CN104961013B - 垂直运输设备的地震检测传感器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种垂直运输设备的地震检测传感器装置。该地震检测传感器装置包括具有不同灵敏度的两个加速度计。该地震检测传感器装置提供优良的精度和可操作性监控。

Description

垂直运输设备的地震检测传感器装置
技术领域
本发明涉及垂直运输安全系统，并且更具体地涉及升降梯和扶梯所用的地震检测传感器装置。
背景技术
在地震期间，建筑物通常因地面加速度或者由于泄漏煤气(即，从破裂的煤气管道产生)所引起的后续火灾和爆炸而遭受损坏。较老的建筑物特别容易受到地面加速度所引起的结构损坏的影响，因而有时使用地震传感器来提高这些容易损坏的建筑物内的在使用中的诸如升降梯等的垂直运输设备(VTE)的安全性。这些地震传感器期望检测超过安全准则的地震加速度，之后安全地关闭VTE。
在传统的地震单元中，加速度计通常提供地震单元的微控制器响应于地震事件而确定适当动作所使用的输出数据(例如，电压)。然而，加速度计可能提供不准确的读数并且完全无法工作，这导致传统的地震单元响应于地震事件而不起作用。这可能会危及建筑物居住者的安全和健康。
发明内容
在一个方面中，本发明包括一种地震检测传感器装置，包括：(i)第一加速度计，用于以相对较高的加速度灵敏度(例如，±3g)来检测加速度；(ii)第二加速度计，用于以相对较低的加速度灵敏度(例如，±5g)来检测加速度；以及(iii)处理器(例如，微控制器)，其被配置为分析所述第一加速度计和所述第二加速度计所获取到的加速度信息。另外，各加速度计可以是被配置为自动确定重力方向并且使坐标系与重力方向自动对准的三轴加速度计。
本地震检测传感器装置使用灵敏度不同的两个加速度计，这有助于防止伪警报，促进针对加速度计的可操作性的监控，并且提高用以适应大地震事件和小地震事件这两者的不可预测性的动态范围。如此，地震检测传感器装置提供了可靠的升降梯(或扶梯)安全系统，其中该升降梯(或扶梯)安全系统提供低的伪警报率，容易适应新环境和不同的信号，并且高度可配置且与不同环境兼容。
本地震检测传感器装置具有安装在现代建筑物结构中所需的特殊质量。
例如，地震检测传感器装置可以可靠地进行工作。由于在地震检测系统中防伪警报至关重要，因此可以使用多于一个的传感器来收集警报条件信息。在这方面，地震检测传感器装置可以忽略来自诸如空气处理器或马达等的正常建筑物设备的震动。来自射频(即，RFI)或电磁源(即，EMI)的干扰通常不会触发地震检测传感器装置。地震检测传感器装置排除了其传感器壳体内的振动，以便于精确地测量建筑物的振动。通常采用刚性机架，使得不会将可能会引起伪警报的杂散振动或共振引入地震检测传感器装置。
VTE环境往往是空间有限的，难以到达，并且对于人员而言可能是不安全的。因此，地震检测传感器装置具有鲁棒性并且能够在很少维护或无需维护的情况下在延长的时间段内进行工作。在地震检测传感器装置故障的情况下，能够进行自我诊断并报告其系统错误。如此，地震检测传感器装置可以以本地和远程这两种方式与人进行对接。
地震检测传感器装置能够适应各种安装环境。在一些实施例中，特别地在极其狭窄的空间内，地震检测传感器装置包括用以缓解地震检测系统所施加的空间要求的辅助传感器头(例如，远程传感器)。
地震检测传感器装置适合于针对地震信号的响应。例如，建筑物要求可能改变，因而地震检测传感器装置可被配置为经由促进自定义频率响应的可改变的用户定义配置文件来适应其警报阈值条件。
地震检测传感器装置耗电低并且不易发生故障，但还包括足以在停电和/或地震事件期间和之后维持功能的电池备用电力。如果电池耗尽，则地震检测传感器装置可以发送使VTE置于自动防故障状态的信号。
最后，地震检测传感器装置可经由一个或多个辅助传感器扩展至适应诸如火、水侵入、可燃气体、风条件、空气质量的检测以及/或者视觉监控等的其它形态，由此提高VTE安全性。地震检测传感器装置被配置为(例如，经由软件)来促进这些辅助传感器与主要的地震传感器的自定义集成，由此提供针对这些其它形态的灵活响应。
