TWI491906B - 地震監測系統 - Google Patents

Description

地震監測系統

本發明涉及一種地震監測系統。

我國處於環太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，屬於地震多發國家，發生於我國之唐山地震以及最近之汶川地震都給我國人民之生命和財產造成了極大之損害。為了減少地震所帶來之傷害，除了要加強震後之應急搶救和重建外，更重要之係提高地震預告之準確性和時效性。

國際地震學和地球內部物理學協會經過評審後認定了5項“地震之前發生之、被認為係與該主震之孕震過程有關聯之一種環境參數之、定量之、可測量之變化”。其中包括有震前數小時至數月所發生之前震(foreshocks)以及震前數月至數年所發生之預震(preshocks)。(請參見“地震預測--進展、困難與前景”，陳運泰；Seismological And Geomagnetic Observation And Research,Volume 28,Issue 2,April 2007 Page(s)：9)。可見，通過對地球震動情況進行即時之監測可準確及時地預測地震。

現有之地震感測器主要採用電磁式感測器，其主要通過彈性線圈震動時在磁回路中上下往復切割磁力線以輸出震動訊號。該電磁式感測器之體積較大，成本較高，一般用於對固定位置之地殼震 動情況進行監測，因其所監測之範圍較小，據此做出之地震預測之準確性較差。

有鑒於此，有必要提供一種可對大範圍之地殼震動進行即時監測之地震監測系統。

一種地震監測系統，其包括：地震感測裝置，其包括加速度計和陀螺儀，該地震感測裝置分別設置於不同地震監測點處以感測對應之地震監測點處之地殼震動加速度訊號和角速度訊號。

定位裝置，每一個地震感測裝置均連接有一定位裝置，該定位裝置用於感測與之對應之地震監測點之位置資訊。

資料發送裝置，每一個地震感測裝置和定位裝置均連接有一資料發送裝置，該資料發送裝置用於發送與之相連接之地震感測裝置所感測到之地殼震動加速度訊號和地殼震動角速度訊號以及定位裝置所感測到之地震監測點之位置資訊。

地震監測中心處理器，用於接收不同地震監測點之資料發送裝置所發送之地殼震動加速度訊號、地殼震動角速度訊號及對應之地震監測點之位置資訊，並對該不同地震監測點之地殼震動加速度訊號、地殼震動角速度訊號以及對應之地震監測點位置資訊進行處理分析。

相對於先前技術，本發明所提供之地震監測系統通過設置於不同地震監測點處之地震感測裝置、定位裝置和資料發送裝置將不同地震監測點之地殼震動情況發送至地震監測中心處理器進行集中 分析和處理，以實現對地震之大範圍監測從而提高地震預測之可靠性和時效性。

2‧‧‧地震監測系統

22‧‧‧地震感測裝置

221‧‧‧加速度計

222‧‧‧陀螺儀

24‧‧‧定位裝置

25‧‧‧資料發送裝置

26‧‧‧地震監測中心處理器

260‧‧‧資料接收裝置

261‧‧‧資料存儲裝置

262‧‧‧資料分析裝置

223、2226‧‧‧質量塊

224‧‧‧彈簧

2220‧‧‧基底

2221‧‧‧矽膜層

2223‧‧‧主基座

2223a‧‧‧主基座端部

2224‧‧‧主懸臂

2222‧‧‧副基座

2222a‧‧‧副基座端部

2225‧‧‧副懸臂

2225a、2225b‧‧‧副懸臂端部

圖1係本發明一實施方式所提供之地震監測系統之硬體架構圖。

圖2係圖1之地震監測系統之地震感測裝置原理示意圖。

圖3係圖1之地震監測系統之陀螺儀之內部結構示意圖。

如圖1所示，本發明一實施方式所提供之地震監測系統2包括分別設置於不同地震監測點處之地震感測裝置22，該地震感測裝置包括加速度計221和陀螺儀222以感測對應之地震監測點處之地殼震動加速度訊號和地殼震動角速度訊號。該每一個地震感測裝置22均連接有一定位裝置24，該定位裝置24用於感測與之對應之地震監測點之位置資訊。該每一個該地震感測裝置22和定位裝置24均連接有一資料發送裝置25，該資料發送裝置25用於發送與之相連接之地震感測裝置22所感測到之地殼震動加速度訊號、地殼震動角速度訊號以及定位裝置所感測到之地震監測點之位置資訊。

該地震監測系統2還包括一地震監測中心處理器26，該地震監測中心處理器26包括一資料接收裝置260、一與該資料接收裝置260連接之資料存儲裝置261以及一與該資料存儲裝置261連接之資料分析裝置262。

