JPH08129071A - Earthquake vibration detector and si value-detecting apparatus - Google Patents

Earthquake vibration detector and si value-detecting apparatus

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JPH08129071A
JPH08129071A JP26965794A JP26965794A JPH08129071A JP H08129071 A JPH08129071 A JP H08129071A JP 26965794 A JP26965794 A JP 26965794A JP 26965794 A JP26965794 A JP 26965794A JP H08129071 A JPH08129071 A JP H08129071A
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JP
Japan
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value
output
acceleration
detecting
amplifying
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Application number
JP26965794A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenichi Nakamura
健一 中村
Hidekazu Shimada
秀和 島田
Hironobu Kanamori
弘信 金森
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MICRO JIENITSUKUSU KK
Tokyo Gas Co Ltd
Original Assignee
MICRO JIENITSUKUSU KK
Tokyo Gas Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE: To provide an SI value detector apparatus which is small, inexpensive and accurate with remarkably small noises caused by heat. CONSTITUTION: An SI value-detecting apparatus 1 is provided with an earthquake vibration detector consisting of an acceleration detection means 2 for detecting an earthquake vibration using a piezoelectric element and an amplifier means 3 for amplifying an output of the acceleration detection means 2, and an SI conversion circuit 4 for converting an output of the earthquake vibration detector to an SI value. In the apparatus 1, the amplifier means 3 has a considerably high input impedance of not lower than 2000MΩ and selectively amplifies signals of a frequency band of 0.1-100Hz. The SI value detection circuit 4 selects a larger one of speed response values to two natural frequencies in a speed response spectrum obtained from the output of the acceleration sensor and multiplies the output by 1.75/2.4 thereby to obtain the SI value.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、地震発生による被害を
最小限にくい止めるため、SI値(SpectrumIntensity
値)を計測することによって地震被害値を割り出し、
「ガス導管網におけるガス供給の停止」、「化学プラン
トにおける化学原料の供給の停止」、「エレベータの停
止」などの安全措置を実施するための、SI値計測シス
テム用の地震動検出器(加速度センサ)およびSI値検
出装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention has an SI value (Spectrum Intensity) in order to minimize damage caused by an earthquake.
Value to determine the earthquake damage value,
Seismic motion detector (acceleration sensor) for SI value measurement system to implement safety measures such as "stop supply of gas in gas pipeline network", "stop supply of chemical raw material in chemical plant", "stop elevator" ) And an SI value detector.

【0002】[0002]

【従来の技術】地震振動を検出するために加速度計を用
いて加速度を検出し、地震動の大きさを示すことが従来
から行なわれている。このような加速度を検出するセン
サの開発は自動車エアバッグ動作用センサを主なターゲ
ットとして急速になされている。このセンサは感応軸が
1軸であり、低い周波数での特性が急速に悪化するの
で、このセンサを地震計測に用いるときには二つのセン
サを正確に直交させて配置することが必要なこと、地震
の計測に必要な低周波数での感度が悪いことなどの問題
がある。
2. Description of the Related Art In order to detect seismic vibration, it has been conventionally practiced to detect acceleration by using an accelerometer and indicate the magnitude of seismic motion. The development of a sensor for detecting such acceleration is being rapidly made mainly for automobile airbag sensors. This sensor has only one sensitive axis, and the characteristics at low frequencies deteriorate rapidly. Therefore, when using this sensor for seismic measurement, it is necessary to place the two sensors exactly orthogonal to each other. There are problems such as poor sensitivity at the low frequency required for measurement.

【0003】さらに、地震動によって構造物がこうむる
被害は、最大加速度に必ずしも関連するものではなく、
最大加速度が大きい場合でも構造物の被害が軽微な場合
があることが過去の地震観測や振動実験によって確認さ
れている。従って、大地震が発生した場合に、都市ガ
ス、水道、電力、交通機関、化学プラント、エレベータ
などの装置やシステムの被害の拡大や二次災害の発生を
防止するために自動的にシステムを停止させる自動緊急
停止装置において、最大加速度の検知のみを用いてシス
テムを制御するときには、これらの構造物や施設の被害
が皆無もしくはごく軽微な地震であるにもかかわらずこ
れらシステムを停止させるよう動作してしまう。この一
旦停止させたシステムを復旧するには複雑かつ膨大な作
業量と時間が必要となり、多大な損失を引き起こすとい
う問題がある。
Further, the damage caused to the structure by the earthquake motion is not always related to the maximum acceleration,
It has been confirmed by past seismic observations and vibration experiments that damage to structures may be minor even when the maximum acceleration is large. Therefore, in the event of a major earthquake, the system will be automatically shut down to prevent the spread of damage to equipment and systems such as city gas, water, electricity, transportation, chemical plants, and elevators, and to prevent the occurrence of secondary disasters. In the automatic emergency stop device, when controlling the system using only maximum acceleration detection, it operates to stop these systems even if there is no damage to these structures or facilities or a slight earthquake. Will end up. There is a problem in that a complicated and enormous amount of work and time are required to restore the system that has been stopped, which causes a great loss.