根据本发明的一般加速度计在它们工作的范围(即，±3g或±5g)和它们的灵敏度之间具有直接关系。具有相对较大的范围(即，±5g)的加速度计的灵敏度与具有相对较小的范围(即，±3g)的加速度计的灵敏度相比通常更低、即更不准确。
根据本发明，第一加速度灵敏度可以实质不同于第二加速度灵敏度，这意味着灵敏度至少可以以1.5倍的数量级不同。
在本发明的方面中，提供一种地震检测传感器装置，包括：
第一加速度计模块，用于以第一加速度灵敏度来检测加速度；
第二加速度计模块，用于以第二加速度灵敏度来检测加速度，其中所述第二加速度计的第二加速度灵敏度不同于所述第一加速度计的第一加速度灵敏度；以及
处理器模块，用于分析所述第一加速度计和所述第二加速度计所获取到的加速度信息。
在本发明的上下文中，还可以将模块、装置或设备等作为运行在处理器或处理器模块上的计算机程序来实现。
在以下的详细说明及其附图中，进一步解释本发明的前述例示性的概述以及其它示例性目的和/或优点、和实现这些的方式。
附图说明
图1示意性示出地震警报安全系统的框图。
图2示意性示出警报安全系统的状态图。
具体实施方式
本发明包括针对垂直运输设备(例如，升降梯)控制应用所设计的地震检测传感器装置。该装置对于来自地震事件的运动很灵敏。在来自地震事件的加速度超过诸如ASMEA17.1和ASCE 25-97中所规定的安全推荐水平的情况下，触发警报并且向升降梯发送用以安全地关闭并允许乘客离开的信号。
图1示出传感器系统的框图。地震检测传感器具有(i)传感器子系统、(ii)处理子系统、(iii)接口子系统和(iv)电力子系统这四个主要子系统。
传感器子系统使用将地震运动所引起的加速度转换成三个模拟电压信号的变换器。这三个加速度相关信号表示加速度(即，在加速度计的x、y和z坐标系中表示的加速度)的方向的矢量分量。地震检测传感器装置利用具有不同的测量范围(即，灵敏度)的两个加速度计。这两个加速度计是集成微机电系统(即，MEMS)，因此小且高能效，并且使用传统的电路制造技术容易与其它电路组件集成。从概念上，这些装置利用了加速时偏移以至于恢复力能够以与装置壳体(例如，装置封装体)相同的速率使检测质量加速的检测质量(proofmass)。可以通过测量该检测质量位移来推导出该加速度。
在分别通过引用而全部包含于此的ASME A17.1Safety Code for Elevators andEscalators(2013)和ASCE Standard 25-97Seismic Gas Shutoff Valves(2001)中规定了响应于地震事件的VTE安全要求。这两个标准都规定了在地震检测传感器系统中必须触发警报的地震条件。通常，必须检测到的地震信号的特征在于在约±2g的范围内且在约10Hz带宽内的加速度。
按照加速度计可以准确地测量的加速度的范围(例如，±3g或±5g)来对这些加速度计进行定级。加速度计在加速度的振幅与指定范围良好地匹配的情况下最佳地工作。例如，一般的地震信号与±3g的加速度计良好地匹配。这部分地由于测量噪声较少以及线性响应较多。由于在地震检测传感器装置中使用具有不同灵敏度(例如，较高的加速度灵敏度和较低的加速度灵敏度)的两个加速度计，因此可以将具有最佳地匹配加速度信号的灵敏度的加速度计选择作为有源传感器(即，第一加速度计)。换句话说，可能会使灵敏度较高(例如，±3g)的加速度计饱和的大地震事件仍可能被灵敏度较低(例如，±5g)的加速度计准确地测量到。可选地，在灵敏度较低(例如，±5g)的加速度计中将遭受噪声的小地震事件可能被灵敏度较高(例如，±3g)的加速度计更准确地测量到。
还可以使用来自这两个加速度计的两组信号来监控加速度计可操作性。由于各加速度计应测量相同的信号，因此在加速度计各自的信号无法匹配的情况下，可能会产生表示不良加速度计的错误信号。更通常地，地震检测传感器装置的处理器可以分析来自第一加速度计和第二加速度计的各个加速度相关信号，以验证所测量到的加速度的准确度。
在地震检测传感器装置的一些实施例中，各加速度计是被配置为自动确定重力方向并且使其坐标系与重力方向自动对准的三轴加速度计。这例如可以简化地震检测传感器装置的安装并消除安装错误。
