專利名稱：電子感應(yīng)震前特征性磁異常的防震預(yù)警器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地震預(yù)警領(lǐng)域，其特征是一種用電子測磁感應(yīng)并測量分析地震前異常地磁信號進(jìn)行臨震報警的裝置。
二
背景技術(shù)：
準(zhǔn)確的地震預(yù)報現(xiàn)在還是世界難題，地震研究中以測震學(xué)研究為主的參數(shù)指標(biāo)難以用做臨震預(yù)警的根據(jù)。在準(zhǔn)確的地震預(yù)報還難做到的現(xiàn)實情況下，如果能以有效的手段和工具實現(xiàn)地震前的短臨預(yù)警，可以大為減小震災(zāi)損失。目前國內(nèi)外有測震原理的利用地震波P-S波時間差，由探測地震發(fā)生后先行傳到的縱波P發(fā)出地震報警，但不足的是在造成災(zāi)害最重的震中區(qū)這種報警與災(zāi)害的到來幾乎是同步發(fā)生，在震中以外的地區(qū)所得到的也僅是數(shù)以秒計的預(yù)警時間，難以讓人有足夠時間做好防震避險的準(zhǔn)備，所起的防震預(yù)警的實際作用不足。防震預(yù)警需要有能提供更長時間的預(yù)警裝置。研究地震史料和科學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)越來越多的證據(jù)表明，大地震前明顯的磁異常可發(fā)生在地震前的數(shù)分鐘到數(shù)小時。如2008年 5. 12日汶川特大地震前，極震區(qū)北川縣有群眾發(fā)現(xiàn)從地震前的6個多小時到地震前的10多分鐘，當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)了包括鴿子迷航到指南針異常偏向，指南針的磁針不規(guī)則運(yùn)動甚至轉(zhuǎn)圈的嚴(yán)重的磁場紊亂現(xiàn)象。據(jù)《NATURE》雜志報告，1964年美國阿拉斯加發(fā)生9級大地震，美國地質(zhì)調(diào)查局USGS研究人員在震前1小時多，于震中附近記錄下地震前劇烈磁變化。磁場異常變化早在地震前的數(shù)小時就已發(fā)生，采用測磁預(yù)警的方法比起測震原理的P-S波地震報警，能提供更充裕的足夠的預(yù)警時間。感應(yīng)地磁變化，對地震前的磁異常進(jìn)行監(jiān)測和測量，用于地震預(yù)警已經(jīng)成為可能。 地磁防震預(yù)警可以克服震波產(chǎn)生在地震發(fā)生之后的天然限制，在時間提前量上占有優(yōu)勢。 國內(nèi)外已有使用指南針的磁針順應(yīng)磁場變動進(jìn)行震前磁異常觀測預(yù)警的設(shè)計和嘗試，但這種測磁方式由于磁針的機(jī)械特性及制造工藝的差異會影響其對磁場的反應(yīng)，如磁針充磁量的多少，形狀尺寸不同，磁針與支軸摩擦系數(shù)以及磁針運(yùn)動對于震前磁異常信號頻率不同的響應(yīng)有限制等因素，都影響著指針運(yùn)動對局部磁場的反應(yīng)，如偏角和傾角變化與地震前的磁異常變化不能完全對應(yīng)，根據(jù)指南針異動所感應(yīng)的磁場變化，難以進(jìn)行磁異常信號的數(shù)理計算和比較分析，由此影響有效的地震探測和臨震預(yù)警。電子測磁技術(shù)可以克服上述指南針機(jī)械特性影響磁針運(yùn)動的不足，使用磁通門和磁阻的磁場感應(yīng)傳感器，可以針對地磁信號異常的特征實現(xiàn)更寬的頻率響應(yīng)范圍，靈敏度和分辨率更高，并且在制造工藝上能以標(biāo)準(zhǔn)化避免差異，對磁信號的感應(yīng)做到準(zhǔn)確的量化，可開發(fā)成測磁效果更好的防震預(yù)警工具。