專利名稱：振動(dòng)特征傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種振動(dòng)傳感器，特別是涉及一種用于振動(dòng)監(jiān)測(cè)和過(guò)程分析的振動(dòng)特征傳感器。
背景技術(shù)：
我國(guó)是世界上遭受地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。1900年以來(lái)，中國(guó)死于地震的人數(shù)達(dá)55萬(wàn)之多，占全球地震死亡人數(shù)的53％。二十世紀(jì)全球三分之一的大陸地震發(fā)生在我國(guó)，1949年以來(lái)，100多次破壞性地震襲擊了全國(guó)22個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)，造成27萬(wàn)余人喪生，占全國(guó)各類災(zāi)害死亡人數(shù)的54％。地震災(zāi)害是我國(guó)城市所面臨的主要災(zāi)害之一，大陸6度～9度地震區(qū)占國(guó)土面積的60％，23個(gè)省會(huì)城市和2/3百萬(wàn)以上人口的大城市位于地震烈度7度以上的高發(fā)危險(xiǎn)區(qū)。隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，一旦發(fā)生地震，其帶來(lái)的損失將非常巨大。因而對(duì)地震進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便為抗震減災(zāi)提供直接的技術(shù)數(shù)據(jù)和處置依據(jù)，從而有效地減輕地震災(zāi)害，便成了十分重要的工作。
在對(duì)地震進(jìn)行監(jiān)測(cè)的儀器裝置中，振動(dòng)傳感器是監(jiān)測(cè)地震振動(dòng)特征的重要器件。日本Yamateke有限公司推出了一套用于地震監(jiān)測(cè)的譜烈度(SI-Spectrum Intensity)傳感器。該傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖可見(jiàn)圖1，其由加速度拾振器1’、自我診斷電路板2’、波形記錄器3’、實(shí)時(shí)處理芯片4’和保護(hù)外殼5’組成。所述加速度拾振器1’為一壓電式傳感器，其利用壓電材料的壓電效應(yīng)將感應(yīng)到的力應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。該SI傳感器工作時(shí)，加速度拾振器1’將采集到的地震場(chǎng)地的振動(dòng)信號(hào)通過(guò)自我診斷電路板2’處理后輸入實(shí)時(shí)處理芯片4’，該實(shí)時(shí)處理芯片4’對(duì)輸入的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行振動(dòng)周期、最大加速度、場(chǎng)地位移、SI值計(jì)算，并經(jīng)判斷后向外輸出可供其他設(shè)備或裝置利用的地震警告和場(chǎng)地液化警報(bào)信號(hào)，與此同時(shí)，波形記錄器3’將該時(shí)段所采集到的以及經(jīng)分析處理的地震加速度信號(hào)實(shí)時(shí)地記錄下來(lái)。所謂場(chǎng)地液化，是指場(chǎng)地的飽和無(wú)粘性土在地震作用下，土壤的孔壓增加、有效應(yīng)力減小、由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的過(guò)程。
由于上述SI傳感器檢測(cè)和處理的信號(hào)都是模擬量，所以精度不高，經(jīng)常會(huì)受環(huán)境其它震動(dòng)源的影響而發(fā)生誤告警的情況。此外，該SI傳感器缺少直接識(shí)標(biāo)本身所處地域位置的功能，因而較難與其它同類傳感器共同構(gòu)建成檢測(cè)網(wǎng)，以監(jiān)測(cè)某一地理區(qū)域的地震過(guò)程全貌。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有空間定位和衛(wèi)星授時(shí)功能的高精度振動(dòng)特征傳感器，其具有防止誤報(bào)、預(yù)警可靠和時(shí)空定位的優(yōu)點(diǎn)，可用以構(gòu)建完整的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，達(dá)到監(jiān)測(cè)地震全過(guò)程的目的。