一种用于泉水保护的地下水流场信息化模拟系统的制作方法

1.本发明涉及检测、控制技术领域，且更确切地涉及一种用于泉水保护的地下水流场信息化模拟系统。


背景技术：

2.泉水有清凉、富含营养成分的特点，营养成分中钙镁离子极易被人体吸收，天然的地理景观，但目前环境污染越来越严重，泉水遭受破坏，构建一个实现泉水地下水流场模拟，对其多要素数据检测，探索多要素对泉水流动的影响分析系统是必要的。现有技术发明一种泉水保护的地下水流场信息化模拟系统，结合单片机模块、皂泡流量计模块、雷达模块、水流速监测设备模块、压力传感器模块实现对模拟泉水地下水流场信息的收集和影响程度分析计算。
3.现有的泉水保护的地下水流场信息化模拟系统可以实现模拟信息化分析，但是不能检测分析多要素情况，不能探究多要素与泉水的影响分析。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明公开一种用于泉水保护的地下水流场信息化模拟系统，能够实现多要素的检测，实现多因素对泉水流动的影响分析。
5.为了实现上述技术效果，本发明采用以下技术方案：一种用于泉水保护的地下水流场信息化模拟系统，其特征在于：所述地下水流场信息化模拟系统包括：水蒸发模拟模块，用于模拟泉水吸热蒸发的过程，所述水蒸发模拟模块的输出端连接水蒸发速率检测模块的输入端和水蒸气流动模拟模块的输入端；水蒸气流动模拟模块，用于模拟水蒸气漂浮流动的过程，所述水蒸气流动模拟模块的输出端连接流动速率检测模块的输入端和大气降水模拟模块的输入端；大气降水模拟模块，用于模拟水蒸气遇冷生成雨水的过程，所述大气降水模拟模块的输出端连接降水速率检测模块的输入端和地下渗漏模拟模块的输入端；地下渗漏模拟模块，用于模拟雨水渗漏到地下的过程，所述地下渗漏模拟模块的输出端连接渗漏速率检测模块的输入端和顺岩层流动模拟模块的输入端；顺岩层流动模拟模块，用于模拟雨水沿着顺岩层流动的过程，所述顺岩层流动模拟模块的输出端连接碰撞压强检测模块的输入端和碰撞岩体模拟模块的输入端；碰撞岩体模拟模块，用于模拟雨水在顺岩层流动时遇岩体阻挡的过程，所述碰撞岩体模拟模块的输出端连接流动速率检测模块的输入端和泉水模拟模块的输入端；泉水模拟模块，用于模拟泉水喷涌的过程，所述泉水模拟模块的输出端连接喷涌速率检测模块的输入端；水蒸发速率检测模块，用于检测水蒸发模拟模块中水蒸发的速率，所述水蒸发速率检测模块的输出端连接统计分析模块的输入端；
流动速率检测模块，用于检测水蒸气流动模拟模块中水蒸气流动的速率，所述流动速率检测模块的输出端连接统计分析模块的输入端；降水速率检测模块，用于检测大气降水模拟模块中降水的速率，所述降水速率检测模块的输出端连接统计分析模块的输入端；渗漏速率检测模块，用于检测地下渗漏模拟模块中水渗漏到地下的速率，所述渗漏速率检测模块的输出端连接统计分析模块的输入端；碰撞压强检测模块，用于检测碰撞岩体模拟模块中岩石受到水碰撞时的压强，所述渗漏速率检测模块的输出端连接统计分析模块的输入端；喷涌速率检测模块，用于检测泉水模拟模块中水喷涌的速率，所述喷涌速率检测模块的输出端连接统计分析模块的输入端；所述水蒸发模拟模块的输出端连接水蒸发速率检测模块的输入端和水蒸气流动模拟模块的输入端，所述水蒸气流动模拟模块的输出端连接流动速率检测模块的输入端和大气降水模拟模块的输入端，所述大气降水模拟模块的输出端连接降水速率检测模块的输入端和地下渗漏模拟模块的输入端，所述地下渗漏模拟模块的输出端连接渗漏速率检测模块的输入端和顺岩层流动模拟模块的输入端，所述顺岩层流动模拟模块的输出端连接碰撞压强检测模块的输入端和碰撞岩体模拟模块的输入端，所述碰撞岩体模拟模块的输出端连接流动速率检测模块的输入端和泉水模拟模块的输入端，所述泉水模拟模块的输出端连接喷涌速率检测模块的输入端，所述水蒸发速率检测模块的输出端连接统计分析模块的输入端，所述流动速率检测模块的输出端连接统计分析模块的输入端，所述降水速率检测模块的输出端连接统计分析模块的输入端，所述渗漏速率检测模块的输出端连接统计分析模块的输入端，所述渗漏速率检测模块的输出端连接统计分析模块的输入端，所述喷涌速率检测模块的输出端连接统计分析模块的输入端。
6.作为本发明的进一步技术方案，所述水蒸发速率检测模块包含超声波换能器的输入端连接单脉冲发射电路的输出端，单脉冲发射电路的输入端连接单片机电路的输出端，超声波换能器的输出端连接可控增益放大电路的输入端，可控增益放大电路的输出端连接单片机电路的输入端，水液位检测原理：设水位高度为g，水中超声波传播速度为c，两次回波的间隔时间为t，则有g=ct/2
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（1）超声波发射频率影响接收信号的强度，以下方法计算出最优的发射频率：设入射角为1，接收角为2，k1，k2为特性阻抗，反射系数k为：
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（2）透射系数e为：
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（3）
设第一层介质的入射声压为，第一层介质的反射声压为，声波在第i层介质的声速为，声波在第i层介质的密度为，第i层介质特性阻抗为ki= * ，波数为mi，第i层介质厚度为hi，透射到液体内部的声压幅值为p
nt
，由声波在声波介质中的声波解和在介质分界面的边界条件得出传输矩阵公式
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（4）设为声波从第一层介质到第n层介质的传输矩阵的第一行第一列元素，为声波反射回来从第n层介质到第一层介质的传输矩阵的第一行第一列元素，则：
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（5）总的回波透射系数为：
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（6）根据选取合适的超声波发射频率。