还按照加速度计可以响应的加速度的最快变化(即，带宽)来对加速度计进行定级。地震检测传感器装置中的加速度计必须对约10Hz的加速度带宽作出响应。该低带宽减轻了在对信号进行数字化的情况下针对混叠的采样要求。在对信号进行数字化的情况下，用以消除混叠的最小采样频率(即，Nyquist(奈奎斯特)频率)是信号的带宽(对于地震信号而言约为20Hz)的两倍(即，其最高频率的两倍)。可以使用过采样(即，以比Nyquist采样频率高的频率的采样)来减轻混叠滤波器要求并且降低可能引起伪警报的噪声。在本地震检测传感器中，可以使用约为256Hz的采样频率来提供令人满意的性能。
本传感器子系统是可扩展的。可以向地震检测传感器装置添加辅助传感器以补充和/或增补这两个板载加速度计。该辅助传感器可以是远程加速度计和/或用于检测完全不同的条件的传感器。该辅助传感器可以是模拟或数字的。例如，该辅助传感器能够检测水(例如，升降梯井内的水)的存在或评估空气质量。该辅助传感器还可以具有用以提供远程视频的能力。潜在应用是包括针对风条件、建筑物摇晃、可燃气体和火的感测条件的多种应用。
地震检测传感器装置可以灵活地适应针对不同传感器结构的响应。例如，在不存在辅助传感器的正常操作期间，检测到地震事件可以使地震检测传感器装置的处理器发送用以使垂直运输设备(例如，升降梯)进入自动防故障状态的信号(例如，发送至继电器的切换信号)。
在另一结构中，在(i)一个或多个加速度计或者(ii)辅助传感器(例如，建筑物摇晃传感器)发送警报条件信号的情况下，地震检测传感器装置的处理器可以使VTE进入自动防故障状态，由此提高地震检测传感器装置针对威胁的响应。
在替代结构中，在(i)一个或多个加速度计和(ii)辅助传感器(例如，建筑物摇晃传感器)这两者都发送警报条件信号的情况下，地震检测传感器装置的处理器可以使VTE进入自动防故障状态，由此降低整体伪警报率。
在又一结构中，辅助传感器警报条件信号可以独立地起作用，并且可以触发针对各种警报条件的不同响应。因而，地震检测传感器装置具有用以巧妙地组合来自各种传感器的输入(即，集成传感器融合)从而进行更为复杂的警报决定的能力。
处理子系统进行地震检测传感器的所有计算功能。这些功能的范围为检测警报条件～与用户进行对接。处理子系统可以基于微控制器集成电路。该子系统包括用于对模拟输入信号进行数字化的模数转换器、用于存储结果的存储器、计算所用的处理器内核、以及可编程的输入和输出外围设备。
地震检测传感器装置由微控制器构成以根据其状态而以不同的方式运转。例如，系统可以处于(i)正常状态、(ii)设置状态、(iii)故障状态、(iv)地震警报状态和(v)辅助警报状态这五个状态其中之一。图2示出状态图。
正常状态是默认状态。在该状态下，地震检测传感器在加速度计的输出中监控警报条件，运行诊断，并且支持用户接口。在地震事件触发警报条件的情况下，该单元将进入地震警报状态。在该状态下，处理器将使垂直运输设备进入自动防故障状态。这同样适用于辅助警报状态。然而，在该辅助警报状态中，可能需要不同的警报响应。例如，如果辅助传感器要检测可燃气体，则可能触发切断阀。可以经由来自用户的输入(例如，按下重置按钮或闭合远程重置终端)将处于警报状态的地震检测传感器装置重置为正常状态。
每当检测到系统错误时，进入故障状态。例如，在检测到低电池水平的情况下、或者在两个板载加速度计的输出的比较表示一个加速度计存在问题的情况下，进入该状态。在故障状态下，输出信号(例如，向着VTE的切换信号)可能改变，并且指示故障源。
地震检测传感器装置经由接口子系统以不同的方式指示其条件。可以使用诸如LCD显示器、发光二极管或可听蜂鸣器等的指示器。经由该子系统还可利用经由RS-232和USB的通信。
设置状态是用户可以设置参数并访问系统数据的状态。该设置状态通常是经由集成于地震检测传感器装置壳体的按钮键盘手动输入的。