使用磁通門和磁阻的電子測磁技術(shù)探測感應(yīng)地磁場，已被廣泛應(yīng)用于航空、航天、 航海、探礦、導(dǎo)航等領(lǐng)域，在技術(shù)上電子測磁儀器對地磁場方向和強(qiáng)度的測量已相當(dāng)成熟， 元件也足夠小型化，精度也非常的高，但以往由于震磁關(guān)系研究沒突破，學(xué)術(shù)研究以前沒有確立地震震級與震前磁異常大小的量化關(guān)系，以往震磁關(guān)系研究僅停留于對震磁效應(yīng)理論模型的理解和專業(yè)地磁臺站數(shù)據(jù)的分析，并沒有用到實際的地震預(yù)警中來，即使是采用電子測磁技術(shù)的專業(yè)地磁觀測臺站，由于其測磁設(shè)備不包含有震磁關(guān)系的特征算法，也還不能對特征性的震前磁異常信號數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理分析，只是起到記錄的作用。我們通過震例分析和對大量的震區(qū)地磁數(shù)據(jù)研究，在震磁關(guān)系上明確了震前磁異常的時空分布特征， 并確立了地震震級與地磁場異常之間的數(shù)理關(guān)系，這使得震前地磁異常能夠被量化并與地震對應(yīng)起來，在以測磁敏感性和分辨力好的電子測磁感應(yīng)監(jiān)測地磁異常時，可以找出地震前地磁擾動有預(yù)警意義的磁異常信息，及時做出預(yù)警反應(yīng)。隨著震磁研究的深入所帶來的震磁關(guān)系新進(jìn)展，以及磁探測技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)的成熟，利用地磁監(jiān)測預(yù)警地震變得越來越現(xiàn)實和容易，預(yù)警的有效性和可靠性也優(yōu)于其他手段，技術(shù)成本也越來越低。本發(fā)明針對地震前特征性磁異常信號進(jìn)行磁場監(jiān)測和預(yù)警，可以供民用和地震研究專業(yè)的防震預(yù)警。符合國家法律倡導(dǎo)的加強(qiáng)群測群防，實現(xiàn)防震減災(zāi)的要求。
三

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用電子測磁并計算處理符合震前磁異常信號特征的地磁變化進(jìn)行防震預(yù)警，目的在于提供一種實用性強(qiáng)，靈敏準(zhǔn)確，與震前磁異常對應(yīng)關(guān)系好，操作方便的電子測磁感應(yīng)震前磁變化進(jìn)行臨震預(yù)警的裝置。本發(fā)明不但提供比使用地震波原理P-S波預(yù)警足夠充裕的預(yù)警時間，而且在測磁方式上，完全克服了通常的指南針原理的地磁感應(yīng)預(yù)警器因指南針的磁針機(jī)械特性以及響應(yīng)頻率范圍的限制，產(chǎn)生其磁針運(yùn)動顯示的偏角及傾角對應(yīng)震前磁變化不準(zhǔn)確，對于微細(xì)磁場變化反應(yīng)不靈敏而影響報警的不足。本發(fā)明的電子測磁部分使用對地磁場感應(yīng)靈敏的電子測磁元件磁阻傳感器和磁通傳感器，有效感知地震前的地磁場異常信號。磁通測磁傳感器使用高磁導(dǎo)率又具低矯頑力的金屬磁芯，繞有初級線圈和次級線圈，在激磁作用下，磁芯在弱磁場中就可達(dá)到飽和磁化，感應(yīng)線圈出現(xiàn)隨環(huán)境磁場強(qiáng)度而變的電勢特征，然后由高性能的濾波電路測量偶次諧波分量將輸入磁通轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)電壓，兩個次級線圈的輸出電壓差與磁通量的變化率成正比，測量此電壓可知地磁場變化。對于磁變化感應(yīng)要求更高的條件時，可以加用磁阻傳感器對更微弱的震前磁異常信號變化進(jìn)行監(jiān)測。磁阻傳感器利用其內(nèi)部金屬電阻在磁場中的變化，如外加磁場與磁性金屬內(nèi)部的磁化方向平行時，金屬的電阻基本沒有變化，但外加磁場方向偏離金屬內(nèi)部磁化方向時，金屬電阻減小的特性，產(chǎn)生不同的電壓，因此可監(jiān)測所處環(huán)境的磁場變化。磁通門和磁阻傳感器對于震前數(shù)小時前開始出現(xiàn)的微小的異常磁信號就已很敏感，電子測磁具有高靈敏度線形輸出的特性，可以完全滿足分辨低至10納特的磁異常信號的要求。