CN100565614C - 地震体验装置 - Google Patents

Abstract

一种地震体验装置，包括体验房、第一油缸、电液伺服阀、液压动力源和用于保证液压恒定输出的油源辅助设备，所述体验房安装在台架上，所述台架可水平滑动地安装在第一运动导轨上，所述第一油缸的其中一杆与台架刚性连接，所述第一油缸为双出杆缸，所述第一油缸连接电液伺服阀，所述电液伺服阀连接液压动力源，所述液压动力源连接油源辅助设备，所述电液伺服阀连接用于根据地震位移数据计算阀口开度信号，并将阀口开度信号输出到电液伺服阀的地震模拟控制器。本发明提供一种能够较好复现真实地震、结构合理、增强体验效果的地震体验装置。

Description

地震体验装置

技术领域

本发明涉及一种供人体验地震的地震模拟装置

背景技术

地震是地球上自然灾害之一，造成的人员伤亡和经济损失巨大。我国是一个多地震的国家，在环太平洋地震带和喜马拉雅——地中海地震带上，目前我国又处于地震活跃期，地震发生频繁。普及地震知识、掌握避震抗震技巧是预防地震灾害的重要手段，与每个人息息相关，地震体验可以寓教于乐，提高全民防震抗震意识。地震体验装置广泛应用于大型科学馆，教学实验室，地震预防馆，建筑材料研究展览馆。

传统的地震体验设备多采用简单机械式的振动模拟地震的效果，此类设备振动简单，不能复现真实地震，体验者体验一次后即少了份新鲜感甚至毫无地震震撼的感觉，不能带给体验者真实的地震感受。

发明内容

为了克服已有地震体验设备的模拟简单、不能复现真实地震、体验效果差的不足，本发明提供一种能够较好复现真实地震、结构合理、增强体验效果的地震体验装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种地震体验装置，包括体验房、第一油缸、电液伺服阀、液压动力源和用于保证液压恒定输出的油源辅助设备，所述体验房安装在台架上，所述台架可水平滑动地安装在第一运动导轨上，所述第一油缸的其中一杆与台架刚性连接，所述第一油缸为双出杆缸，所述第一油缸连接电液伺服阀，所述电液伺服阀连接液压动力源，所述液压动力源连接油源辅助设备，所述电液伺服阀连接用于根据地震位移数据计算阀口开度信号，并将阀口开度信号输出到电液伺服阀的地震模拟控制器。

作为优选的一种方案：所述的台架包括上台架和下台架，所述下台架可水平滑动地安装在第一运动导轨上，所述下台架的上方设有第二运动导轨，所述上台架可水平滑动的安装在第二运动导轨上，所述上台架的底部两端设有限位块，所述下台架上两侧设有缓冲支架，所述缓冲支架上安装芯棒，所述芯棒上安装缓冲机构，所述缓冲机构与所述限位块正对，所述上台架上安装体验房。

作为优选的另一种方案：所述第一油缸的活塞杆的另一杆安装位移传感器，所述地震模拟控制器还包括：用于根据位移传感器的反馈信号，闭环控制第一油缸的活塞杆位移的闭环控制模块；所述位移传感器连接闭环控制模块。

作为优选的再一种方案：所述地震体验装置还包括第二油缸和电磁换向阀，所述第二油缸为单出杆缸，所述液压动力源连接电磁换向阀，所述电磁换向阀连接第二油缸，所述第二油缸固定安装在所述下台架上其中一侧的缓冲支架上，所述第二油缸的活塞杆与限位块正对。

进一步，所述缓冲机构包括弹簧和垫片，所述弹簧底端套装在所述芯棒上，所述弹簧顶端安装所述垫片。

再进一步，所述地震模拟控制器包括电液伺服控制器和工控机，所述的电液伺服控制器包括用于和工控机联系的串口通讯模块，用于控制电液伺服阀的控制PID算法和功率放大模块，用于控制电磁换向阀的控制和功率放大模块和用于实时采集台架位移信号的数据采集模块，所述的电液伺服控制器分别和工控机、电液伺服阀电连接。