【0004】そこで、加速度による地震動の検出に代え
て、例えば、特開昭62−12884号公報に示される
ように地震動による被害の大きさに深く関連するSI値
を用いてシステムを制御することが考えられた。このS
I値は、減衰定数20%の1自由度振動系の速度応答ス
ペクトルの固有周期0.1秒から2.5秒までの範囲の応
答速度の平均値で定義される尺度であり、加速度と構造
物の被害の相関に比して決めてよく構造物の被害と相関
することが知られている。
Therefore, instead of detecting the seismic motion due to acceleration, for example, as shown in Japanese Patent Laid-Open No. 62-12884, the system may be controlled by using an SI value that is deeply related to the magnitude of damage due to the seismic motion. it was thought. This S
The I value is a scale defined by the average value of the response speed in the range of 0.1 second to 2.5 seconds of the natural period of the velocity response spectrum of the one-degree-of-freedom vibration system with a damping constant of 20%. It is known that it can be determined in comparison with the correlation of the damage of the object and is well correlated with the damage of the structure.

【0005】東京ガスなどガス供給事業者は、地震時の
緊急対策として、ある一定以上の加速度でガスの供給を
遮断する機能を持ったガスメータの設置を普及するとと
もに、地震による構造物の振動エネルギーに着目した地
震被害と相関性の大きいSI値を計測して、この値が所
定値を超えたときにガスの導管網の関連個所のガスの供
給を自動的に遮断する設備を開発し、その設置を行って
きた。
Gas supply companies such as Tokyo Gas spread the installation of a gas meter having a function of interrupting the supply of gas at a certain acceleration or more as an emergency measure in case of an earthquake, and the vibration energy of a structure caused by an earthquake. We have developed a facility that measures SI value that has a strong correlation with earthquake damage and focuses on, and automatically shuts off the gas supply to the relevant parts of the gas pipeline network when this value exceeds a predetermined value. I have done the installation.

【0006】この装置に用いるSI値計測用加速度計と
して、導電コイル方式のものが使用されているが、この
加速度計は、外形が大きく埋設個所が限定されること加
速度計自身が高価であることからシステムとして高価な
ものになってしまうなどの問題があった。すなわち、S
I値計測を可能するSI値計測用の地震動検出器は、一
基100万円単位の高額な製品であり、地方のガス会社
に広く普及するにはいたっていない。また、簡易なSI
値検出用加速度計として振り子の固有振動数を2秒に合
わせたシステムを使用している。しかし、この方式も外
観が大きく埋設個所が限定されるなどの問題があった。
A conductive coil type accelerometer is used as the SI value measuring accelerometer used in this apparatus. However, the accelerometer itself is expensive because the outer shape is large and the buried portion is limited. Therefore, there was a problem that the system became expensive. That is, S
The seismic motion detector for SI value measurement that can measure I value is an expensive product of 1 million yen per unit, and has not been widely spread to local gas companies. Also, a simple SI
As a value detecting accelerometer, a system in which the natural frequency of the pendulum is adjusted to 2 seconds is used. However, this method also has a problem that the external appearance is large and the buried portion is limited.

【0007】SI値計測用加速度検出器は、地震の振動
に合わせて2軸または3軸の加速度を検出することがで
きるセンサである必要がある。また、SI値計測用加速
度検出器は、加速度計測値の精度が高いセンサである必
要がある。さらに、SI値計測用加速度検出器の出力
は、熱による揺らぎが少なく測定精度の高いものでなけ
ればならない。
The acceleration detector for SI value measurement needs to be a sensor capable of detecting biaxial or triaxial acceleration in accordance with the vibration of an earthquake. Moreover, the acceleration detector for SI value measurement needs to be a sensor with high accuracy of an acceleration measurement value. Furthermore, the output of the acceleration detector for SI value measurement must be small in fluctuation due to heat and high in measurement accuracy.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、小型で安価
なSI値計測用地震動検出器およびSI値検出器装置を
提供することを目的とする。さらに本発明は、熱による
ノイズの極めて小さな精度のよいSI値計測用地震動検
出器およびSI値検出器装置を提供することを目的とす
る。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a small and inexpensive seismic motion detector for SI value measurement and an SI value detector device. A further object of the present invention is to provide an SI motion measuring seismic motion detector and SI value detecting device which are highly accurate and have little noise due to heat.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の地震動検出器
は、地震動の加速度を検出し電気信号に変換する加速度
検出手段と、該センサ素子部が出力した信号を増幅する
増幅手段とからなる。また、本発明のSI値検出装置
は、地震動の加速度を検出し電気信号に変換する加速度
検出手段と、該センサ素子部が出力した信号を増幅する
増幅手段と、増幅器の出力をSI値に変換するSI値換
算手段を備えた。
The seismic-motion detector of the present invention comprises an acceleration-detecting means for detecting acceleration of seismic-motion and converting it into an electric signal, and an amplifying means for amplifying a signal output by the sensor element section. Further, the SI value detecting device of the present invention is an acceleration detecting means for detecting an acceleration of seismic motion and converting it into an electric signal, an amplifying means for amplifying a signal output by the sensor element part, and an output of the amplifier for converting into an SI value. It is provided with a SI value conversion means.