使用磁阻和磁通門敏感的測磁傳感器，由于其分辨力高，測量磁場范圍寬，測量結(jié)果可靠重復(fù)性好，能夠直接測量磁場的分量等優(yōu)點，就適合于地磁場變化的實時監(jiān)測，將地磁場Z，H，F(xiàn)分量的相對和絕對大小信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過放大電路將信號放大增強(qiáng)，通過濾波電路將基本的干擾去除，同時將信號存儲起來，在磁場信號數(shù)據(jù)處理中心，一方面與歷史數(shù)據(jù)對比，另一方面利用震磁關(guān)系研究進(jìn)展所得的特征性震前磁異常信號特征算法來進(jìn)行計算。震前磁異常變化在分變幅的頻率上Z分量異常表現(xiàn)明顯，而在H分量上表現(xiàn)不明顯。按照我們震前磁異常研究的計算結(jié)果推算，采用包括了能量衰減平方反比關(guān)系，磁
4信號加卸載響應(yīng)比和轉(zhuǎn)換函數(shù)，測算磁方位角的特殊算法可以反演出磁場異常的來源和大小，根據(jù)不同的異常頻率和特征，計算出符合震磁關(guān)系地震預(yù)警的條件。當(dāng)電子測磁所感應(yīng)的地磁信號經(jīng)計算的結(jié)果顯示符合根據(jù)震磁原理推得的異常關(guān)系，就觸發(fā)聲光報警。本發(fā)明中所帶有的平衡修正參數(shù)及報警閾值設(shè)置，都可通過人機(jī)交互界面進(jìn)行設(shè)定，用于提高系統(tǒng)精度。算法包及歷史數(shù)據(jù)均可根據(jù)不同環(huán)境條件的要求進(jìn)行更新調(diào)整。本發(fā)明電子感應(yīng)震前特征性磁異常的防震預(yù)警器，包含磁傳感器模塊一個，作為電子測磁部分，并與地磁信號信息處理模塊相連接。信息處理模塊還包含RAM存儲器兩個， 作為數(shù)據(jù)存儲和計算暫存用。本發(fā)明對于需要發(fā)出預(yù)警的異常磁信號的判斷設(shè)置，是按照我們進(jìn)行震磁關(guān)系的異常信號特征研究所取得的震中地區(qū)磁場異常特征及其衰減函數(shù)公式進(jìn)行，利用這些關(guān)系和歷史數(shù)據(jù)可以很好的判定是否為重大地質(zhì)異常的信號，該算法包以及程序包含在磁信號信息處理模塊中。信息處理模塊與儀器包含的一個帶有背光燈的液晶顯示屏連接。液晶屏上的電子數(shù)字顯示反映出磁場變化，液晶顯示器上包含有模擬指針的方向顯示和角度變化的數(shù)字顯示。信息處理模塊也與報警模塊相連接，其中包含LED報警燈作為光警示和聲音警報器。警報器采用現(xiàn)有的聲光器或蜂鳴器或發(fā)光二極管或震動器，在有磁場異常變動時被觸發(fā)報警。本發(fā)明儀器的電源模塊包含直流供電接口和交流供電接口各一個，為整個裝置提供電源支持。本發(fā)明還帶有一個指南針模塊，以機(jī)械測磁輔助對周圍磁場變動的直觀觀測。電子測磁傳感器工作時，監(jiān)測兩軸或三軸方向的磁場大小，根據(jù)磁場大小和方向的變化來獲得磁偏角和傾角的改變。本發(fā)明以液晶屏供觀察監(jiān)測磁場異常變化，在震前磁異常變化發(fā)生時，電路信號觸發(fā)聲光報警。由于整個設(shè)備包含的電路及電子器件可能產(chǎn)生電磁干擾，而設(shè)備又為檢測磁場的設(shè)備，所以在設(shè)計上采取了磁屏蔽及電路磁平衡設(shè)計。以電子測磁如磁通傳感器感應(yīng)周圍磁場，對磁場的響應(yīng)頻率范圍與指南針對磁場響應(yīng)的頻率不同，機(jī)械指南針的響應(yīng)頻率一般較電子式的低，而且不易受電磁波干擾，因此本發(fā)明在對磁場變化的直觀觀察方式上，采用以電子式和機(jī)械式的相互補(bǔ)充，可以達(dá)到對更寬的頻率適應(yīng)范圍。