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案如下一種振動(dòng)特征傳感器，包括加速度拾振器、波形記錄器、實(shí)時(shí)處理芯片和保護(hù)外殼，其特征在于它還包括有A/D轉(zhuǎn)換電路板、GPS天線和GPS信號(hào)處理裝置；所述加速度拾振器本身具有信號(hào)調(diào)理功能且對(duì)場(chǎng)地振動(dòng)進(jìn)行三向采集信號(hào)，其與A/D轉(zhuǎn)換電路板串聯(lián)后連接至實(shí)時(shí)處理芯片，所述A/D轉(zhuǎn)換電路板把加速度拾振器采集的加速度電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并輸入實(shí)時(shí)處理芯片；所述GPS天線接受衛(wèi)星信號(hào)，其通過(guò)可對(duì)本身進(jìn)行空間定位和給出授時(shí)的GPS信號(hào)處理裝置與實(shí)時(shí)處理芯片相連接；波形記錄器與實(shí)時(shí)處理芯片相連接，其根據(jù)該實(shí)時(shí)處理芯片的判斷指令記錄超過(guò)定值的數(shù)字信號(hào)和授時(shí)；所述實(shí)時(shí)處理芯片實(shí)時(shí)分析所輸入的數(shù)字信號(hào)，并根據(jù)所預(yù)設(shè)的閾值作出地震和場(chǎng)地液化的判斷，從而通過(guò)線路向外輸出可供利用的指令信號(hào)。
本發(fā)明所述振動(dòng)特征傳感器中的加速度拾振器的數(shù)據(jù)采集頻率為100Hz，量程為重力加速度的2倍；所述保護(hù)外殼由不銹鋼或其他耐候材料制成。
與公知的SI傳感器相比較，本發(fā)明所述的振動(dòng)特征傳感器內(nèi)部設(shè)有A/D轉(zhuǎn)換電路板可對(duì)采集的地震信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)其實(shí)時(shí)處理芯片可對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析識(shí)別，排除其它類型振動(dòng)的干擾，因此大大提高了傳感器的精度，有效地防止了誤判誤報(bào)，提高了報(bào)警的可靠性。此外，本發(fā)明還設(shè)有GPS系統(tǒng)可對(duì)其本身進(jìn)行空間定位和信號(hào)記錄授時(shí)，從而記錄和輸出疊加有時(shí)空特征的地震振動(dòng)信號(hào)，因此可通過(guò)運(yùn)用多個(gè)所述振動(dòng)特征傳感器構(gòu)建成一個(gè)地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)，對(duì)地震發(fā)生后所監(jiān)測(cè)區(qū)域各地點(diǎn)的各時(shí)段振動(dòng)特征進(jìn)行全方位全過(guò)程的記錄。


圖1是公知的SI傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的工作原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
首先請(qǐng)參閱圖2本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖示振動(dòng)特征傳感器包括有加速度拾振器1、A/D轉(zhuǎn)換電路板2、波形記錄器3、實(shí)時(shí)處理芯片4、GPS天線5、GPS信號(hào)處理裝置6和保護(hù)外殼7。所述加速度拾振器1與A/D轉(zhuǎn)換電路板2串聯(lián)后連接至實(shí)時(shí)處理芯片4，所述GPS天線5通過(guò)GPS信號(hào)處理裝置6與實(shí)時(shí)處理芯片4相連接，該實(shí)時(shí)處理芯片4與波形記錄器3相連接，并且通過(guò)線路與外部接收指令信號(hào)的設(shè)備或裝置相連接，上述所有元器件均設(shè)置于用不銹鋼或其他耐候材料制成的保護(hù)外殼7之內(nèi)。上述耐候材料是指能有效抵抗大氣環(huán)境(潮氣、酸雨等)侵蝕的材料，如含有微量稀土元素的耐候鋼。
