CN101577036B - 地震报警器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地震报警器，它包括主控单元、低通滤波放大单元、前置放大单元、档位设定单元和报警单元。该主控单元与档位设定单元和报警单元相连，该主控单元依次经由低通滤波放大单元、前置放大单元与加速度测量单元相连。本发明地震报警器利用地震纵波与横波间的10～20秒时间差，在破坏力强大、传递速度较慢的横波到来之前，通过监测纵波的到来，在纵波与横波达到地面的时间差内提供及时准确的局域地震报警，从而使建筑物内的人们在获悉报警时，可利用横波到来之前的短暂时间间隙躲避到建筑物内可靠的抗震结构区内，争取更高的生存希望，将人员伤亡减少到最小。本发明地震报警器适用于建筑物内部的局域地震报警。

Description

地震报警器

技术领域

本发明涉及一种报警器，具体地说，是涉及一种准确预报地震波中的纵波到来的地震报警仪器。

背景技术

由地震引起的地震波的频率范围为0.1Hz到几十Hz，这个频率范围与地表不同尺度的建筑物共振频率是正好对应的，它会直接影响到建筑物在地震时的摇晃程度。按传播方式，地震波被分为三种类型：纵波、横波和面波。纵波(P波)是推进波，它在地壳中的传播速度为5.8～8公里/秒。纵波会最先到达震中，它使地面发生上下振动，破坏性较弱。横波(S波)是剪切波，它在地壳中的传播速度为3.2～4.0千米/秒。横波是第二个到达震中的，它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。面波(L波)是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波，它的波长大、振幅强，只能沿地表传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。

我国属于地震多发国家，例如，台湾、华北北部，四川、云南、甘肃、宁夏等地都为地震多发区。而且，我国地震大多数强度比较大，绝大多数地震是发生在大陆的浅源地震，震源深度大都在20公里以内。到目前为止，我国约有一半城市的建筑的抗震设防烈度为7度或7度以上，其中，建筑抗震设防烈度7度或7度以上的百万人口以上的大城市达到70％，北京、天津、太原、西安、兰州等特大城市建筑抗震设防烈度均为8度。然而，经济不发达的广大农村和相当一部分城市的建筑质量不高，抗震性能差，抵御地震的能力低。

由此可见，针对我国抗震情况，地震预报是一项至关重要的工作，它关系到人们的生命安全。但是，至今为止，地震预报还是一个世界性的难题，预报准确率大都只有20％。因此，研究出一种可在地震来临前或来临时准确预报地震的方案是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种地震报警器，该地震报警器可有效监测地震纵波的到来，准确及时地提供临震报警，为人们逃生创造了宝贵的时间。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种地震报警器，其特征在于：它包括主控单元、低通滤波放大单元、前置放大单元、档位设定单元、报警单元和串行通信单元，该主控单元与档位设定单元和报警单元相连，该主控单元依次经由低通滤波放大单元、前置放大单元与加速度测量单元相连，该主控单元通过该串行通信单元与PC机相连；

该主控单元包括单片机，该单片机为C8051F350；该加速度测量单元为用于测量地表加速度的低频加速度计；该前置放大单元由第一放大器、第二放大器和第三放大器构成，该第一、第二放大器的同向输入端分别接加速度计的正、负输出端，该第一、第二放大器的输出端经电阻分别接第三放大器的反向、同向输入端；该低通滤波放大单元为由第四放大器、电阻、电容构成的滤波放大电路，该第四放大器的反向输入端接第三放大器的输出端，该第四放大器的输出端接单片机的一模拟量输入端；该档位设定单元为用于设定地震报警烈度阈值的档位调节器件，该档位调节器件的输出端与单片机上相应的IO端口相接；该报警单元为报警灯和/或报警铃，该报警灯和/或报警铃与单片机上相应的IO端口相接；该PC机用于远程控制建筑物内的水电气总开关，以避免二次灾害发生；