利用測定地磁異常觸發(fā)報警的基本步驟是，首先利用磁通和磁阻傳感器以及配合電路，獲得的地磁場信號數(shù)據(jù)與歷史穩(wěn)定地磁場數(shù)據(jù)作比較，獲得磁場的擾動幅度，同時監(jiān)測磁場變化大小和方向，然后將這些信息通過震磁關(guān)系特征分析方法進(jìn)行計算，獲得異常指標(biāo)，如果這些異常指標(biāo)滿足預(yù)設(shè)的閾值就觸發(fā)聲光報警。本發(fā)明體積小，安裝使用便攜方便，克服了專業(yè)地磁測量儀器龐大，難于使用的缺點，能夠用于各種環(huán)境，家庭、學(xué)校、辦公場所都可以安裝。比大型專業(yè)磁測量設(shè)備具有更好的環(huán)境適應(yīng)性和數(shù)據(jù)分析可拓展性。
四


圖1是本發(fā)明裝置的構(gòu)造圖。圖中1001:電子測磁模塊；1002:放大電路模塊；1003:濾波電路模塊；
1004 中央數(shù)據(jù)處理器；1005 液晶磁變化顯示屏；1006:聲光報警模塊；1007 指南針模塊；1008 平衡設(shè)置；1009 實測設(shè)置；1010:電源模塊。圖2是本發(fā)明的主要模塊和電路組成示意圖。圖中2001 磁阻測磁模塊電路部分，磁變化信號由此轉(zhuǎn)換為電信號；2002 濾波電路模塊，去除信號基本干擾；2003 放大電路模塊，將磁場轉(zhuǎn)換信號放大；2004 供電模塊，為系統(tǒng)提供電源；2005 平衡儲存控制模塊，將接受和計算的數(shù)據(jù)存儲并平衡監(jiān)測；2006 磁信號計算中心處理模塊，負(fù)責(zé)處理磁信息數(shù)據(jù)；2007 聲光警報電路部分，發(fā)出聲光報警信號。圖3是本發(fā)明磁信號處理根據(jù)的算法及震磁關(guān)系圖。圖4是本發(fā)明顯示磁變化的液晶屏示意圖。圖中4001 磁場方向模擬顯示；4002 正常及異常磁場字符顯示；4003 磁場偏角數(shù)值顯示；4004 機(jī)械指南針顯示。
五
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明以液晶顯示的電子測磁防震預(yù)警器包括電子測磁模塊1001， 和與之相連接的放大電路1002，濾波電路1003，由1001，1002，1003組成的電子測磁部分與中央處理器1004相連接，中央處理器與液晶顯示屏1005，聲光報警器1006相連接。其中電子測磁模塊1001采用磁通傳感器測磁和具更高測磁靈敏度和抗干擾特性的磁阻傳感器測磁裝置，將所感應(yīng)的磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。整個儀器還包括與電源模塊1010連接電子測磁部分，中央處理器，聲光報警和液晶屏，電源模塊包含直流供電及交流供電兩部分，保證系統(tǒng)的工作供電，斷電保護(hù)，弱電提示。測磁平衡設(shè)置1008與中央處理器相連接，提供平衡設(shè)置，實測設(shè)置1009與中央處理器連接，提供測磁設(shè)置。本發(fā)明通過電子測磁感應(yīng)磁場方向和大小改變的情況下，將磁場變化轉(zhuǎn)變輸出不同的電信號，磁變化經(jīng)數(shù)據(jù)中心處理器計算分析，傳出到液晶屏由數(shù)字顯示磁場的方向改變和磁信號變化大小，當(dāng)所計算的特征性磁信號超出報警模塊的閾值設(shè)定時，就觸發(fā)報警。 機(jī)械指南針作為觀察和探測地磁場變化的輔助裝置。本發(fā)明的使用方法將儀器接通電源，電子測磁傳感器檢測周圍磁場，經(jīng)平衡程序設(shè)置進(jìn)行周圍磁場平衡后，即可實時監(jiān)測地磁場變化，通過所帶液晶屏上的模擬方向顯示和偏角數(shù)字顯示，可以觀察監(jiān)測本發(fā)明裝置周圍環(huán)境的磁場變化，根據(jù)所設(shè)定的平衡參數(shù)及報警閾值，當(dāng)監(jiān)測感應(yīng)到地震前的地磁場異常信號超過報警閾值，即觸發(fā)聲光警報，作為
