后才传输至模数转换电路。本实用新型模数转换电路的ADC采用TLV25442548，TLV25442548是TI公司生产的高性能12位低功耗、高速（3.6ysCMOS模数转换器，它精度高、体积小、通道多、使用灵活，并具有采样一保持功能，电源电压为2.7V〜5.5V。模数转换电路将模拟信号转换成数字信号，并将数字信号传输至CPU单元的DSP;同时，CPU单元的DSP可根据模数转换器输出值，通过CPLD对后可控增益放大其、带通可选滤波器组、前可控增益放大器进行自动控制和调节，以保证测量数据的分辨率和测量精度。[0021]附图4是本实用新型实施例的CPU单元结构框图。CPU单元由DSP、CPLD、RAM、ROM、USB接口、时钟与复位电路等部分组成。时钟与复位电路连接至DSP，DSP的数据总线连接CPLD、RAM、R0M、特征提取与信号转换单元的模数转换电路、USB接口芯片，CPLD的逻辑输出连接至RAM、R0M、USB接口芯片、信号接入单元、特征提取与信号转换单元的控制输入端;上位机通过USB接口可读取本实用新型的实时监测数据或对监测预警参数进行配置。时钟与复位电路分别为DSP提供工作时钟和上电复位信号;ROM用于保存装置的执行程序和参数；RAM用于保存装置程序运行过程的中间数据;CPLD采用了静态功耗极低的ispMACH4000Z系列复杂逻辑可编程器件，是装置其它电路与DSP的逻辑输入输出接口，完成本装置的地址译码、数据传输、控制输出、信息加密等功能。CPU单元的DSP可根据用户指令，通过CPLD向通道选择开关、带通可选滤波器组、前后两个2选1开关发出设置信号，以实现信号输入和监测深度的选择、有效抑制工频干扰和高频干扰;同时，DSP接收模数转换电路所传输过来的数字信号，进行分析处理后产生增益控制信号并通过CPLD控制前可控增益放大器、后可控增益放大器，实现了对不同大小信号的自适应放大;完成以上的设置和控制之后，DSP通过模数转换器对指定深度、指定通道探针所获取的坝堤渗漏监测信号进行采集，并结合增益控制码将采集的数字信号转换为探针所获取的实际值，再根据用户设置将采集转换后的数字信号通过USB接口输出到上位机。[0022]由于本实用新型属于野外使用的电池供电的监测设备，对于功耗和成本有很高的要求。因此，装置内部采用3.3V的工作电压，DSP选择接口电平3.3V、内核工作电压1.2V的浮点数字信号处理器，CPLD选择接口电平3.3V、内核工作电压1.8V的复杂逻辑可编程器件，其它芯片均为3.3V工作电压的低功耗器件。[0023]附图5是本实用新型实施例的坝堤渗漏特征信息图。本实用新型实施例中，CPU单元的USB接口用于连接上位PC机。上位PC机经USB接口读取本实用新型装置的实时监测数据后，对数据进行数字抗混滤波、FFT变换与频谱细化、谱线搜索等方法处理后可得到附图5所示的坝堤渗漏特征信息图。坝堤管涌、渗漏裂隙中脉状流的地下径流水，按水文学规律流动在坝堤内会切割地磁场磁力线产生感应电动势;该感应电动势较微弱，无法穿透地层传送到地面;但它会对地下该处的天然瞬变电磁波产生持续不断的干扰，最终附加在该电磁波信号上传输到地表。把这种附加有坝堤渗漏径流水信息的信号定义为坝堤渗漏特征信息，附图5为本实用新型装置在坝堤地表监测到的坝堤渗漏特征信息。附图5上半部分为天然瞬变电磁波的时域波形，下半部分为天然瞬变电磁波中坝堤渗漏特征频谱图。频谱图中间最高的谱线称为主频谱线，分布于主频谱线两边并关于主频对称的谱线称为边频谱线。主频谱线幅值£α表征坝堤内部某深度结构的电性值，通过对比主频幅值£α的综合值与周围测点的变化情况，结合附近已知测点的监测资料，定性分析坝堤内部在某深度的结构变化情况。边频谱线表征坝堤渗漏水的活动情况，边频谱线幅值eα表示坝堤渗漏水瞬时流量的大小，边频谱线距离主频谱线的远近称边频频率，边频频率表示坝堤渗漏水瞬时流动速度的快慢。根据电磁场理论，天然瞬变电磁波在地层中的传导电流远远大于位移电流，则其穿诱深度为单位:m[0025]上式中，fz为坝堤渗漏水径流特征主频频率;P为监测点的坝堤地表电阻率，一般坝堤地表大都是松散的土层，取其平均电阻率1003.W;假设天然瞬变电磁波穿透的坝堤为无磁性介质，则磁导率取#=牡XIOliA;据此得到坝堤渗漏水径流的埋藏深度与主频频率的关系如下单位:m[0027]流动的地下水会切割地磁场的磁力线而产生感应电动势e，根据电磁流量原理，感应电动势e单位:flV与流量ρ的方程式为[0029]式中，B为监测地点的大地电磁场感应强度单位mV、Κ为常数，对于一个已知的监测区域来说它们都是常数，但需要在监测区域附近找已知的水量的参考测试点进行整定;L为坝堤渗漏水流通道截面的周长单位他）。