該資料接收裝置260用於接收由該資料發送裝置25發送之不同地震監測點之地殼震動加速度訊號、地殼震動角速度訊號及對應之地震監測點之位置資訊，並將所接收之資料轉換為適於存儲之資 料格式。該資料存儲裝置261用於存儲該資料接收裝置260所接收之資料。

該資料分析裝置262讀取存儲於資料存儲裝置261內之資料並分析對不同地震監測點之地殼震動加速度訊號和地殼震動角速度訊號進行分析。因該地殼震動加速度訊號和地殼震動角速度訊號之數值大小反映了地殼震動之強度，該資料分析裝置262內預設有與不同級別之地殼震動強度相對應之地殼震動加速度訊號和地殼震動角速度訊號之數值範圍，並記錄不同數值範圍對應之地殼震動所發生之次數，為進一步之地震預測提供準確之依據。在地震發生時期，該資料分析裝置260計算不同地震監測點與震中之距離，並記錄和分析地殼震動加速度訊號和地殼震動角速度訊號隨震中距離變化之規律，為地震規律之研究提供寶貴之資料。

該加速度計221和陀螺儀222分別用於感測對應之地震監測點之地殼震動加速度和地殼震動角速度。如圖2所示，該加速度計221和陀螺儀222之測量原理可簡化為質量塊-彈簧模型。該質量塊-彈簧模型包括質量塊223和連接質量塊223與被測物體之彈簧224。該彈簧224可理解為特定之轉換裝置，用於將質量塊223之位移量轉化位元對應之測量訊號。

因該彈簧224連接被測物體與質量塊223，當進行加速度測量時，該質量為m之質量塊223在彈簧224之作用力F之帶動下獲取與被測物體相同之加速度a。根據牛頓第二定律：F=ma，該彈簧224產生與作用力F成正比之形變量並將其轉換為對應之電訊號，通過測量該電訊號來獲取加速度變化之情況。

當進行角速度之測量時，先通過彈簧224驅動質量塊223以一定速 度v沿一固定方向振動。以質量塊223為原點，水平方向為X軸定義一直角坐標系，若彈簧224驅動質量塊223之振動方向為X軸方向，而該質量塊223感受到之角速度方向沿Z軸，根據轉動定律：，該質量塊223受到沿Y軸方向之科里奧利力而產生位移，通過彈簧224將該質量塊223之位移量轉化為對應之電訊號便可通過測量電訊號來獲取角速度變化之情況。根據轉動定律：，為了提高量測之精度需要相對地增大質量塊223之振動速度V，而該質量塊-彈簧系統之速度共振頻率f _o決定於質量塊-彈簧系統之固有參數，其中K為彈簧之彈性係數，I為質量塊之轉動慣量。因此，將該質量塊223之振動頻率控制在速度共振頻率f _o則可使加速度測量系統獲得最大之振動速率v _o從而提高量測之精度。

根據該質量塊223之位移量與電訊號之間之轉換原理之不同，該加速度計221和陀螺儀222可為電容傳感式或壓阻傳感式。該電容傳感之原理為通過將該質量塊223設置於多片電極之間以構成一電容體系，當該質量塊223於電極間移動時引起電容體系之電容量發生變化從而將質量塊223之位移量轉換為易於測量之電容量。該壓阻傳感之傳感原理為利用半導體材料之壓阻效應，將該質量塊223之位移量轉化為易於測量之半導體材料之電阻值變化量。另外，為了實現加速度計221和陀螺儀222之小型化和測量之高精度，該加速度計221和陀螺儀222可利用微機電系統(Micro Electro-Mechanical System，MEMS)技術製造。本實施方式中，該陀螺儀222為壓阻傳感式

如圖3所示，該陀螺儀222包括一基底2220和一鍍在該基底2220上之矽膜層2221。

該基底2220之材料可為玻璃、陶瓷或蘭寶石(sapphire)。該矽膜層2221沉積在該基底2220上，並通過活性離子蝕刻之方法於該矽膜層2221內形成一主基座2223以及由該主基座2223之端部2223a延伸出之主懸臂2224。於該主基座2223之兩側同樣通過活性離子蝕刻之方法分別形成有一副基座2222，該副基座2222之端部2222a延伸出一副懸臂2225，該副懸臂2225於其與副基座2222連接之端部2225a相對之另一端部2225b延伸出一質量塊2226。該副懸臂2225之材料為具有壓阻效應之半導體材料矽，在該副懸臂2225與副基座2222連接之端部2225a內集成壓阻電橋(圖未示)，該質量塊2226在感測角速度時所產生位移量變化可通過副懸臂2225之形變轉換為對應之電阻值變化從而將角速度變化轉化為對應之電訊號以實現對角速度變化之感測。該壓阻電橋用於放大所感測之電訊號，以提高感測之精度。