其中：该前置放大单元的放大倍数为40，该低通滤波放大单元的放大倍数为12.5～13；该档位调节器件共设有7档，该7档分别为：6度，0.05g；6.5度，0.075g；7度，0.1g；7.5度，0.15g；8度，0.2g；8.5度，0.3g；9度，0.4g。

所述地震报警器放置于建筑物的底层地面上或地下室地面上，所述地震报警器的低频加速度计与地表面相接触，所述报警单元设置于各个建筑单元内。

所述地震报警器用于监测纵波的到来。

本发明的优点是：

本发明地震报警器利用地震纵波与横波间的10～20秒时间差，在破坏力强大、传递速度较慢的横波到来之前，通过监测纵波的到来，在纵波与横波达到地面的时间差内提供及时准确的局域地震报警，从而使建筑物内的人们在获悉报警时，可利用横波到来之前的短暂时间间隙躲避到建筑物内可靠的抗震结构区内，争取更高的生存希望，将人员伤亡减少到最小。本发明地震报警器体积小，使用安全可靠，适用于建筑物内部的局域地震报警。

本发明地震报警器可与国家地震监测网联网，实时向国家地震监测网自动回传地震数据，既为国家地震局增加了地震观测资料，又使相关部门准确掌握此处建筑物所受震动的大小，来为地震后建筑安全诊断提供参考。而且，本发明可通过与国家地震监测网的联网，来实时播报国家地震局的地震警报和信息。本发明地震报警器是国家地震台网大震速报模式的有效补充。本发明地震报警器还可与火警、医疗等系统机构联网，以提高这些机构对地震灾情的掌控。

附图说明

图1是本发明地震报警器的组成框图；

图2是主控单元的电路原理图；

图3是前置放大单元的电路原理图；

图4是低通滤波放大单元的电路原理图；

图5是串行通信单元的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明地震报警器包括主控单元110、低通滤波放大单元140、前置放大单元130、档位设定单元150和报警单元160。该主控单元110与档位设定单元150和报警单元160相连，该主控单元110依次经由低通滤波放大单元140、前置放大单元130与加速度测量单元120相连。

如图2所示，主控单元110包括单片机U1，该单片机U1可采用C8051F350芯片。在主控单元110中设置了单片机手动复位键S2和用户清除报警键S1。档位设定单元150为用于设定地震报警烈度阈值的档位调节器件，该档位调节器件的输出端与单片机U1上相应的IO端口P1.2～P1.4相接。档位调节器件可以设计成一个3段8档档位开关，这样便可以根据中华人民共和国住房和城乡建筑部《建筑抗震设计规范》(GB500011-2001)附录A中对不同地区不同建筑的抗震设防烈度(即地表加速度)要求而设置如下7档：6度，0.05g；6.5度，0.075g；7度，0.1g；7.5度，0.15g；8度，0.2g；8.5度，0.3g；9度，0.4g。也就是说，档位调节器件可用于设置7个抗震烈度报警档位。报警单元160可为报警灯和/或报警铃，该报警灯和/或报警铃与单片机U1上相应的IO端口相接。如图，示意性地示出了一个报警灯D3的连接。

加速度测量单元120为用于测量地表加速度的高精度低频加速度计。由于高精度低频加速度计在工作区间输出的电压信号为0.08～4mV(0～30Hz)，因此，为了满足后级A/D转化量程的精度，本发明地震报警器采用了两级放大电路设计。由于输入电压信号为低频信号，因此两级运放均选用静态性能和动态性能良好的集成运放LF411芯片搭建。又因为输入阻抗、共模抑制比和噪声主要取决于前置放大电路，若前置放大电路采用单运放，则共模抑制比达不到要求，故采用差分输入、抗共模干扰能力强的仪用运放(也称三运放)来满足设计要求。仪用运放实质是两级放大，仪用运放的同向和反向放大电路放大倍数可以在1～100倍之间选择，如果能满足要求，则放大倍数越小越好，因为放大倍数越大，对干扰的抑制能力越弱。