【0010】さらに、本発明の地震動検出器およびSI
値検出装置は、増幅手段の入力インピーダンスを極めて
高いものとして、センサの周波数特性を地震周波数に対
応した0.1〜100Hzの範囲でも十分な出力が得ら
れるようにした。
Further, the seismic motion detector and SI of the present invention
In the value detecting device, the input impedance of the amplifying means is made extremely high so that sufficient output can be obtained even in the frequency range of 0.1 to 100 Hz corresponding to the seismic frequency.

【0011】また、本発明は、電源の熱による揺らぎを
なくすために、部品点数を少なくした増幅回路とし、測
定精度を上げた。
Further, in the present invention, in order to eliminate fluctuation due to heat of the power source, an amplifier circuit having a reduced number of parts is used to improve measurement accuracy.

【0012】[0012]

【実施例】以下、本発明に係るSI値検出装置の実施例
の構成を図面を用いて説明する。図1に、本発明に係る
地震動検出器用いたSI値検出装置の1実施例を示す。
SI値検出装置1は、3軸の加速度を検出する加速度検
出手段2と、該加速度検出手段の2の出力の低周波成分
を増幅して出力する増幅手段3と、増幅手段3の出力か
らSI値を計算するSI値換算手段4とから構成され
る。加速度検出手段2と増幅手段3とで地震動検出器を
構成している。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The construction of an embodiment of the SI value detecting apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows an embodiment of an SI value detecting device using a seismic motion detector according to the present invention.
The SI value detecting device 1 includes an acceleration detecting means 2 for detecting triaxial acceleration, an amplifying means 3 for amplifying and outputting a low frequency component of the output of the acceleration detecting means 2, and an SI output from the amplifying means 3. SI value conversion means 4 for calculating a value. The acceleration detecting means 2 and the amplifying means 3 constitute a seismic motion detector.

【0013】加速度検出手段2は、小型かつ軽量で安価
である圧電セラミック素子を用いて構成される3軸方向
の加速度を検知できる加速度センサを用いることができ
る。この加速度センサの構成の概略を図2にその動作説
明を図3に示す。
As the acceleration detecting means 2, it is possible to use an acceleration sensor which can detect accelerations in three axial directions, which is formed by using a piezoelectric ceramic element which is small, lightweight and inexpensive. FIG. 2 shows the outline of the configuration of this acceleration sensor, and FIG. 3 shows its operation.

【0014】図2(A)は、本発明に用いる加速度検出
手段の1例の平面図であり、図2(B)は、そのA−A
線に沿った縦断面図である。加速度検出手段2は、固定
枠21にその周辺部が固定された可撓性を持った円盤状
の起歪体22と、この起歪体22の上表面に設けられた
下部電極23と該電極の上に積層された圧電セラミク2
5とこの表面に取り付けられた上部電極26および27
からなる圧電素子28と、前記起歪体22の下面中央部
に取り付けられた重錘体29とから構成される。起歪体
22には、X軸方向の歪を検出する1対の素子28X
と、Y軸方向の歪を検出する1対の素子28YとZ軸方
向の歪を検出する2対の素子28Zの4組の圧電素子が
設けられている。
FIG. 2A is a plan view of an example of the acceleration detecting means used in the present invention, and FIG. 2B is its AA line.
It is a longitudinal cross-sectional view along the line. The acceleration detecting means 2 includes a flexible disc-shaped strain element 22 having a peripheral portion fixed to a fixed frame 21, a lower electrode 23 provided on the upper surface of the strain element 22, and the electrode. Piezoceramic 2 stacked on top of
5 and the upper electrodes 26 and 27 attached to this surface
And a weight 29 attached to the central portion of the lower surface of the flexure element 22. The flexure element 22 includes a pair of elements 28X for detecting strain in the X-axis direction.
And four pairs of piezoelectric elements, that is, a pair of elements 28Y that detect strain in the Y-axis direction and two pairs of elements 28Z that detect strain in the Z-axis direction.