所述加速度拾振器1采用實(shí)時(shí)三向加速度傳感器，其內(nèi)部配有自我調(diào)理和濾波電路，因而具有信號(hào)調(diào)理功能。該加速度拾振器1對(duì)所測(cè)量場(chǎng)地的振動(dòng)加速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和三向信號(hào)采集并得到電壓信號(hào)。該加速度拾振器1的數(shù)據(jù)采集頻率較高，須大于場(chǎng)地在地震作用下卓越頻率的2倍，一般取為100Hz；由于地震作用下場(chǎng)地的加速度值一般不會(huì)太大，所以該加速度拾振器1的量程為重力加速度的2倍，即2g。所述加速度拾振器1具有足夠的精度和頻率范圍，故其采集的數(shù)據(jù)能較好地反映場(chǎng)地的實(shí)際振動(dòng)。
所述A/D轉(zhuǎn)換電路板2與加速度拾振器1的測(cè)量精度和頻率范圍相適配，其把加速度拾振器1采集的電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以適合實(shí)時(shí)處理芯片4的實(shí)時(shí)處理。
所述GPS天線5接受衛(wèi)星信號(hào)并輸送給GPS信號(hào)處理裝置6，該GPS信號(hào)處理裝置6可確定其本身的空間位置，并且分時(shí)段對(duì)所采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行高精度授時(shí)。
在實(shí)時(shí)處理芯片4中預(yù)先設(shè)置有判斷地震和場(chǎng)地液化的閥值，所述實(shí)時(shí)處理芯片4在接收了來(lái)自A/D轉(zhuǎn)換電路板2和GPS信號(hào)處理裝置6的輸入信號(hào)后，可實(shí)時(shí)進(jìn)行分析和處理。該實(shí)時(shí)處理芯片4首先將振動(dòng)信號(hào)與預(yù)設(shè)閥值進(jìn)行比較，若該信號(hào)超過(guò)閥值時(shí)，就對(duì)信號(hào)的幅值、周期、持續(xù)時(shí)間、頻譜等振動(dòng)特征進(jìn)行分析和判別，確定震源是否為地震以及該場(chǎng)地的液化狀況，并根據(jù)判斷結(jié)果發(fā)出地震和液化指令信號(hào)，該指令信號(hào)通過(guò)線路輸出給外部需要利用此信號(hào)的裝置。所述實(shí)時(shí)處理芯片4還在輸入信號(hào)超過(guò)一定值時(shí)，對(duì)波形記錄器3發(fā)出指令，該波形記錄器3根據(jù)指令對(duì)超值的信號(hào)連同相應(yīng)的授時(shí)一起進(jìn)行記錄。
現(xiàn)結(jié)合圖3對(duì)本發(fā)明所述的振動(dòng)特征傳感器的工作原理和過(guò)程作一詳細(xì)的說(shuō)明。在需要進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)的場(chǎng)地上設(shè)置本發(fā)明所述的振動(dòng)特征傳感器，該振動(dòng)特征傳感器的GPS天線5自衛(wèi)星上接收相關(guān)信號(hào)并輸送給GPS信號(hào)處理裝置6，該GPS信號(hào)處理裝置6根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)確定本振動(dòng)特征傳感器的空間位置，即在地面上的地理位置，同時(shí)由衛(wèi)星信號(hào)給出精確度很高的時(shí)間授時(shí)，GPS信號(hào)處理裝置6將上述空間定位信息和授時(shí)信號(hào)輸送給實(shí)時(shí)處理芯片4。當(dāng)本振動(dòng)特征傳感器所處的場(chǎng)地發(fā)生震動(dòng)時(shí)，加速度拾振器1就會(huì)感應(yīng)到振動(dòng)信號(hào)a(t)[注t為時(shí)間，a(t)為震波的時(shí)間曲線]。于是加速度拾振器1就立即對(duì)振動(dòng)信號(hào)a(t)以足夠的精度和頻率(例如100Hz)進(jìn)行三向的實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)自我調(diào)理和濾波系統(tǒng)對(duì)信號(hào)a(t)進(jìn)行調(diào)理，以得到能較好地反映場(chǎng)地實(shí)際振動(dòng)特征的電壓信號(hào)。