图3和图4示出了两级运放放大差模电压增益的电路设计。前置放大单元130由第一放大器AR1、第二放大器AR2和第三放大器AR3构成，该第一放大器AR1、第二放大器AR2的同向输入端分别接加速度计的正、负输出端AIN+、AIN-，该第一放大器AR1的输出端经电阻R3接第三放大器AR3的反向输入端，第二放大器AR2的输出端经电阻R11接第三放大器AR3的同向输入端。低通滤波放大单元140为由第四放大器AR4、电阻R2、电容C15构成的滤波放大电路，该第四放大器AR4的反向输入端接第三放大器AR3的输出端，该第四放大器AR4的输出端接单片机U1的一模拟量输入端AIN0.0。

前置放大单元130的任务是将加速度计测得的地表加速度值转化成的低频电压信号放大40倍。低通滤波放大单元140的任务是进一步将电压信号放大12.5～13倍，这样，单片机U1的模拟量输入端接收到的电压信号便是放大了约500倍的加速度信号。此外，低通滤波放大单元140采用了低通滤波器电路结构(上限频率为200Hz)，其还要实现消除高频噪声的目的。

本发明的工作原理是：

单片机U1读取用户在档位设定单元150设定的抗震烈度报警档位后，相应设定地震报警烈度阈值。高精度低频加速度计精确检测低频的地震波传递到建筑物时的地表震动加速度，并将监测到的地表加速度值转化成低频电压信号，然后低频电压信号经过前置放大单元130、低通滤波放大单元140的信号500倍放大和滤波后传送到主控单元110的单片机U1，然后，单片机U1将接收到的电压信号与设定的阈值进行分析比较处理。当监测到的地表加速度信号强度达到设定阈值时，单片机U1启动报警单元160工作，报警灯和/或报警铃发出警报。当用户手动按下用户清除报警键S1或远程控制单片机U1复位时，本发明地震报警器才会停止报警，并恢复正常工作状态。

实际使用本发明前，先将本发明地震报警器放置于建筑物的底层地面上或地下室地面上，以避免楼房高层的震动对报警器产生影响。本发明地震报警器的低频加速度计与地表面相接触，以用来精确测量地表加速度。报警单元160设置于各个建筑单元内，其通过总线与放置在底层地面上或地下室地面上的地震报警器连接。安装好地震报警器后，应根据所处建筑物的抗震设防烈度来设定相应的抗震烈度报警档位，以有效降低误报率。

使用时，开启报警器，报警器实时监测地震波中传递较快的纵波，当监测到的地震纵波强度达到设定的报警阈值时，各个建筑单元内的报警单元160启动报警。这样，本发明地震报警器在破坏力强大、传递速度较慢的横波到来之前，在纵波与横波达到地面的10～20秒时间差内提供了及时准确的局域地震报警，从而使建筑物内的人们在获悉报警时，可利用横波到来之前的短暂时间间隙躲避到建筑物内可靠的抗震结构区内，争取更高的生存希望。

目前的研究表明，如果能利用纵波与横波到达地面的10～20秒时间差而及时准确地实施临震报警，距离震中50～200公里的主震区可以将人员伤亡减少到最小。如果主震区提前2秒获得警报，其区域的死亡人数能减少25％。如果主震区提前5秒获得警报，其区域的死亡人数能减少80％，因为5秒的时间足可以让建筑物内的人员躲避到建筑物内坚固的结构区内，等待强震过后逃生或者被救援。

在实际应用中，本发明地震报警器可具备远程通讯功能，在地震报警器中设置串行通信单元170，主控单元110通过该串行通信单元170与PC机180相连。如图5所示，串行通信单元170采用RS-232经济型3线制标准接法，通过该串行通信芯片U3(MAX232)，单片机U1可以实现与PC机180传输数据等通讯功能。