【0015】この加速度検出手段2の動作原理を図3を
用いて説明する。図3(A)はX軸方向またはY軸方向
の加速度を検出する原理を示し、図3(B)はZ軸方向
の加速度を検出する原理を示す。(A)において、X軸
方向の加速度が例えば図示したように働くと、重錘体2
9は起歪体22への取付け部分を中心Oにして反時計方
向に回動する。この回転によって起歪体22もOを中心
にして反時計方向に回動し固定枠21との間に加速度の
大きさに比例した大きさの歪を生じる。この歪を生じる
部分に設けられた圧電素子28Xの各電極には図示した
極性の電圧が生じ、この電圧は、歪の大きさに比例して
いる。この電圧の大きさと極性を検出することによっ
て、加速度の大きさと向きを検出することができる。Y
軸方向の加速度の検出も同じ原理で行なわれる。(B)
において、Z軸方向の加速度が加えられると重錘体29
は起歪体22とともに上限に振動し、圧電素子28Zに
は固定枠21との間に加速度の大きさに比例した大きさ
の歪を生じる。この歪を生じる部分に設けられた圧電素
子28Zの各電極には図示した極性の電圧が生じ、この
電圧は、歪の大きさに比例している。この電圧の大きさ
と極性を検出することによって、加速度の大きさと向き
を検出することができる。
The operating principle of the acceleration detecting means 2 will be described with reference to FIG. 3A shows the principle of detecting acceleration in the X-axis direction or Y-axis direction, and FIG. 3B shows the principle of detecting acceleration in the Z-axis direction. In (A), when the acceleration in the X-axis direction acts as illustrated, for example, the weight body 2
9 rotates counterclockwise around the portion O attached to the flexure element 22 as a center. Due to this rotation, the strain element 22 also rotates counterclockwise around O, and a strain having a magnitude proportional to the magnitude of acceleration is generated between the strain element 22 and the fixed frame 21. A voltage having the illustrated polarity is generated at each electrode of the piezoelectric element 28X provided in the portion where the strain is generated, and this voltage is proportional to the magnitude of the strain. The magnitude and direction of acceleration can be detected by detecting the magnitude and polarity of this voltage. Y
The detection of the axial acceleration is performed by the same principle. (B)
In, at the Z-axis direction acceleration is applied, the weight 29
Vibrates to the upper limit together with the flexure element 22, and a strain having a magnitude proportional to the magnitude of acceleration is generated between the piezoelectric element 28Z and the fixed frame 21. A voltage having the illustrated polarity is generated at each electrode of the piezoelectric element 28Z provided in the portion where the strain is generated, and this voltage is proportional to the magnitude of the strain. The magnitude and direction of acceleration can be detected by detecting the magnitude and polarity of this voltage.

【0016】加速度検出手段2は、なるべく面積を大き
くする方が、低周波数帯域での特性や感度の面では有利
であるが、「小型化する」という目的とを勘案して適当
なサイズとする。加速度検出手段2は、2軸方向または
3軸方向の加速度を検出し、増幅手段3へ出力する。増
幅手段3は、加速度センサ2からの信号の内0.1〜1
00Hzの成分を増幅してSI値変換手段4へ出力す
る。SI値変換手段4は、増幅機からの信号を処理して
SI値を得、ガス安全弁の制御手段などへ出力する。
It is advantageous in terms of characteristics and sensitivity in the low frequency band to increase the area of the acceleration detecting means 2 as much as possible, but the acceleration detecting means 2 has an appropriate size in consideration of the purpose of "miniaturization". . The acceleration detecting means 2 detects the acceleration in the biaxial direction or the triaxial direction and outputs it to the amplifying means 3. The amplifying means 3 has 0.1 to 1 of the signals from the acceleration sensor 2.
The 00 Hz component is amplified and output to the SI value conversion means 4. The SI value conversion means 4 processes the signal from the amplifier to obtain the SI value, and outputs it to the gas safety valve control means or the like.

【0017】一般的には、圧電セラミック素子を用いた
センサは、信号検出用として図5に示すチャージアンプ
方式によって電荷量の変化による出力変化を取り出して
いるが、地震振動のように発生加速度自体があまり大き
くない場合は、センサ素子の電荷量変化も大きくないの
で、この回路方式では、センサ電荷量の変化を検出する
ためのコンデンサCfが非常に小さな容量となり、か
つ、測定精度が要求されることから現実的ではなくな
る。また、本発明のようなセンサユニットは、加速度検
出手段2から増幅手段3への配線長も固定され極めて短
くすることができることからチャージアンプ方式の利点
である配線経路の容量分が無視できるというメリットも
必要ではない。
Generally, a sensor using a piezoelectric ceramic element takes out a change in output due to a change in charge amount by a charge amplifier system shown in FIG. 5 for signal detection. Is not so large, the change in the amount of electric charge of the sensor element is not so large. Therefore, in this circuit system, the capacitor Cf for detecting the change in the amount of electric charge in the sensor has a very small capacitance, and measurement accuracy is required. That makes it unrealistic. Further, in the sensor unit according to the present invention, the wiring length from the acceleration detecting means 2 to the amplifying means 3 is fixed and can be made extremely short. Therefore, the merit that the capacitance of the wiring path, which is an advantage of the charge amplifier system, can be ignored. Is not necessary either.