更进一步，所述工控机包括串口通讯单元和人机交互单元，所述串口通讯单元连接电液伺服控制器；在所述体验房内安装显示器，所述人机交互单元连接显示器。

所述工控机还包括用于根据模拟地震的强度选择恰当的地震声音、视频进行播放的实时播放单元。

所述上台架、第一运动导轨、第一油缸、下台架、第二运动导轨和第二油缸位于同一中心线上。

本发明的技术构思为：工控机内的原始地震位移数据，通过串口通讯单元发送给电液伺服控制器；激振油缸尾部的位移传感器实时测量激振缸活塞杆的位移，即体验房的位移，并实时反馈给电液伺服控制器，该模拟量经过滤波、A/D转换成当前体验房位移数字量；以当前时刻原始地震位移数据为输入量，体验房位移数据为反馈量，通过电液伺服控制器闭环PID控制算法计算出2D电液数字伺服阀的阀口开度，2D电液数字伺服阀实时改变阀口流量和方向，从而实现激振油缸内压力大小和方向的瞬态变化，推动上、下台架和体验房位移发生变化，模拟地震振动；电液伺服控制器还将位移传感器测得的体验房模拟地震位移数据实时传送给工控机。

工控机实时显示原始地震位移数据和当前模拟地震位移数据，并根据当前地震强度选择恰当的地震声音、视频在体验房内的第二显示器上播放，力求给体验者多方位的感官刺激。

同时，本地震体验装置还有两种体验模式，电液伺服控制器通过控制三位四通电磁换向阀，改变油液方向，进而改变液压锁紧缸活塞的运动方向，将上、下台架锁紧或者松开，实现非减震、减震两种体验模式。

本发明的有益效果主要表现在：1、实现地震体验的自动化控制，对操作者无任何专业要求，甚至体验者也可自己操作自己体验；2、对体验房位移进行实时的闭环控制，可以进行高精度的模拟真实地震；3、智能化程度高，可以根据地震体验时的情况塑造真实地震的气氛；4、多种真实地震和两种体验模式可供选择，带给体验者不同的地震感受，通过对比体验感受，学习防震减震知识，寓教于乐。

附图说明

图1是本发明的地震体验装置的总体结构示意图。

图2是本发明的地震体验装置的机械结构主视图。

图3是本发明的地震体验装置的机械结构A-A向视图。

图4是本发明的地震体验装置的电液伺服控制器控制原理图。

图5是本发明的地震体验装置进行地震体验时加载的某原始地震位移-时间曲线。

图6是本发明的地震体验装置模拟图5地震，进行地震体验时的模拟地震位移-时间曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图1～图6，一种地震体验装置，包括体验房6、第一油缸11、电液伺服阀13、液压动力源1和用于保证液压恒定输出的油源辅助设备2，所述体验房6安装在台架上，所述台架可水平滑动地安装在第一运动导轨3上，所述第一油缸11的其中一杆与台架刚性连接，所述第一油缸11为双出杆缸，所述第一油缸11连接电液伺服阀13，所述电液伺服阀13连接液压动力源1，所述液压动力源1连接油源辅助设备2，所述电液伺服阀13连接用于根据地震位移数据计算阀口开度信号，并将阀口开度信号输出到电液伺服阀的地震模拟控制器。

所述地震模拟控制器包括电液伺服控制器和工控机，所述的电液伺服控制器包括用于和工控机联系的串口通讯模块，用于控制电液伺服阀的控制PID算法和功率放大模块，用于控制电磁换向阀的控制和功率放大模块和用于实时采集台架位移信号的数据采集模块，所述的电液伺服控制器分别和工控机、电液伺服阀电连接。所述工控机包括串口通讯单元和人机交互单元，所述串口通讯单元连接电液伺服控制器；在所述体验房内安装显示器，所述人机交互单元连接显示器。所述工控机还包括用于根据模拟地震的强度选择恰当的地震声音、视频进行播放的实时播放单元。

所述的液压动力源1由两组恒压变量泵、差压器、溢流阀组成，通过调节差压器，用于联合对地震体验装置供油，也可以由其中一组恒压变量泵对系统提供油液动力，所述的液压动力源1连接油源辅助设备2，所述的油源辅助设备2包括蓄能器、过滤器、冷凝器、加热器、液压油管及压力表，所述的油源辅助设备2中的油管和电液伺服阀13与电磁换向阀14相连接。

所述的电液伺服阀13是一只由步进电机驱动的2D电液数字伺服阀，用于快速响应和换向，从而实时改变液动力。电液伺服阀13连接第一油缸11，所述的第一油缸11为双出杆电液激振缸，第一油缸11固定在激振缸支架10上，激振缸支架10的中心线和下台架4的中心线重合，所述的第一油缸11其中一杆伸出缸体，通过连接块9、弹簧垫圈、螺母和下台架4刚性连接。