7.作为本发明的进一步技术方案，所述流动速率检测模块包括激光器电路输出端连接稳压恒流驱动电路的输入端，稳压恒流驱动电路的输出端连接调制及智能控制电路的输入端，光电转换电路的输出端连接放大电路的输入端，放大电路的输出端连接整形电路的输入端，放大电路的输出端连接单片机电路的输入端，采用的算法为：假设单片机ad采样信号为x（m），长度为n，mm，的dft为：
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（7）由，得：
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（8）
定义函数：
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（9）
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（10）式中为输入的n点序列，为滤波器冲激响应序列，对（3-4）z变换得：
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（11）将（11）分母分子同乘得二阶iir滤波器的传递函数为：
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（12）该二阶滤波器的迭代公式为：
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（13）（13）。
8.作为本发明的进一步技术方案，所述降水速率检测模块包含发射天线的输入端连接雷达收发前端电路的输出端，接收天线的输出端连接雷达收发前端电路的输入端，雷达收发前端电路的输出端连接ad转换电路的输入端，ad转换电路的输出端连接单片机电路的输入端，雷达收发前端电路的输入端连接控制电路的输出端，控制电路的输入端连接单片机电路的输出端，计算方法为：雷达发射微波的频率为，接收微波的频率为，光速为，降水速率为：
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（14）根据降水速率计算降水量。
9.作为本发明的进一步技术方案，所述渗漏速率检测模块包含电阻应变式传感器的输出端连接差动放大电路的输入端，差动放大电路的输出端连接ad转换电路的输入端，ad转换电路的输出端连接单片机电路的输入，计算方法为：
地下水初始重量为，过时间后地下水重量为，渗漏速率为：
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（15）作为本发明的进一步技术方案，所述流动速率检测模块包含光电转换电路的输出端连接整形放大电路的输入端，整形放大电路的输出端连接频率测量电路的输入端，计算方法为：实验测得水流动使叶片转一圈的速度为，频率测量电路测得的频率为，计算水流速为：
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（16）根据水流速可计算水流量。
10.作为本发明的进一步技术方案，所述碰撞压强检测模块包含气压传感器电路的输出端连接信号放大电路的输入端，信号放大电路的输出端连接ad转换电路的输入端，ad转换电路的输出端连接单片机电路的输入端。
11.作为本发明的进一步技术方案，所述喷涌速率检测模块包含超声波发射头电路的输入端连接三极管放大电路的输出端，三极管电路的输入端连接单片机电路的输出端，接收电路的输出端连接放大电路的输入端，放大电路的输出端连接单片机电路的输入端，计算方法为：理想液体的伯努利方程为：
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（17）式中为总水头，、为断面高度，、为侧压高度，、水流实际速度；由于摩擦阻力实际液体伯努利方程为：
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（18）为单位流体沿程水头损失；水头高度为：
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（19）采用达西-韦斯巴诃公式计算，
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（20）涌水量计算公式为：
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（21）为孔深，d为孔径。
12.本发明有益的积极效果在于：推动了泉水保护的发展现状，本发明能够分析多种因素对泉水的流动影响，能够多方面检测数据，增添了泉水保护的理论，大大提高了地下水流场信息化模拟能力。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：图1展示了一种用于泉水保护的地下水流场信息化模拟系统结构方案图；图2展示了一种用于泉水保护的地下水流场信息化模拟系统技术方案图；图3展示了一种用于泉水保护的地下水流场信息化模拟系统运算方案图。
具体实施方式
14.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明；在具体实施例中，所述水蒸发速率检测模块包含超声波换能器的输入端连接单脉冲发射电路的输出端，单脉冲发射电路的输入端连接单片机电路的输出端，超声波换能器的输出端连接可控增益放大电路的输入端，可控增益放大电路的输出端连接单片机电路的输入端，水液位检测原理：设水位高度为g，水中超声波传播速度为c，两次回波的间隔时间为t，则有g=ct/2
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（1）超声波发射频率影响接收信号的强度，以下方法计算出最优的发射频率：设入射角为1，接收角为2，k1，k2为特性阻抗，反射系数k为：