【0018】そして、本発明の加速度検出では、SI値
を得るために検知する必要のある周波数域は、0.1〜
100Hzであることから、低域での感度を落とさない
ように回路入力インピーダンスを極めて高くしており、
SI値を得るに当たって不要な100Hz以上の周波数
成分の振動信号を取り除くために、適当なローパスフィ
ルター(LPF)を内蔵した。
In the acceleration detection of the present invention, the frequency range that needs to be detected to obtain the SI value is 0.1 to
Since it is 100 Hz, the circuit input impedance is extremely high so as not to reduce the sensitivity in the low range.
An appropriate low-pass filter (LPF) was built in in order to remove an unnecessary vibration signal of a frequency component of 100 Hz or more in obtaining the SI value.

【0019】すなわち本発明のSI値検出装置の具体的
な回路構成を図4に示す。本発明のSI値検出装置1
は、加速度検出手段2と、初段増幅回路31とフィルタ
32と後段増幅回路33とからなる増幅手段3とSI値
換算手段4とからなり、各手段は、X軸およびY軸なら
びにZ軸に対応して3組設けられている。以下、X軸の
1軸に対応した回路構成についてのみ説明する。他の2
軸についても同様に構成されている。
That is, a specific circuit configuration of the SI value detecting device of the present invention is shown in FIG. SI value detecting device 1 of the present invention
Includes an acceleration detecting means 2, an amplifying means 3 including a first-stage amplifying circuit 31, a filter 32 and a latter-stage amplifying circuit 33, and an SI value converting means 4. Each means corresponds to the X axis, the Y axis and the Z axis. And three sets are provided. Only the circuit configuration corresponding to one X-axis will be described below. The other 2
The shaft has the same structure.

【0020】加速度検出手段2は、図2に示した加速度
計2から構成される。増幅手段3の初段増幅器31は、
圧電素子28と並列に接続された極めて抵抗値の高い、
例えば2000MΩの抵抗値を持つ入力抵抗311と、
この入力抵抗311の電圧を一方の入力とする演算増幅
器312と、演算増幅器の出力端に並列に接続されたコ
ンデンサ313と抵抗314と、この並列体に直列に接
続されて設置される感度調節抵抗315と316とから
なり、コンデンサ313と抵抗314と、感度調節抵抗
315と316との接続点の電位が前記演算増幅器31
2の他方の入力とされる。初段増幅器31には基準電圧
317が供給される。演算増幅器312の出力は、直流
成分を遮断するコンデンサ34および35を介してフィ
ルタ32へ出力される。フィルタ32は、初段増幅回路
31の出力に並列に接続された抵抗321と、初段増幅
回路31の出力に直列に接続された抵抗322と、前記
抵抗321と抵抗322を介して並列に接続されたコン
デンサ323からから構成され、入力信号の0.1〜1
00Hzのみを通過させるローパスフィルタ(LPF)
を構成している。後段増幅回路33は、前記フィルタ3
2の出力を一方の入力とする演算増幅器331と、この
出力に並列に接続されたコンデンサ332と抵抗333
と、出力に直列に接続された出力抵抗334とから構成
され、コンデンサ332と抵抗333の他端は演算増幅
器331の他方の入力とされている。
The acceleration detecting means 2 comprises the accelerometer 2 shown in FIG. The first stage amplifier 31 of the amplification means 3 is
An extremely high resistance value connected in parallel with the piezoelectric element 28,
For example, an input resistor 311 having a resistance value of 2000 MΩ,
An operational amplifier 312 that receives the voltage of the input resistor 311 as one input, a capacitor 313 and a resistor 314 that are connected in parallel to the output terminal of the operational amplifier, and a sensitivity adjustment resistor that is installed in series with this parallel body. 315 and 316, and the potential at the connection point between the capacitor 313, the resistor 314, and the sensitivity adjusting resistors 315 and 316 is the operational amplifier 31.
The other input of 2. The reference voltage 317 is supplied to the first-stage amplifier 31. The output of the operational amplifier 312 is output to the filter 32 via the capacitors 34 and 35 that cut off the DC component. The filter 32 includes a resistor 321 connected in parallel to the output of the first-stage amplifier circuit 31, a resistor 322 connected in series to the output of the first-stage amplifier circuit 31, and a resistor 321 connected in parallel via the resistor 321 and the resistor 322. It is composed of a capacitor 323, and the input signal is 0.1 to 1
Low-pass filter (LPF) that passes only 00Hz
Is composed. The post-stage amplifier circuit 33 is the filter 3
Operational amplifier 331 having two outputs as one input, capacitor 332 and resistor 333 connected in parallel to this output
And an output resistor 334 connected in series to the output, and the other ends of the capacitor 332 and the resistor 333 are used as the other input of the operational amplifier 331.