PC机180可通过实时接收主控单元110传送来的地震报警信息而远程控制建筑物内的水电气总开关，当监测到的地震纵波强度达到设定阈值时，PC机180命令水电气总开关自动切断，以避免二次灾害发生。而且，PC机180可实时将加速度计测得的地表加速度数据进行存储，并将存储的数据自动回传到国家地震监测网，这样，既为国家地震局增加了地震观测资料，又可使相关部门准确掌握此处建筑物所受震动的大小，来为地震后建筑安全诊断提供参考。

另外，目前，国家地震台网大震速报模式主要还是通过网络和广播形式向建筑物终端内的人们通知地震消息。虽然国家地震台网拥有很强的地震监测能力，但是，在强地震来临时，由于线路拥塞或者线路入户率等多种原因，建筑物终端很有可能无法接收到地震消息。因而，PC机180可实时与国家地震监测网联网，实时播报国家地震局的地震警报和信息。可见，本发明地震报警器是国家地震台网大震速报模式的有效补充。本发明地震报警器还可与火警、医疗等系统机构联网，以提高这些机构对地震灾情的掌控。

本发明的优点是：

本发明地震报警器利用地震纵波与横波间的10～20秒时间差，在破坏力强大、传递速度较慢的横波到来之前，通过监测纵波的到来，在纵波与横波达到地面的时间差内提供及时准确的局域地震报警，从而使建筑物内的人们在获悉报警时，可利用横波到来之前的短暂时间间隙躲避到建筑物内可靠的抗震结构区内，争取更高的生存希望，将人员伤亡减少到最小。本发明地震报警器适用于建筑物内部的局域地震报警。

本发明地震报警器可与国家地震监测网联网，实时向国家地震监测网自动回传地震数据，既为国家地震局增加了地震观测资料，又使相关部门准确掌握此处建筑物所受震动的大小，来为地震后建筑安全诊断提供参考。而且，本发明可通过与国家地震监测网的联网，来实时播报国家地震局的地震警报和信息。本发明地震报警器是国家地震台网大震速报模式的有效补充。本发明地震报警器还可与火警、医疗等系统机构联网，以提高这些机构对地震灾情的掌控。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种地震报警器，其特征在于：它包括主控单元、低通滤波放大单元、前置放大单元、档位设定单元、报警单元和串行通信单元，该主控单元与档位设定单元和报警单元相连，该主控单元依次经由低通滤波放大单元、前置放大单元与加速度测量单元相连，该主控单元通过该串行通信单元与PC机相连；

该主控单元包括单片机，该单片机为C8051F350；

该加速度测量单元为用于测量地表加速度的低频加速度计；

该前置放大单元由第一放大器、第二放大器和第三放大器构成，该第一、第二放大器的同向输入端分别接加速度计的正、负输出端，该第一、第二放大器的输出端经电阻分别接第三放大器的反向、同向输入端；

该低通滤波放大单元为由第四放大器、电阻、电容构成的滤波放大电路，该第四放大器的反向输入端接第三放大器的输出端，该第四放大器的输出端接单片机的一模拟量输入端；

该档位设定单元为用于设定地震报警烈度阈值的档位调节器件，该档位调节器件的输出端与单片机上相应的IO端口相接；

该报警单元为报警灯和/或报警铃，该报警灯和/或报警铃与单片机上相应的IO端口相接；

该PC机用于远程控制建筑物内的水电气总开关，以避免二次灾害发生；

其中：

该前置放大单元的放大倍数为40，该低通滤波放大单元的放大倍数为12.5～13；

该档位调节器件共设有7档，该7档分别为：6度，0.05g；6.5度，0.075g；7度，0.1g；7.5度，0.15g；8度，0.2g；8.5度，0.3g；9度，0.4g。

2.根据权利要求1所述的地震报警器，其特征在于：

所述地震报警器放置于建筑物的底层地面上或地下室地面上，所述地震报警器的低频加速度计与地表面相接触，所述报警单元设置于各个建筑单元内。

3.根据权利要求1所述的地震报警器，其特征在于：

所述地震报警器用于监测纵波的到来。

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