所采集的電壓信號(hào)被輸入A/D轉(zhuǎn)換電路板2，該A/D轉(zhuǎn)換電路2把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并輸入實(shí)時(shí)處理芯片4。該實(shí)時(shí)處理芯片4對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)a(t)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理，首先其將信號(hào)a(t)值與實(shí)時(shí)處理芯片4中預(yù)先設(shè)置的閾值I進(jìn)行比較，若持續(xù)5秒鐘a(t)＜I，或者a(t)持續(xù)60秒鐘而不停止，則認(rèn)為振動(dòng)結(jié)束。若該信號(hào)所有a(t)＜I都成立，則信號(hào)被忽略而流出處理程序；若a(t)＞I，則實(shí)時(shí)處理芯片4就對(duì)該信號(hào)a(t)的幅值、周期、頻譜、持續(xù)時(shí)間、峰值個(gè)數(shù)及其間隔時(shí)間進(jìn)行分析和識(shí)別，將典型地震振動(dòng)特征與之比較，判斷是否為地震。若判斷結(jié)果是除地震外的其它震動(dòng)，則忽略該信號(hào)而停止處理程序，這樣就可排除其它震動(dòng)源引起誤報(bào)，提高預(yù)警可靠度；若判斷結(jié)果確實(shí)為地震，則向外發(fā)出地震報(bào)警信號(hào)，即地震指令。與此同時(shí)，實(shí)時(shí)處理芯片4對(duì)波形記錄器3發(fā)出記錄啟動(dòng)指令，則波形記錄器3開(kāi)始對(duì)疊加有時(shí)空特征的地震振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行全過(guò)程的記錄，并顯示出振動(dòng)波形曲線，該記錄資料為地震科學(xué)研究工作和災(zāi)后恢復(fù)工作提供了必要的數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生被確定后，本發(fā)明所述的振動(dòng)特征傳感器就進(jìn)一步對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和分析，并對(duì)信號(hào)的液化特征，如振動(dòng)最大位移、加速度峰值和周期等進(jìn)行判斷，以確定所測(cè)場(chǎng)地的土壤液化狀況，當(dāng)信號(hào)表明其液化指標(biāo)已達(dá)到閥值時(shí)，所述振動(dòng)特征傳感器就發(fā)出場(chǎng)地液化警示信號(hào)，即液化指令。該液化指令連同上述地震指令由實(shí)時(shí)處理芯片4通過(guò)線路向外部輸出至其它設(shè)備，如關(guān)閉燃?xì)忾y門機(jī)構(gòu)、切斷電網(wǎng)電閘機(jī)構(gòu)等以作為觸發(fā)指令信號(hào)，從而啟動(dòng)抗震減災(zāi)的自動(dòng)處置程序。與此同時(shí)，輸出的指令信號(hào)還可以通過(guò)無(wú)線電通訊裝置傳輸給城市的抗震指揮中心，作為指揮人員即時(shí)分析震情，指揮抗震救災(zāi)工作的依據(jù)。
由于本發(fā)明所述的振動(dòng)特征傳感器在采集的震動(dòng)加速度信號(hào)上授予了空間和時(shí)間的特征，因此可以把數(shù)量眾多的振動(dòng)特征傳感器布置在所監(jiān)測(cè)的地理區(qū)域中，以構(gòu)建成一個(gè)該區(qū)域的地震檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，其提供的具有時(shí)空特征的實(shí)時(shí)信號(hào)，不僅在地震發(fā)生當(dāng)時(shí)能全方位全過(guò)程實(shí)時(shí)地反映震情，對(duì)抗震救災(zāi)具有重大的指導(dǎo)意義，而且其記錄資料在震后對(duì)研究地震動(dòng)的行波效應(yīng)(地震動(dòng)場(chǎng)內(nèi)各位置上震波的行走時(shí)間特征)也提供了具有高可靠度的參考資料。