处理子系统包括用于对来自加速度计和/或辅助传感器的模拟信号进行数字化的模数转换器。数字化后的一组信号由处理器(例如，微控制器内的处理器内核)进行处理，以在这些信号中检查警报条件信息。在加速的情况下，在特定频率范围(例如，1Hz～10Hz)内或在该范围内的子范围内，针对若干持续时间测量各加速度计的来自该加速度计的各轴的信号。该处理器将加速度信息与根据安全要求得出的阈值(即，警报条件触发水平)进行比较。如果信号超过阈值，则触发警报状态并且处理器发送用以控制升降梯的信号。在地震检测传感器装置中，用户可以通过指定频率范围内的加速度信息信号触发水平(即，针对地震事件警报的触发的用户定义阈值条件)，来选择预先存储的警报阈值条件或创建自定义配置文件。
与ASME A17.1一致的一个示例性阈值条件(即，触发配置文件)是在F＝0～10Hz的范围内并且引起加速度>0.15g的地震活动。另一示例性触发配置文件如下所述：
F＝0.5～1.5Hz，加速度>0.25g；
F＝2.0～3.0Hz，加速度>0.30g；
F＝4.5～5.5Hz，加速度>0.40g；
F＝7.5～8.0Hz，加速度>0.7g。
在地震检测传感器装置中，可以通过对在频带内所测量到的加速度值进行平均来获得该频带内的加速度的一个值。考虑(上述的)示例性触发配置文件，如果满足这些条件中的任一条件，则可以进入警报状态。
模拟加速度计实时地测量加速度。将相应的加速度信息信号馈给至进行数字化和滤波的处理子系统。然后，处理器在将时域加速度信息信号与警报阈值条件进行比较之前，将该信号转换成其频域表示。
为了计算各种频率的加速度，通常实现傅里叶变换(Fourier transform)。这可以经由快速傅里叶变换(即，FFT)的数字实现来完成。然而，该方法对处理器和存储器施加了约束。作为代替，可以实现Goertzel(戈策尔)算法以获得离散频率的加速度大小。由于该算法仅针对关注频率(例如，0.5Hz～10Hz)计算加速度值，因此该算法在计算上是高效的。还使用提供各迭代之后的结果的递归算法，由此使该算法更快并释放处理器以供进行其它任务。该算法可以输出诸如0.5Hz～10Hz等的范围内的以0.5Hz为小区间的加速度值，这适合于地震应用。
在满足警报条件的情况下，处理子系统使用其可编程外围设备以用信号通知将继电器切换为接通或断开。这些继电器与用于控制VTE或其它机构的外部机构接合。
电力子系统向各种电路和装置供能。内部电源可以向地震检测传感器装置提供DC电压。然后，可以将该电力DC-DC转换或稳压成适合各子系统的水平。代替建筑物电力，可以使用可再充电电池，并且可以经由地震检测传感器装置内的充电控制器电路对该可再充电电池进行再充电。充电控制器使电池维持处于满充电。如果建筑物电力丢失或不能实行，则使用该电池作为主要能源。为了安全，通常选择用以提供至少18个小时的工作的电池。
从机械方面，地震检测传感器装置通常是固定安装的，以使得加速度计以机械方式连接至建筑物(即，以使得建筑物振动基本完全传递至加速度计)。为了实现该连接，可以将ABS隔板固定(例如，以胶合或其它方式固定)至地震检测传感器外壳(即，壳体)。将安装板旋拧至ABS隔板的另一侧，然后将安装板用螺栓固定至建筑物。该结构可以提供在关注频谱内无明显阻尼或共振的非饶性安装，由此使得在检测建筑物加速度方面有用。
在说明书和/或附图中，已经公开了本发明的典型实施例。本发明不限于这些典型实施例。术语“和/或(以及/或者)”的使用包括所列出的关联项中的一个或多个中的任何和所有组合。附图是示意表示，因而并非是按比例绘制的。除非另外说明，否则特定术语是在通用和描述性的含义上使用的，而非用于限制性的目的。

Claims (15)

1.一种地震检测传感器装置，包括：
第一加速度计，用于以第一加速度灵敏度来检测加速度；
第二加速度计，用于以第二加速度灵敏度来检测加速度，其中所述第二加速度计的第二加速度灵敏度不同于所述第一加速度计的第一加速度灵敏度；以及
处理器，用于分析所述第一加速度计和所述第二加速度计所获取到的加速度信息，
其中，所述第一加速度计和所述第二加速度计各自检测10Hz带宽内的大小为0.15g的地震活动。
2.根据权利要求1所述的地震检测传感器装置，其中，所述第一加速度计和所述第二加速度计是被配置为使其坐标系与重力方向自动对准的三轴加速度计。
