CN100504443C - 振动特征传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有空间定位和卫星授时功能的高精度振动特征传感器，除了加速度拾振器、波形记录器、实时处理芯片和保护外壳外，它还包括有A/D转换电路板、GPS天线和GPS信号处理装置；A/D转换电路板把加速度拾振器采集的加速度电压信号转换为数字信号并输入实时处理芯片，GPS信号处理装置根据GPS天线接受的卫星信号对本身进行空间定位和授时，实时处理芯片实时分析所输入的数字信号，并根据所预设的阈值作出地震和场地液化的判断，同时通过线路向外输出可供利用的指令信号。本发明具有精确度高、预警可靠和卫星定位授时的优点，可用于监测和警报地震，并构建地区监测网络以全方位监测地震全过程。

Description

振动特征传感器

技术领域：

本发明涉及一种振动传感器，特别是涉及一种用于振动监测和过程分析的振动特征传感器。

背景技术：

我国是世界上遭受地震灾害最严重的国家之一。1900年以来，中国死于地震的人数达55万之多，占全球地震死亡人数的53％。二十世纪全球三分之一的大陆地震发生在我国，1949年以来，100多次破坏性地震袭击了全国22个省(自治区、直辖市)，造成27万余人丧生，占全国各类灾害死亡人数的54％。地震灾害是我国城市所面临的主要灾害之一，大陆6度～9度地震区占国土面积的60％，23个省会城市和2/3百万以上人口的大城市位于地震烈度7度以上的高发危险区。随着社会和经济的快速发展，一旦发生地震，其带来的损失将非常巨大。因而对地震进行监测，以便为抗震减灾提供直接的技术数据和处置依据，从而有效地减轻地震灾害，便成了十分重要的工作。

在对地震进行监测的仪器装置中，振动传感器是监测地震振动特征的重要器件。日本Yamateke有限公司推出了一套用于地震监测的谱烈度(SI—Spectrum Intensity)传感器。该传感器的结构示意图可见图1，其由加速度拾振器1’、自我诊断电路板2’、波形记录器3’、实时处理芯片4’和保护外壳5’组成。所述加速度拾振器1’为一压电式传感器，其利用压电材料的压电效应将感应到的力应变信号转化为电压信号。该SI传感器工作时，加速度拾振器1’将采集到的地震场地的振动信号通过自我诊断电路板2’处理后输入实时处理芯片4’，该实时处理芯片4’对输入的振动信号进行振动周期、最大加速度、场地位移、SI值计算，并经判断后向外输出可供其他设备或装置利用的地震警告和场地液化警报信号，与此同时，波形记录器3’将该时段所采集到的以及经分析处理的地震加速度信号实时地记录下来。所谓场地液化，是指场地的饱和无粘性土在地震作用下，土壤的孔压增加、有效应力减小、由固态转变为液态的过程。

由于上述SI传感器检测和处理的信号都是模拟量，所以精度不高，经常会受环境其它震动源的影响而发生误告警的情况。此外，该SI传感器缺少直接识标本身所处地域位置的功能，因而较难与其它同类传感器共同构建成检测网，以监测某一地理区域的地震过程全貌。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有空间定位和卫星授时功能的高精度振动特征传感器，其具有防止误报、预警可靠和时空定位的优点，可用以构建完整的监测网，达到监测地震全过程的目的。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案如下：

一种振动特征传感器，包括加速度拾振器、波形记录器、实时处理芯片和保护外壳，其特征在于：它还包括有A/D转换电路板、GPS天线和GPS信号处理装置；所述加速度拾振器本身具有信号调理功能且对场地振动进行三向采集信号，其与A/D转换电路板串联后连接至实时处理芯片，所述A/D转换电路板把加速度拾振器采集的加速度电压信号转换为数字信号并输入实时处理芯片；所述GPS天线接受卫星信号，其通过可对本身进行空间定位和给出授时的GPS信号处理装置与实时处理芯片相连接；波形记录器与实时处理芯片相连接，其根据该实时处理芯片的判断指令记录超过定值的数字信号和授时；所述实时处理芯片预先设置有用以判断地震和场地液化的阈值，其对所输入的数字信号进行实时分析，若该数字信号大于预置地震阈值且符合地震特征，则判断为地震并输出地震指令，继而若该数字信号的液化特征达到预置场地液化阈值，则进一步判断为场地发生液化并输出液化指令，上述地震指令和液化指令通过线路输出以供利用。