綜上所述，本發(fā)明所述的振動(dòng)特征傳感器具有精確度高、預(yù)警可靠和衛(wèi)星定位授時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，可用于監(jiān)測(cè)和警報(bào)地震，構(gòu)建地區(qū)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)以全方位監(jiān)測(cè)地震全過(guò)程。
權(quán)利要求
1.一種振動(dòng)特征傳感器，包括加速度拾振器(1)、波形記錄器(3)、實(shí)時(shí)處理芯片(4)和保護(hù)外殼(7)，其特征在于它還包括有A/D轉(zhuǎn)換電路板(2)、GPS天線(5)和GPS信號(hào)處理裝置(6)；所述加速度拾振器(1)本身具有信號(hào)調(diào)理功能且對(duì)場(chǎng)地振動(dòng)進(jìn)行三向采集信號(hào)，其與A/D轉(zhuǎn)換電路板(2)串聯(lián)后連接至實(shí)時(shí)處理芯片(4)，所述A/D轉(zhuǎn)換電路板(2)把加速度拾振器(1)采集的加速度電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并輸入實(shí)時(shí)處理芯片(4)；所述GPS天線(5)接受衛(wèi)星信號(hào)，其通過(guò)可對(duì)本身進(jìn)行空間定位和給出授時(shí)的GPS信號(hào)處理裝置(6)與實(shí)時(shí)處理芯片(4)相連接；波形記錄器(3)與實(shí)時(shí)處理芯片(4)相連接，其根據(jù)該實(shí)時(shí)處理芯片(4)的判斷指令記錄超過(guò)閾值的數(shù)字信號(hào)和授時(shí)；所述實(shí)時(shí)處理芯片(4)實(shí)時(shí)分析所輸入的數(shù)字信號(hào)，并根據(jù)所預(yù)設(shè)的閾值作出地震和場(chǎng)地液化的判斷，從而通過(guò)線路向外輸出可供利用的指令信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動(dòng)特征傳感器，其特征在于所述加速度拾振器(1)的數(shù)據(jù)采集頻率為100Hz，量程為重力加速度的2倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的振動(dòng)特征傳感器，其特征在于所述保護(hù)外殼(7)由不銹鋼或其他耐候材料制成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有空間定位和衛(wèi)星授時(shí)功能的高精度振動(dòng)特征傳感器，除了加速度拾振器、波形記錄器、實(shí)時(shí)處理芯片和保護(hù)外殼外，它還包括有A/D轉(zhuǎn)換電路板、GPS天線和GPS信號(hào)處理裝置；A/D轉(zhuǎn)換電路板把加速度拾振器采集的加速度電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并輸入實(shí)時(shí)處理芯片，GPS信號(hào)處理裝置根據(jù)GPS天線接受的衛(wèi)星信號(hào)對(duì)本身進(jìn)行空間定位和授時(shí)，實(shí)時(shí)處理芯片實(shí)時(shí)分析所輸入的數(shù)字信號(hào)，并根據(jù)所預(yù)設(shè)的閾值作出地震和場(chǎng)地液化的判斷，同時(shí)通過(guò)線路向外輸出可供利用的指令信號(hào)。本發(fā)明具有精確度高、預(yù)警可靠和衛(wèi)星定位授時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，可用于監(jiān)測(cè)和警報(bào)地震，并構(gòu)建地區(qū)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)以全方位監(jiān)測(cè)地震全過(guò)程。
文檔編號(hào)G01V1/18GK1837857SQ20061002579
公開(kāi)日2006年9月27日 申請(qǐng)日期2006年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月18日
發(fā)明者趙鳴, 李 杰, 于阿濤 申請(qǐng)人:趙鳴, 李 杰, 于阿濤