【0021】各軸のSI値変換手段4は、それぞれ、固
有周期1.5secのSv値を演算する演算回路41と、
固有周期2.5secのSv値を演算をする演算回路42
と、両演算回路の出力が入力され大きい方の値を選択し
て出力するセレクタ43と乗算器44とから構成され
る。演算回路41は、乗算器411,412,413
と、加算器414と、積分器415,416とから構成
される。乗算器411には、増幅手段3からの加速度信
号(z〃)が入力され、−1倍されて加算器414の第
1の入力とされる。加算器414の出力(x〃)は、積
分器415で積分され、積分器415の出力(x´)は
第3の乗算器413と第2の積分器416へ出力される
とともに、演算回路41の出力(x)とされる。第2の
積分器416の出力(x)は、第2の乗算器412へ出
力される。第2の乗算器412の出力(−ωx)と第3
の乗算器413の出力(−2ωhx´)は加算器414
へ入力される。演算回路42も同様に構成される。
The SI value converting means 4 for each axis respectively has an arithmetic circuit 41 for calculating an Sv value having a natural period of 1.5 sec,
Arithmetic circuit 42 for computing the Sv value with a natural period of 2.5 sec
And a selector 43 and a multiplier 44 which receive the outputs of both arithmetic circuits and select and output the larger value. The arithmetic circuit 41 includes multipliers 411, 412, 413.
, Adder 414, and integrators 415 and 416. The acceleration signal (z 〃) from the amplifying means 3 is input to the multiplier 411, multiplied by -1 and used as the first input of the adder 414. The output (x〃) of the adder 414 is integrated by the integrator 415, and the output (x ′) of the integrator 415 is output to the third multiplier 413 and the second integrator 416, and the arithmetic circuit 41 Is output (x). The output (x) of the second integrator 416 is output to the second multiplier 412. The output (−ωx) of the second multiplier 412 and the third
The output (−2ωhx ′) of the multiplier 413 of
Is input to. The arithmetic circuit 42 is similarly configured.

【0022】ここで、SI値演算について説明する。本
明細書におけるSI値とは、下記の(1)式で定義され
た量であり、減衰定数hが20%の速度応答スペクトル
Svの固有周期T0.1〜2.5sec、つまり、0.4〜1
0Hzの区間における平均振幅をいう。
The SI value calculation will be described below. The SI value in the present specification is an amount defined by the following formula (1), and the natural period T0.1 to 2.5 sec of the speed response spectrum Sv having a damping constant h of 20%, that is, 0.4. ~ 1
It means the average amplitude in the section of 0 Hz.

【0023】[0023]

【数1】 [Equation 1]

【0024】現実にこのSI値を求めるには、固有周波
数のことなる多数の1自由度系の揺れを計算しなければ
ならないが、この計算が短時間にしかも簡単に正確に実
行される必要がある。図4のSI値換算手段4の演算回
路41に示される回路が実際にSI値の算定に必要な速
度応答をリアルタイムで求める回路の例である。一般に
1自由度系の運動方程式は下記(2)式のように表すこ
とができる。
In order to actually obtain this SI value, it is necessary to calculate the fluctuations of a large number of one-degree-of-freedom systems having different natural frequencies, but this calculation needs to be performed easily in a short time and easily. is there. The circuit shown in the arithmetic circuit 41 of the SI value conversion means 4 in FIG. 4 is an example of a circuit for actually obtaining the speed response required for calculating the SI value in real time. Generally, the equation of motion of the one-degree-of-freedom system can be expressed by the following equation (2).

【0025】[0025]

【数2】 ここで、Mは質量であり、Cはダンピング、kはスプリ
ング係数、xは、建築物を構成する質量の地面に対する
変位、zは空間に固定された座標軸状の地面の変位を示
している。この式をMで割り、固有周波数ωとダンピン
グ係数nを使って規格化すると下記(3)式が得られ
る。
[Equation 2] Here, M is a mass, C is a damping, k is a spring coefficient, x is a displacement of a mass constituting a building with respect to the ground, and z is a displacement of a coordinate axis-shaped ground fixed in space. If this equation is divided by M and standardized using the natural frequency ω and the damping coefficient n, the following equation (3) is obtained.

【0026】[0026]

【数3】 この式をさらにd2x/dt2についてまとめると下記
(4)式が得られる。
(Equation 3) By further summarizing this equation for d 2 x / dt 2 , the following equation (4) is obtained.

【0027】[0027]

【数4】 したがって、加速度の入力d2z/dt2を用いて、2階
の積分回路を用いることによって、ある固有周波数ωと
減衰定数hをもつSI値をアナログ的に得ることができ
る。この回路を用いて、先に示したSI値を求めるに
は、例えば0.1sec間隔で固有周波数を求めれば、
25個のアナログ計算回路が必要となってあまり実用的
ではない。
[Equation 4] Therefore, the SI value having a certain natural frequency ω and the damping constant h can be obtained in an analog manner by using the acceleration input d 2 z / dt 2 and using the second-order integrating circuit. To obtain the SI value shown above using this circuit, for example, if the natural frequency is obtained at intervals of 0.1 sec,
Twenty-five analog calculation circuits are required, which is not very practical.