3.根据权利要求1所述的地震检测传感器装置，其中，
所述第一加速度计和所述第二加速度计被配置为将加速度相关信号发送至所述处理器，以及
所述处理器被配置为分析来自所述第一加速度计和所述第二加速度计的各个加速度相关信号，以验证所测量到的加速度的准确度。
4.根据权利要求2所述的地震检测传感器装置，其中，
所述第一加速度计和所述第二加速度计被配置为将加速度相关信号发送至所述处理器，以及
所述处理器被配置为分析来自所述第一加速度计和所述第二加速度计的各个加速度相关信号，以验证所测量到的加速度的准确度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的地震检测传感器装置，其中，
所述第一加速度计和所述第二加速度计被配置为将加速度相关信号发送至所述处理器，以及
所述处理器被配置为分析来自所述第一加速度计和所述第二加速度计的各个加速度相关信号，以验证所述第一加速度计的可操作性。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的地震检测传感器装置，其中，所述处理器被配置为经由Goertzel算法来分析所述第一加速度计和/或所述第二加速度计所获取到的加速度信息。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的地震检测传感器装置，其中，所述处理器被配置为以超过Nyquist率的采样，来对所述第一加速度计和/或所述第二加速度计进行加速度信息的过采样。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的地震检测传感器装置，其中，所述第一加速度计和所述第二加速度计是微机电系统即MEMS。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的地震检测传感器装置，其中，所述处理器被配置为能够建立触发地震事件警报所用的用户定义阈值条件。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的地震检测传感器装置，其中，所述第一加速度计的范围为±3g，以及所述第二加速度计的范围为±5g。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的地震检测传感器装置，其中，还包括辅助传感器，所述辅助传感器被配置为检测警报条件，其中所述处理器被配置为分析所述辅助传感器所获取到的警报条件信息。
12.根据权利要求11所述的地震检测传感器装置，其中，
所述处理器被配置为分析以下信号：(i)来自所述第一加速度计和/或所述第二加速度计的警报条件信号；以及(ii)来自所述辅助传感器的警报条件信号，以及
所述处理器被配置为在触发各警报条件(i)和(ii)的情况下，使垂直运输设备进入自动防故障状态。
13.根据权利要求12所述的地震检测传感器装置，其中，
所述处理器被配置为分析以下信号：(i)来自所述第一加速度计和/或所述第二加速度计的警报条件信号；以及(ii)来自所述辅助传感器的警报条件信号，以及
所述处理器被配置为在触发任一警报条件(i)或(ii)的情况下，使垂直运输设备进入自动防故障状态。
14.根据权利要求1至4中任一项所述的地震检测传感器装置，其中，还包括辅助传感器，所述辅助传感器被配置为检测升降梯内的火、水侵入、空气质量、可燃气体和风条件中的任意情况，以及/或者提供视觉监控，其中所述处理器被配置为分析所述辅助传感器所获取到的火相关信息、水存在信息、空气质量信息、可燃气体信息、风相关信息和/或摄像信息中的任意信息。
15.根据权利要求1至4中任一项所述的地震检测传感器装置，其中，所述第一加速度计和所述第二加速度计固定地安装在壳体内，其中所述壳体自身固定地安装至建筑物，由此建筑物振动基本完全被传递至所述第一加速度计和所述第二加速度计。
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