[0030]实际探测工作表明，坝堤渗漏水在坝堤裂隙中流动的流速、流量都是随时间变化的，其产生的感应电动势e是时间ί的函数，计为ei=0.5[eii+e2i!Ue⑴与坝堤渗漏水量之间的关系为单位[0032]式中，T为地下水径流的变化周期，本实用新型装置能监测出坝堤渗漏水径流的变化周期T边频频率fb的倒数和周期T内感应电动势eα的综合值，由上式可简单地估算出坝堤渗漏水量Si。[0033]综上所述，本实用新型公开了一种坝堤渗漏监测预警装置，包括信号接入单元、特征提取与信号转换单元、CPU单元和上位机。信号接入单元在CPU单元控制下通过与其连接的插入坝堤地表的16根探针获取坝堤监测信号并输出到特征提取与信号转换单元，特征提取与信号转换单元在CHJ单元控制下从监测信号中提取坝堤渗漏信息并转换为数字信号后送CPU单元，CPU单元采集并保存坝堤渗漏监测的实时数据供上位机读取，上位机的分析管理软件通过读取装置实时监测数据，可定性分析坝堤内部结构变化情况，定量计算坝堤渗漏水的埋藏深度、渗漏水量。基于国内外研究进展，地下存在天然电磁场，因此本实用新型以天然地下磁场为探测工作场，通过监测穿透坝堤到地表的天然电磁波，判断坝堤内部的地质结构和渗漏点。本实用新型装置的优点在于：（1采用地下天然电磁场作为工作场，在低成本的前提下获得较高的工作效率；（2监测不会受到地质环境影响，可以清晰地监测到坝堤内部分界线，确定渗漏点的位置；（3装置不需人工电源场，设备轻便、应用较为广泛。[0034]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而己，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

权利要求：1.一种坝堤渗漏监测预警装置，包括信号接入单元、特征提取与信号转换单元、CHJ单元和上位机，其特征在于:所述信号接入单元在CPU单元控制下通过与其连接的插入坝堤地表的16根探针获取坝堤监测信号并输出到特征提取与信号转换单元，所述特征提取与信号转换单元在CPU单元控制下从监测信号中提取坝堤渗漏信息并转换为数字信号后送CPU单元，所述CPU单元采集并保存坝堤渗漏监测的实时数据供上位机读取，所述上位机软件通过实时监测数据处理可对坝堤渗漏进行定性、定量分析。2.根据权利要求1所述的坝堤渗漏监测预警装置，其特征在于:所述的信号接入单元包括16根探针接口、16通道信号耦合电路、通道选择开关、输入适配电路、50Hz陷波电路、低通滤波电路和两个2选1开关，16根探针获取的坝堤监测信号经探针接口、信号耦合电路连接至通道选择开关的输入端，通道选择开关的输出连接至输入适配电路的输入端，输入适配电路的输出直接和经50Hz陷波电路连接至前2选1开关的输入端，前2选1开关的输出直接和经低通滤波电路连接至后2选1开关的输入端，后2选1开关的输出连接到特征提取与信号转换单元;通道选择和两个2选1开关是在CPU单元控制下进行工作的。3.根据权利要求1所述的坝堤渗漏监测预警装置，其特征在于:所述的特征提取与信号转换单元包括前可控增益放大器、带通可选滤波器组、后可控增益放大器、模数转换器，前可控增益放大器接收来自信号接入单元的输出信号并放大后连接至带通可选滤波器组的输入端，带通可选滤波器组选择出待测深度的坝堤监测信号并连接至后可控增益放大器的输入端，后可变增益放大器将待测深度坝堤监测信号放大到满足模数转换器输入要求的信号并连接至模数转换器的输入端，模数转换器将其输入的模拟信号转换成数字信号并传输到CHJ单元;前、后可控增益放大器的放大倍数和带通可选滤波器组的带通中心频率由CPU单元进行调节与控制。4.根据权利要求1所述的坝堤渗漏监测预警装置，其特征在于：所述的CPU单元包括DSP、CPLD、RAM、ROM、USB接口、时钟与复位电路，时钟与复位电路连接至DSP，DSP的数据总线连接CPLD、RAM、ROM、特征提取与信号转换单元的模数转换电路、USB接口芯片，CPLD的逻辑输出连接至RAM、ROM、USB接口芯片、信号接入单元、特征提取与信号转换单元的控制输入端;上位机通过USB接口可读取所述坝堤渗漏监测预警装置的实时监测数据或对监测预警参数进行配置。5.根据权利要求1所述的坝堤渗漏监测预警装置，其特征在于:所述上位机的分析管理软件通过读取装置实时监测数据，可定性分析坝堤内部结构变化情况，定量计算坝堤渗漏水的埋藏深度、渗漏水量。

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