該定位裝置24通過接收全球定位系統(Global Positioning System,GPS)衛星所發射之定位訊號，以感測對應之地震監測點之位置資訊。該定位裝置24將所獲取之位置資訊傳輸至該資料發送裝置25。

該資料發送裝置25可為射頻發射器。該資料發送裝置25之發射頻段為全球微波互聯接入技術(Worldwide Interoperability for Microwave Access，WIMAX)之工作頻段：2GHz至11GHz，其中優 選之發射頻率為其中之3GHz、3.5GHz或4GHz。

相對於先前技術，本發明所提供之地震監測系統通過設置於不同地震監測點處之地震感測裝置、定位裝置和資料發送裝置將不同地震監測點之地殼震動情況發送至地震監測中心處理器進行集中分析和處理，以實現對地震之大範圍監測從而提高地震預測之可靠性和時效性。其次，本發明利用微機電系統技術所製造地震感測裝置，實現了地震感測裝置之小型化、低成本和高精度。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

2‧‧‧地震監測系統

22‧‧‧地震感測裝置

221‧‧‧加速度計

222‧‧‧陀螺儀

24‧‧‧定位裝置

25‧‧‧資料發送裝置

26‧‧‧地震監測中心處理器

260‧‧‧資料接收裝置

261‧‧‧資料存儲裝置

262‧‧‧資料分析裝置

Claims (9)

1. 一種地震監測系統，該系統包括：地震感測裝置，其包括加速度計和陀螺儀，所述地震感測裝置分別設置於不同地震監測點處以感測對應之地震監測點處之地殼震動加速度訊號和角速度訊號，其中，所述地震監測系統進一步包括：定位裝置，每一個地震感測裝置均連接有一定位裝置，所述定位裝置用於感測與之對應之地震監測點之位置資訊；資料發送裝置，每一個地震感測裝置和定位裝置均連接有一資料發送裝置，所述資料發送裝置用於發送與之相連接之地震感測裝置所感測到之即時數據，包括地殼震動加速度訊號、地殼震動角速度訊號以及定位裝置所感測到之地震監測點之位置資訊；地震監測中心處理器，用於接收不同地震監測點之資料發送裝置所發送之即時數據，包括地殼震動加速度訊號、地殼震動角速度訊號及對應之地震監測點之位置資訊，並對所述不同地震監測點之地殼震動加速度訊號、地殼震動角速度訊號以及對應之地震監測點之位置資訊進行即時處理分析。
2. 如申請專利範圍第1項所述之地震監測系統，其中，該加速度計為電容傳感式加速度計或壓阻傳感式加速度計。
3. 如申請專利範圍第1項所述之地震監測系統，其中，該陀螺儀為電容傳感式陀螺儀。
4. 如申請專利範圍第1項所述之地震監測系統，其中，該陀螺儀為壓阻傳感式陀螺儀。
5. 如申請專利範圍第4項所述之地震監測系統，其中，該壓阻傳感式陀螺儀包括一基底、一鍍在該基底上之矽膜層、一在該矽膜層上通過活性離子蝕刻形成之主基座以及兩個分別形成於該主基座兩側之副基座，該主基座之一端延伸出一主懸臂，該兩個副基座之一端分別延伸出一副懸臂，該副懸臂於其與副基座連接端相對之另一端分別延伸出一質量塊。
6. 如申請專利範圍第5所述之地震監測系統，其中，所述基底之材料為玻璃、陶瓷或蘭寶石。
7. 如申請專利範圍第1項所述之地震監測系統，其中，該地震監測中心處理器包括：資料接收裝置，用於接收所述資料發送裝置所發送之地殼震動加速度訊號、地殼震動角速度訊號及對應之地震監測點位置資訊；資料存儲裝置，用於存儲由所述資料接收裝置所接收之地殼震動加速度訊號、地殼震動角速度訊號及對應之地震監測點位置資訊；資料分析裝置，用於讀取存儲於資料存儲裝置內之資料並分析對不同地震監測點之地殼震動加速度訊號和地殼震動角速度訊號進行分析。
8. 如申請專利範圍第7項所述之地震監測系統，其中，該資料分析裝置內預設有與不同級別之地殼震動強度相對應之地殼震動加速度訊號和地殼震動角速度訊號之數值範圍，並記錄不同數值範圍對應之地殼震動所發生之次數。
9. 如申請專利範圍第7項所述之地震監測系統，其中，所述資料分析裝置在地震發生時期時用於計算不同地震監測點與震中之距離，並記錄和分析地殼震動加速度訊號和地殼震動角速度訊號隨震中距離變化之規律。