【0028】そこで、地震のスペクトルに注目すると、
一般的に短周期では右上がりの、長周期では一定の値を
示すことから、ある二つの固有周期に対する速度応答ス
ペクトルを周波数からSI値を推定し、(1)式と比較
すると極めてよい一致を示す。すなわち、固有周期1.
5secおよび2.5secスペクトル値の大きい方の
値をとり、SI値の概略値SIeを下記(5)式で計算
すると、近似が成り立つ。
Then, focusing on the spectrum of the earthquake,
In general, the value rises in a short period and rises in a long period, and a constant value is shown in a long period. Therefore, when the SI value is estimated from the frequency of the velocity response spectrum for a certain two natural periods and compared with the equation (1), a very good agreement is obtained. Show. That is, the natural period 1.
If the larger value of the 5 sec and 2.5 sec spectrum values is taken and the approximate value SIe of the SI value is calculated by the following equation (5), approximation is established.

【0029】 SIe=1.75/2.4x(xはT=1.5または2.5のSvの大きい方の値)(5) したがって、2個のアナログ計算機と1個の乗算器で近
似SI値を得ることができる。
SIe = 1.75 / 2.4x (x is the larger value of Sv of T = 1.5 or 2.5) (5) Therefore, it is possible to obtain an approximate SI value with two analog computers and one multiplier. .

【0030】本発明は、数galの精度で振動を計測する
必要があることから、増幅回路自体のノイズを極力小さ
くする必要があるので、使用する部品も極力ノイズの小
さいものを使用し、高入力インピーダンスを実現するに
おいても、極力、シンプルな回路構成としている。同様
に無振動時の出力電圧(以下、オフセット電圧という)
についても調整用の可変抵抗などによる調整は行わず、
基準電圧発生ICを使用して、オフセット電圧のバラツ
キを極力押さえるようにした。
In the present invention, since it is necessary to measure the vibration with an accuracy of several gals, it is necessary to minimize the noise of the amplifier circuit itself. Even when realizing the input impedance, the circuit configuration is as simple as possible. Similarly, output voltage without vibration (hereinafter referred to as offset voltage)
Also, do not adjust with a variable resistor for adjustment,
The reference voltage generating IC is used to suppress variations in offset voltage as much as possible.

【0031】なお、感度の精度を上げるためのトリミン
グ抵抗を1次調整用抵抗315と、微調整用抵抗316
の2個の抵抗とし、抵抗314で感度を調整することを
さけ、コンデンサ313との時定数によって回路の周波
数特性が変化しないようにした。
The trimming resistors for increasing the sensitivity accuracy are the primary adjustment resistor 315 and the fine adjustment resistor 316.
The resistance is not adjusted by the resistor 314, and the frequency characteristic of the circuit is not changed by the time constant with the capacitor 313.

【0032】[0032]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、圧電素
子を用いた加速度検出手段を用いて2軸または3軸の地
震動による低い周波数の加速度を高精度に検出すること
ができ、従来のセンサに比べて非常に小型で安価な地震
動検出器およびSI値検出装置を提供することができ
る。
As described above, according to the present invention, it is possible to accurately detect low frequency acceleration due to biaxial or triaxial seismic motion by using the acceleration detecting means using the piezoelectric element. It is possible to provide a seismic motion detector and an SI value detecting device which are much smaller and cheaper than those of the above sensors.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係る地震動検出器およびSI値検出装
置の概要を示すブロック図。
FIG. 1 is a block diagram showing an outline of a seismic motion detector and an SI value detection device according to the present invention.

【図2】本発明に用いる加速度検出手段の構成を示す
図。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of acceleration detecting means used in the present invention.

【図3】本発明に用いる加速度検出手段の動作を示す
図。
FIG. 3 is a diagram showing an operation of an acceleration detecting means used in the present invention.

【図4】本発明に係る地震動検出器およびSI値検出装
置の構成を示す回路構成図。
FIG. 4 is a circuit configuration diagram showing configurations of a seismic motion detector and an SI value detection device according to the present invention.

【図5】従来の圧電式センサの動作例を示す図。FIG. 5 is a diagram showing an operation example of a conventional piezoelectric sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:SI値検出装置 2:加速度検出手段 3:増幅手段 4:SI値換算手段 31:初段増幅回路 32:フィルタ 33:後段増幅回路 1: SI value detection device 2: Acceleration detection means 3: Amplification means 4: SI value conversion means 31: First stage amplification circuit 32: Filter 33: Rear stage amplification circuit

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金森 弘信 富山県高岡市駅南3丁目3番13号 マイク ロジェニックス株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued Front Page (72) Inventor Hironobu Kanamori 3-3-13 Minami, Takaoka-shi, Toyama Prefecture Microgenics Co., Ltd.