本发明所述振动特征传感器中的加速度拾振器的数据采集频率为100Hz，量程为重力加速度的2倍；所述保护外壳由不锈钢或其他耐候材料制成。

与公知的SI传感器相比较，本发明所述的振动特征传感器内部设有A/D转换电路板可对采集的地震信号进行模数转换，同时其实时处理芯片可对振动信号进行分析识别，排除其它类型振动的干扰，因此大大提高了传感器的精度，有效地防止了误判误报，提高了报警的可靠性。此外，本发明还设有GPS系统可对其本身进行空间定位和信号记录授时，从而记录和输出叠加有时空特征的地震振动信号，因此可通过运用多个所述振动特征传感器构建成一个地震监测网，对地震发生后所监测区域各地点的各时段振动特征进行全方位全过程的记录。

附图说明：

图1是公知的SI传感器的结构示意图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是本发明的工作原理图。

具体实施方式：

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。

首先请参阅图2本发明的结构示意图。图示振动特征传感器包括有加速度拾振器1、A/D转换电路板2、波形记录器3、实时处理芯片4、GPS天线5、GPS信号处理装置6和保护外壳7。所述加速度拾振器1与A/D转换电路板2串联后连接至实时处理芯片4，所述GPS天线5通过GPS信号处理装置6与实时处理芯片4相连接，该实时处理芯片4与波形记录器3相连接，并且通过线路与外部接收指令信号的设备或装置相连接，上述所有元器件均设置于用不锈钢或其他耐候材料制成的保护外壳7之内。上述耐候材料是指能有效抵抗大气环境(潮气、酸雨等)侵蚀的材料，如含有微量稀土元素的耐候钢。

所述加速度拾振器1采用实时三向加速度传感器，其内部配有自我调理和滤波电路，因而具有信号调理功能。该加速度拾振器1对所测量场地的振动加速度进行监测和三向信号采集并得到电压信号。该加速度拾振器1的数据采集频率较高，须大于场地在地震作用下卓越频率的2倍，一般取为100Hz；由于地震作用下场地的加速度值一般不会太大，所以该加速度拾振器1的量程为重力加速度的2倍，即2g。所述加速度拾振器1具有足够的精度和频率范围，故其采集的数据能较好地反映场地的实际振动。

所述A/D转换电路板2与加速度拾振器1的测量精度和频率范围相适配，其把加速度拾振器1采集的电压模拟信号转换为数字信号，以适合实时处理芯片4的实时处理。

所述GPS天线5接受卫星信号并输送给GPS信号处理装置6，该GPS信号处理装置6可确定其本身的空间位置，并且分时段对所采集的振动信号进行高精度授时。

在实时处理芯片4中预先设置有判断地震和场地液化的阀值，所述实时处理芯片4在接收了来自A/D转换电路板2和GPS信号处理装置6的输入信号后，可实时进行分析和处理。该实时处理芯片4首先将振动信号与预设阀值进行比较，若该信号超过阀值时，就对信号的幅值、周期、持续时间、频谱等振动特征进行分析和判别，确定震源是否为地震以及该场地的液化状况，并根据判断结果发出地震和液化指令信号，该指令信号通过线路输出给外部需要利用此信号的装置。所述实时处理芯片4还在输入信号超过一定值时，对波形记录器3发出指令，该波形记录器3根据指令对超值的信号连同相应的授时一起进行记录。

