專利名稱：基于地震振動能捕獲自供電的地震預(yù)警系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于地震災(zāi)害預(yù)警的裝置，特別涉及ー種地震振動能捕獲的觸發(fā)式地震預(yù)警傳感器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
地震災(zāi)害是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，具有突發(fā)性、極強(qiáng)破壞性的特點(diǎn)。最近兩年發(fā)生的汶川地震和玉樹地震，造成了數(shù)十萬的人員傷亡和上千億的國家財產(chǎn)損失?，F(xiàn)有的技術(shù)還不能阻止地震災(zāi)害的發(fā)生，只能積極地應(yīng)對，將已發(fā)生的災(zāi)害造成的損失降到最低。目前主流的地震學(xué)術(shù)界認(rèn)為，地震預(yù)報在全世界都是ー個難題，地震成因復(fù)雜，前兆有很大的 不確定性。因此，目前國內(nèi)外都把地震的防災(zāi)減災(zāi)工作重點(diǎn)放在地震預(yù)警上。地震波通常包括縱波(P波)、橫波(S波)、拉夫波(L波)、瑞利波(R波)等，通常地震波以前兩種為主，因地震區(qū)地質(zhì)構(gòu)造而異，縱波引起地面上下震動，破壞カ較小，橫波引起地面水平晃動，破壞力很大。根據(jù)破壞力比較，P波< S波< L波< R波。從傳播速度看，通常P波> S波> L波> R波。通?？v波(P)的傳播速度為7-8千米/秒，橫波的速度為3-4千米/秒，而電磁波的傳播速度為三十萬千米/秒。地震預(yù)警系統(tǒng)主要是利用電磁波與地震波，地震縱波與橫波的速度差來實(shí)現(xiàn)地震發(fā)生后的快速預(yù)警，類似干“先閃電后雷聲”原理，閃電發(fā)生后通常要等數(shù)秒鐘后才聽到雷聲。此種預(yù)警方式是基于地震已經(jīng)發(fā)生的基礎(chǔ)上進(jìn)行“通知”，不存在誤報。通?？哨A得數(shù)十秒的時間，雖然時間很短，但如果能在地震到來之前啟動相應(yīng)的應(yīng)急防災(zāi)措施，仍可以大大降低人員傷亡和財產(chǎn)損失。根據(jù)日本的經(jīng)驗(yàn)，提前預(yù)警時間2秒，人員傷亡率下降率25%，提前預(yù)警時間5秒，人員傷亡率下降率80%。目前國內(nèi)外有很多關(guān)于地震預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)明專利，第一種為基于地震前夕地磁異常原理的，地球磁場發(fā)生劇烈變化時，可觸發(fā)感應(yīng)器發(fā)出預(yù)警信號，但是，目前無法確定，地震的發(fā)生和地磁異常存在必然聯(lián)系，地震不一定會導(dǎo)致地磁異常，宇宙的射線如太陽風(fēng)暴，也會導(dǎo)致地磁的變化。因此，此種基于地磁原理的預(yù)警系統(tǒng)可靠性低。另外ー種則是基于地震發(fā)生后，電磁波和地震波“賽跑”原理的，由于電磁波比地震波的傳播速度要快很多，可在地震發(fā)生后將地震信息借助電磁波傳播到離震中較遠(yuǎn)的城市地區(qū)，載有地震信號電磁波的傳播方式有借助電纜、專用電話線路、高頻無線中繼站，移動通信基站等方式，將地震信號傳播到城市控制中心。地震監(jiān)測端通常為震動加速度傳感器，有壓電、電磁、光纖光柵等形式。然而，監(jiān)測端都需要借助外界電源，如電池或者太陽能、風(fēng)能等新能源發(fā)電補(bǔ)充來支持傳感器工作，而地震監(jiān)測是ー項長時間，可達(dá)數(shù)年甚至更長時間的不間斷的工作，因此，此類方法依賴外接電源的監(jiān)測設(shè)備在應(yīng)用中存在限制。