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 圧電素子を用いた地震動を検出する加速
度検出手段と、該加速度検出手段の出力を増幅する増幅
手段とを備えた地震動検出器において、前記増幅手段は
極めて高い入力インピーダンスを有するとともに、0.
1〜100Hzの周波数帯域の信号を選択的に増幅する
ものであることを特徴とする地震動検出器。
1. A seismic motion detector comprising an acceleration detecting means for detecting an earthquake motion using a piezoelectric element and an amplifying means for amplifying an output of the acceleration detecting means, wherein the amplifying means has an extremely high input impedance. , 0.
A seismic motion detector characterized by selectively amplifying a signal in a frequency band of 1 to 100 Hz.
【請求項2】 増幅器の入力インピーダンスが2000
MΩ以上である請求項1に記載の地震動検出器。
2. The amplifier has an input impedance of 2000.
The earthquake motion detector according to claim 1, which has a resistance of MΩ or more.
【請求項3】 増幅器に極めて精度の高い安定した基準
電圧源を用い、電圧調整用抵抗などの雑音源を取り除い
た請求項1または請求項2に記載された地震動検出器。
3. The seismic motion detector according to claim 1, wherein a stable and highly accurate reference voltage source is used for the amplifier, and a noise source such as a voltage adjusting resistor is removed.
【請求項4】 加速度検出手段を構成する圧電素子が、
3軸圧電素子である請求項1ないし請求項3のいずれか
に記載された地震動検出器。
4. A piezoelectric element constituting acceleration detecting means,
The seismic motion detector according to any one of claims 1 to 3, which is a triaxial piezoelectric element.
【請求項5】 圧電素子を用いた地震動を検出する加速
度検出手段と該加速度検出手段の出力を増幅する増幅手
段からなる地震動検出器と、該地震動検出器の出力をS
I値に変換するSI変換回路を備えたSI値検出装置に
おいて、前記増幅手段は極めて高い入力インピーダンス
を有するとともに、0.1〜100Hzの周波数帯域の
信号を選択的に増幅するものであることを特徴とするS
I値検出装置。
5. A seismic motion detector comprising an acceleration detecting means for detecting seismic motion using a piezoelectric element and an amplifying means for amplifying an output of the acceleration detecting means, and an output of the seismic motion detector is S.
In an SI value detecting device having an SI conversion circuit for converting into an I value, the amplifying means has an extremely high input impedance and selectively amplifies a signal in a frequency band of 0.1 to 100 Hz. Characteristic S
I-value detector.
【請求項6】 増幅器の入力インピーダンスが2000
MΩ以上である請求項5に記載のSI値検出装置。
6. The amplifier has an input impedance of 2000.
The SI value detecting device according to claim 5, which is MΩ or more.
【請求項7】 増幅器に極めて精度の高い安定した基準
電圧源を用い、電圧調整用抵抗などの雑音源を取り除い
た請求項5または請求項6に記載されたSI値検出装
置。
7. The SI value detecting device according to claim 5, wherein a stable reference voltage source with extremely high accuracy is used for the amplifier, and a noise source such as a voltage adjusting resistor is removed.
【請求項8】 SI値検出回路は、加速度センサの出力
から求められる速度応答スペクトルのうち二つの固有周
波数に対する速度応答値のうち大きな値を選択し、この
出力を1.75/2.4倍してSI値を得る回路である請
求項5ないし請求項7のいずれかに記載されたSI値検
出装置。
8. The SI value detection circuit selects a larger value of the speed response values for two natural frequencies of the speed response spectrum obtained from the output of the acceleration sensor, and multiplies this output by 1.75 / 2.4 times. The SI value detecting device according to any one of claims 5 to 7, wherein the SI value detecting circuit is a circuit for obtaining an SI value.
【請求項9】 SI値検出回路は、加速度センサの出力
から求められる速度応答スペクトルのうち二つの固有周
波数に対する速度応答値のうち大きな値を選択し、この
出力を1.75/2.4倍してSI値を得る回路である請
求項6ないし請求項8のいずれかに記載されたSI値検
出装置。
9. The SI value detection circuit selects a larger value of velocity response values for two natural frequencies of the velocity response spectrum obtained from the output of the acceleration sensor, and multiplies this output by 1.75 / 2.4. 9. The SI value detecting device according to claim 6, wherein the SI value detecting circuit is a circuit for obtaining an SI value.
【請求項10】 加速度検出手段を構成する圧電素子
が、3軸圧電素子である請求項6ないし請求項9のいず
れかに記載されたSI値検出装置。
10. The SI value detecting device according to claim 6, wherein the piezoelectric element forming the acceleration detecting means is a triaxial piezoelectric element.
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