现结合图3对本发明所述的振动特征传感器的工作原理和过程作一详细的说明。在需要进行地震监测的场地上设置本发明所述的振动特征传感器，该振动特征传感器的GPS天线5自卫星上接收相关信号并输送给GPS信号处理装置6，该GPS信号处理装置6根据卫星信号确定本振动特征传感器的空间位置，即在地面上的地理位置，同时由卫星信号给出精确度很高的时间授时，GPS信号处理装置6将上述空间定位信息和授时信号输送给实时处理芯片4。当本振动特征传感器所处的场地发生震动时，加速度拾振器1就会感应到振动信号a(t)[注：t为时间，a(t)为震波的时间曲线]。于是加速度拾振器1就立即对振动信号a(t)以足够的精度和频率(例如：100Hz)进行三向的实时采集，并通过自我调理和滤波系统对信号a(t)进行调理，以得到能较好地反映场地实际振动特征的电压信号。所采集的电压信号被输入A/D转换电路板2，该A/D转换电路2把电压信号转换为数字信号并输入实时处理芯片4。该实时处理芯片4对输入的数字信号a(t)进行实时分析和处理，首先其将信号a(t)值与实时处理芯片4中预先设置的阈值I进行比较，若持续5秒钟a(t)<I，或者a(t)持续60秒钟而不停止，则认为振动结束。若该信号所有a(t)<I都成立，则信号被忽略而流出处理程序；若a(t)>I，则实时处理芯片4就对该信号a(t)的幅值、周期、频谱、持续时间、峰值个数及其间隔时间进行分析和识别，将典型地震振动特征与之比较，判断是否为地震。若判断结果是除地震外的其它震动，则忽略该信号而停止处理程序，这样就可排除其它震动源引起误报，提高预警可靠度；若判断结果确实为地震，则向外发出地震报警信号，即地震指令。与此同时，实时处理芯片4对波形记录器3发出记录启动指令，则波形记录器3开始对叠加有时空特征的地震振动信号进行全过程的记录，并显示出振动波形曲线，该记录资料为地震科学研究工作和灾后恢复工作提供了必要的数据。当地震发生被确定后，本发明所述的振动特征传感器就进一步对信号进行处理和分析，并对信号的液化特征，如振动最大位移、加速度峰值和周期等进行判断，以确定所测场地的土壤液化状况，当信号表明其液化指标已达到阀值时，所述振动特征传感器就发出场地液化警示信号，即液化指令。该液化指令连同上述地震指令由实时处理芯片4通过线路向外部输出至其它设备，如关闭燃气阀门机构、切断电网电闸机构等以作为触发指令信号，从而启动抗震减灾的自动处置程序。与此同时，输出的指令信号还可以通过无线电通讯装置传输给城市的抗震指挥中心，作为指挥人员即时分析震情，指挥抗震救灾工作的依据。

由于本发明所述的振动特征传感器在采集的震动加速度信号上授予了空间和时间的特征，因此可以把数量众多的振动特征传感器布置在所监测的地理区域中，以构建成一个该区域的地震检测网络，其提供的具有时空特征的实时信号，不仅在地震发生当时能全方位全过程实时地反映震情，对抗震救灾具有重大的指导意义，而且其记录资料在震后对研究地震动的行波效应(地震动场内各位置上震波的行走时间特征)也提供了具有高可靠度的参考资料。

综上所述，本发明所述的振动特征传感器具有精确度高、预警可靠和卫星定位授时的优点，可用于监测和警报地震，构建地区监测网络以全方位监测地震全过程。

Claims (3)

1、一种振动特征传感器，包括加速度拾振器(1)、波形记录器(3)、实时处理芯片(4)和保护外壳(7)，其特征在于：它还包括有A/D转换电路板(2)、GPS天线(5)和GPS信号处理装置(6)；所述加速度拾振器(1)本身具有信号调理功能且对场地振动进行三向采集信号，其与A/D转换电路板(2)串联后连接至实时处理芯片(4)，所述A/D转换电路板(2)把加速度拾振器(1)采集的加速度电压信号转换为数字信号并输入实时处理芯片(4)；所述GPS天线(5)接受卫星信号，其通过可对本身进行空间定位和给出授时的GPS信号处理装置(6)与实时处理芯片(4)相连接；波形记录器(3)与实时处理芯片(4)相连接，其根据该实时处理芯片(4)的判断指令记录超过阈值的数字信号和授时；所述实时处理芯片(4)预先设置有用以判断地震和场地液化的阈值，其对所输入的数字信号进行实时分析，若该数字信号大于预置地震阈值且符合地震特征，则判断为地震并输出地震指令，继而若该数字信号的液化特征达到预置场地液化阈值，则进一步判断为场地发生液化并输出液化指令，上述地震指令和液化指令通过线路输出以供利用。

2、根据权利要求1所述的振动特征传感器，其特征在于：所述加速度拾振器(1)的数据采集频率为100Hz，量程为重力加速度的2倍。

3、根据权利要求1或2所述的振动特征传感器，其特征在于：所述保护外壳(7)由不锈钢或其他耐候材料制成。

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