所述的第一运动轨道3为两根工字钢轨道，通过地脚螺栓、调节架17固定在水平地面上。

本实施例的台架和体验房位移控制策略由液压控制系统实现，主要通过电液激振缸11活塞杆的位置变化实现位移的精确控制。电液伺服控制器15是精确控制的核心，它包括数据采集模块31、串口通讯模块32、控制PID算法及功率放大模块33、控制及功率放大模块34。在电液伺服控制器一个控制周期内，实现模拟地震振动的实时控制，由工控机16通过串口通讯模块32将该时刻的原始地震位移数据35发送给电液伺服控制器15，经控制PID算法及功率放大模块33运算后，将当前时刻的阀口开度发送给电液伺服阀13，实现实时控制流经电液伺服阀的流量，油液在电液激振缸内产生实时变化的液动力推动活塞前进或后退，模拟地震振动。

实施例2

参照图1～图6，本实施例是在实施例1的基础上，所述的台架包括上台架5和下台架4，所述下台架4可水平滑动地安装在第一运动导轨3上，所述下台架4的上方设有第二运动导轨21，所述上台架5可水平滑动的安装在第二运动导轨21上，所述上台架5的底部两端设有限位块23，在所述下台架上两侧设有缓冲支架29，所述缓冲支架29上安装芯棒26，所述芯棒26上安装缓冲机构，所述缓冲机构与所述限位块23正对，所述上台架5上安装体验房6。

所述的下台架4包括第一滚轮组18、第一钢架20及第二运动轨道21，所述的第一滚轮组18通过滚轮支架19、滚动轴、销钉固定在第一钢架20上，分布在下台架4中心线两侧，下端放置在第一运动轨道3上，所述的第一钢架20上铺设第二运动轨道21，所述的第二运动轨道21为工字钢轨道；所述的上台架5包括第二滚轮组22、第二钢架24及体验房地脚螺栓组30，所述的第二滚轮组22通过滚轮支架28、滚动轴、销钉固定在第二钢架24上，分布在下台架4中心线两侧，下端放置在第二运动轨道21上，所述的第二钢架24四角设有体验房地脚螺栓组30，所述的地脚螺栓组30用来固定体验房6。第一运动轨道3、下台架4、第二运动轨道21、上台架5、体验房6、第一油缸11、第二油缸8的中心线重合，第一滚轮组18、第二滚轮组22分别分布在中心线两侧，且和第一运动轨道3、第二运动轨道21上下对齐。

本实施例的上台架在下台架上自由运动，减轻了真实地震的振动强度，缓冲机构的弹簧27、垫片25对限位块23和芯棒26可能发生的碰撞起到缓冲作用。本实施例的上台架、下台架及体验房处于减震模式。

本实施例的其余结构和工作过程与实施例1相同。

实施例3

参照图1～图6，本实施例是在实施例1或实施例2的基础上，所述第一油缸11的另一杆的另一端安装位移传感器12，所述地震模拟控制器还包括：用于根据位移传感器12的反馈信号，闭环控制第一油缸11的活塞杆位移的闭环控制模块；所述位移传感器12连接闭环控制模块。

第一油缸11的另一杆沿轴向方向有一长孔，并在该杆的端部装有位移传感器12的磁缸，将位移传感器12的行程杆伸入该杆的长孔并固定在缸筒尾部，位移传感器12的磁缸随着第一油缸11的活塞运动而运动，而位移传感器12的行程杆则不动，由磁缸运动产生的电信号反馈给电液伺服控制器15。

本实施例设置在电液激振缸11尾部的位移传感器12，实时检测电液激振缸活塞的位移，并反馈给电液伺服控制器，经数据采集模块31的A/D转换、数字滤波后作为反馈量，工控机发送来的原始地震位移数据35作为输入量，二者送入控制PID算法及功率放大模块33进行数字PID运算，从而形成闭环控制，实现对台架和体验房的位移实时控制。

同时，电液伺服控制器将A/D转换、数字滤波后的模拟地震位移数据发送到工控机，工控机实时显示原始地震位移数据35和当前模拟地震位移数据36，并根据当前地震强度选择恰当的地震声音、视频在体验房内的第二显示器上播放，力求给体验者多方位的感官刺激。

本实施例的其他结构和工作过程与实施例1或实施例2相同。

实施例4

参照图1～图6，本实施例是在实施例2的基础上，所述地震体验装置还包括第二油缸8和电磁换向阀14，所述第二油缸8为单出杆缸，所述液压动力源连接电磁换向阀14，所述电磁换向阀14连接第二油缸8，所述第二油缸8固定安装在所述下台架上其中一侧的缓冲支架29上，所述第二油缸8的活塞杆与限位块23正对。