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（2）透射系数e为：
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（3）设第一层介质的入射声压为，第一层介质的反射声压为，声波在第i层介质
的声速为，声波在第i层介质的密度为，第i层介质特性阻抗为ki=*，波数为mi，第i层介质厚度为hi，透射到液体内部的声压幅值为p
nt
，由声波在声波介质中的声波解和在介质分界面的边界条件得出传输矩阵公式：
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（4）设为声波从第一层介质到第n层介质的传输矩阵的第一行第一列元素，为声波反射回来从第n层介质到第一层介质的传输矩阵的第一行第一列元素，则： （5）总的回波透射系数为：
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（6）根据选取合适的超声波发射频率。
15.在具体实施例中，所述流动速率检测模块包括激光器电路输出端连接稳压恒流驱动电路的输入端，稳压恒流驱动电路的输出端连接调制及智能控制电路的输入端，光电转换电路的输出端连接放大电路的输入端，放大电路的输出端连接整形电路的输入端，放大电路的输出端连接单片机电路的输入端，采用的算法为：假设单片机ad采样信号为x（m），长度为n，mm，的dft为：
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（7）由，得：
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（8）定义函数：
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（9）
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（10）式中为输入的n点序列，为滤波器冲激响应序列，对（3-4）z变换得：
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（11）将（11）分母分子同乘得二阶iir滤波器的传递函数为：
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（12）该二阶滤波器的迭代公式为：
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（13）（13）该算法使计算效率提高。
16.在具体实施例中，所述降水速率检测模块包含发射天线的输入端连接雷达收发前端电路的输出端，接收天线的输出端连接雷达收发前端电路的输入端，雷达收发前端电路的输出端连接ad转换电路的输入端，ad转换电路的输出端连接单片机电路的输入端，雷达收发前端电路的输入端连接控制电路的输出端，控制电路的输入端连接单片机电路的输出端，计算方法为：雷达发射微波的频率为，接收微波的频率为，光速为，降水速率为：
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（14）根据降水速率计算降水量。
17.在具体实施例中，所述渗漏速率检测模块包含电阻应变式传感器的输出端连接差动放大电路的输入端，差动放大电路的输出端连接ad转换电路的输入端，ad转换电路的输出端连接单片机电路的输入，计算方法为：地下水初始重量为，过时间后地下水重量为，渗漏速率为：
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（15）在具体实施例中，所述流动速率检测模块包含光电转换电路的输出端连接整形放大电路的输入端，整形放大电路的输出端连接频率测量电路的输入端，计算方法为：实验测得水流动使叶片转一圈的速度为，频率测量电路测得的频率为，计算水流速为：
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（16）根据水流速可计算水流量。
18.在具体实施例中，所述碰撞压强检测模块包含气压传感器电路的输出端连接信号放大电路的输入端，信号放大电路的输出端连接ad转换电路的输入端，ad转换电路的输出端连接单片机电路的输入端。
19.在具体实施例中，所述喷涌速率检测模块包含超声波发射头电路的输入端连接三极管放大电路的输出端，三极管电路的输入端连接单片机电路的输出端，接收电路的输出端连接放大电路的输入端，放大电路的输出端连接单片机电路的输入端，计算方法为：理想液体的伯努利方程为：
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（17）式中为总水头，、为断面高度，、为侧压高度，、水流实际速度；由于摩擦阻力实际液体伯努利方程为：
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（18）为单位流体沿程水头损失；水头高度为，
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（19）采用达西-韦斯巴诃公式计算，
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（20）涌水量计算公式为：
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（21）为孔深，d为孔径。
20.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些
具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变；例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围；因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。