防震預(yù)警。本裝置可以放在家庭或辦公室，注意遠(yuǎn)離電磁干擾及金屬物品，不需要復(fù)雜的安裝，接上電源，設(shè)定平衡參數(shù)及報警閾值，平衡磁場后即可監(jiān)測周圍磁場的變化，當(dāng)磁異常符合預(yù)先設(shè)定參數(shù)時就發(fā)出聲光警報。上述實施例僅為說明本發(fā)明而列舉，并非用于限制本發(fā)明，任何基于本技術(shù)方案所變換的等同效果的結(jié)構(gòu)，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種用電子感應(yīng)震前特征性磁異常的防震預(yù)警器，其特征是以地磁場為穩(wěn)定的背景磁場，利用磁通磁阻傳感器感應(yīng)地磁場異常擾動的大小和方向，將地磁場變化信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杺鬟f給中心處理器信息處理模塊計算分析，輸出信號傳送給液晶顯示屏和聲光報警，液晶屏顯示磁場的方向和磁偏角數(shù)值，中心處理器決定磁變化符合震磁原理的磁異常時，將信號經(jīng)由聲光報警電路觸發(fā)報警實現(xiàn)防震預(yù)警。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的磁通磁阻傳感器，其特征是集成的磁通和磁阻傳感器，可以監(jiān)測二軸以上的地磁變化信號，并將磁信號轉(zhuǎn)換為電信號，并與放大和濾波電路連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2中所述的磁通磁阻傳感器，其特征是其測量的磁偏角分辨率可達(dá)士0. 5度，磁阻傳感器感應(yīng)磁異常分辨力可達(dá)ΙΟηΤ，測量范圍最大至ΙΟΟΟΟΟηΤ。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的震前地磁異常感應(yīng)器，其特征是能夠存儲磁場信號，并根據(jù)震磁原理和地震前磁異常時空分布特征，計算分析處理磁場變化信號，計算方法涉及能量衰減呈平方反比，加卸載響應(yīng)比地磁分析法以及矢量磁方位角計算。
5.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電子測磁技術(shù)感應(yīng)地磁變化的測磁臨震預(yù)警器，其特征是所述的液晶屏顯示模擬的磁場方向，顯示磁場方向的字符和顯示磁偏角的數(shù)值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電子測磁技術(shù)感應(yīng)地磁變化的測磁臨震預(yù)警器，其特征是所述的警報器包括聲光器或蜂鳴器或發(fā)光二極管或振動器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的電子測磁技術(shù)感應(yīng)地磁變化的測磁臨震預(yù)警器，其特征是帶有機(jī)械指南針作為基本地磁場輔助觀察裝置。
全文摘要
電子感應(yīng)震前特征性磁異常的防震預(yù)警器。本發(fā)明涉及地震預(yù)警領(lǐng)域，其特征是一種通過電子測磁感應(yīng)地磁變化并能夠測量分析地震前磁異常變化的防震預(yù)警儀器，由磁通和磁阻傳感器以及配合電路，磁信號中心處理器，顯示磁變化的液晶屏及警報器組成。由磁通磁阻傳感器感應(yīng)監(jiān)測地磁場變化，將地磁變化信號轉(zhuǎn)化為電信號，磁場變化信號一方面與歷史數(shù)據(jù)對比，輸出到液晶顯示屏顯示磁場變化，另一方面利用震磁關(guān)系特征算法進(jìn)行計算，獲得的計算結(jié)果符合磁異常特征并符合預(yù)設(shè)報警閾值時，觸發(fā)聲光報警。本發(fā)明適用范圍廣，對震前地磁預(yù)警靈敏準(zhǔn)確，可實現(xiàn)防震預(yù)警功能。
文檔編號G01V1/00GK102193105SQ201010121208
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月10日
發(fā)明者鄭堅, 韓蘊(yùn)慧 申請人:韓蘊(yùn)慧