所述缓冲机构包括弹簧27和垫片25，所述弹簧27底端套装在所述芯棒26上，所述弹簧27顶端安装所述垫片25。

所述的电磁换向阀14为三位四通的电磁换向阀，其油路连接第二油缸8，所述的第二油缸8为单出杆的液压锁紧缸。所述的第二油缸8通过缓冲支架29、垫片、螺栓固定在下台架4上，第二油缸8的中心线和下台架4的中心线重合。

电液伺服控制器的控制及功率放大模块34用于控制电磁换向阀8，实现台架及体验房的非减震和减震两种体验模式。

当台架及体验房处于非减震模式时，工控机16发送命令给电液伺服控制器15，电液伺服控制器通过内部的控制及功率放大模块34接收，并控制电磁换向阀14动作，电磁换向阀此时工作在左位，油液经电磁换向阀进入液压锁紧缸的左腔，推动活塞右移，活塞杆和与之正对的限位块23压紧，后侧缓冲机构的芯棒26和与之正对的限位块23压紧，从而下台架4、上台架5固定在一起，上、下台架、体验房随着刚性连接的电液激振缸一起模拟地震振动。

当台架及体验房处于减震模式时，工控机16发送模式控制命令给电液伺服控制器15，电液伺服控制器通过内部的控制及功率放大模块34接收，并控制电磁换向阀14动作，电磁换向阀此时工作在右位，油液经电磁换向阀进入液压锁紧缸的右腔，推动活塞左移，活塞杆和与之正对的限位块23松开，后侧缓冲机构的芯棒26和与之正对的限位块23松开，从而上台架5和下台架4脱开，上台架在下台架上自由运动，不再受下台架及电液激振缸强迫振动，从而减轻了真实地震的振动强度，缓冲机构的弹簧27、垫片25对限位块23和芯棒26可能发生的碰撞起到缓冲作用。

本实施例的其余结构和工作过程与实施例2相同。

Claims (5)

1、一种地震体验装置，其特征在于：包括体验房、第一油缸、电液伺服阀、液压动力源和用于保证液压恒定输出的油源辅助设备，所述体验房安装在台架上，所述台架可水平滑动地安装在第一运动导轨上，所述第一油缸的其中一杆与台架刚性连接，所述第一油缸为双出杆缸，所述第一油缸连接电液伺服阀，所述电液伺服阀连接液压动力源，所述液压动力源连接油源辅助设备，所述电液伺服阀连接用于根据地震位移数据计算阀口开度信号，并将阀口开度信号输出到电液伺服阀的地震模拟控制器；

所述的台架包括上台架和下台架，所述下台架可水平滑动地安装在第一运动导轨上，所述下台架的上方设有第二运动导轨，所述上台架可水平滑动的安装在第二运动导轨上，所述上台架的底部两端设有限位块，所述下台架上两侧设有缓冲支架，所述缓冲支架上安装芯棒，所述芯棒上安装缓冲机构，所述缓冲机构与所述限位块正对，所述上台架上安装体验房；

所述地震体验装置还包括第二油缸和电磁换向阀，所述第二油缸为单出杆缸，所述液压动力源连接电磁换向阀，所述电磁换向阀连接第二油缸，所述第二油缸固定安装在所述下台架上其中一侧的缓冲支架上，所述第二油缸的活塞杆与限位块正对；

所述地震模拟控制器包括电液伺服控制器和工控机，所述的电液伺服控制器包括用于和工控机联系的串口通讯模块，用于控制电液伺服阀的控制PID算法和功率放大模块，用于控制电磁换向阀的控制和功率放大模块和用于实时采集台架位移信号的数据采集模块，所述的电液伺服控制器分别和工控机、电液伺服阀电连接；

所述第一油缸的活塞杆的另一杆安装位移传感器，所述位移传感器与所述电液伺服控制器连接，所述工控机包括：用于根据位移传感器的反馈信号，闭环控制第一油缸的活塞杆位移的闭环控制模块。

2、如权利要求1所述的地震体验装置，其特征在于：所述缓冲机构包括弹簧和垫片，所述弹簧底端套装在所述芯棒上，所述弹簧顶端安装所述垫片。

3、如权利要求1或2所述的地震体验装置，其特征在于：所述工控机包括串口通讯单元和人机交互单元，所述串口通讯单元连接电液伺服控制器；在所述体验房内安装显示器，所述人机交互单元连接显示器。

4、如权利要求3所述的地震体验装置，其特征在于：所述工控机还包括用于根据模拟地震的强度选择地震声音、视频进行播放的实时播放单元。

5、如权利要求1所述的地震体验装置，其特征在于：所述上台架、第一运动导轨、第一油缸、下台架、第二运动导轨和第二油缸位于同一中心线上。

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