目前的主流地震預(yù)警系統(tǒng)分為兩種ー種是利用巧妙的觸發(fā)機(jī)構(gòu)，如倒立桿、懸垂擺等定性的判斷地震的發(fā)生，如地動儀；ー種是利用精密的力學(xué)傳感器等定量的測定地震波信息。前者不能定量的描述地震強(qiáng)度和等級，靈敏度和可靠性之間相互矛盾，而后者必須外接電源為傳感器、電子設(shè)備等供電。此外，兩者共同的弱點(diǎn)是，要想實(shí)現(xiàn)地震預(yù)警的遠(yuǎn)距離快速傳輸，必須要依賴電源采用無線電波發(fā)射技術(shù)，即均需要外接電源為系統(tǒng)進(jìn)行供電。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服目前傳統(tǒng)的地震預(yù)警系統(tǒng)需要外界提供電源的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出ー種不需要依賴外界電源的，本身可吸收地震波能量并將其轉(zhuǎn)化為電能“自給自足”的地震預(yù)警傳感器。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案本發(fā)明基于地震振動能捕獲自供電的觸發(fā)式地震預(yù)警傳感器原理，系統(tǒng)捕獲地震發(fā)生時的振動能，將地震的振動能轉(zhuǎn)化為電能，為電磁發(fā)射系統(tǒng)供能，發(fā)射出載有地震強(qiáng)度 信息的電磁波，使其能夠在地震發(fā)生后，通過現(xiàn)有的移動通信基站群中繼傳輸，向離震中數(shù)十千米至數(shù)百千米的人口密集地區(qū)發(fā)出預(yù)警信號，當(dāng)城市控制中心接收到分布在城市周圍的多個地震傳感器發(fā)出的地震信號后，迅速分析，判斷地震強(qiáng)度、傳播方向，并通過移動通信基站群向社會公布地震到來的預(yù)警信息，可在地震傳播到來前爭取數(shù)十秒的應(yīng)急避難時間，如將人群轉(zhuǎn)移到空曠地區(qū)，切斷天然氣供應(yīng)，電梯停止運(yùn)行，通知高鐵列車緊急制動并采取相應(yīng)的應(yīng)急逃生措施等，可很大程度地降低人們生命財產(chǎn)損失，具有非常大的社會意義。本發(fā)明所述的地震振動能捕獲自供電的地震預(yù)警系統(tǒng)埋置于大地中。所述地震預(yù)警系統(tǒng)包括地震振動能捕獲模塊、振動能發(fā)電系統(tǒng)、電能管理単元、主控系統(tǒng)、地震參數(shù)采集模塊和無線電波發(fā)射系統(tǒng)，置于圓形或橢圓形抗沖擊和抗腐蝕老化保護(hù)外殼中。同時配合置于地面的地面天線、已有的地面移動通信基站群、城市控制中心電磁波接收系統(tǒng)和手機(jī)用戶共同完成地震預(yù)警。所述的地震振動能捕獲模塊，振動能發(fā)電系統(tǒng)，電能管理単元、主控系統(tǒng)、地震參數(shù)采集模塊、無線電波發(fā)射系統(tǒng)均內(nèi)置于圓形或橢圓形抗沖擊和抗腐蝕老化的保護(hù)外殼之中。地震振動能捕獲模塊與振動能發(fā)電系統(tǒng)相連接，振動能發(fā)電系統(tǒng)的輸出連接至電能管理單元的輸入端，電能管理単元的三個輸出端分別連接主控系統(tǒng)、地震參數(shù)采集模塊及無線電波發(fā)射系統(tǒng)。地震振動能捕獲模塊在地震發(fā)生時捕獲地震的振動能，振動能通過振動能發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成電能，電能信號傳輸給電能管理單元進(jìn)行處理，而后由電能管理單元將電能輸出至主控系統(tǒng)、地震參數(shù)采集模塊及無線電波發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行供電，即地震預(yù)警系統(tǒng)的主控系統(tǒng)、地震參數(shù)采集模塊及無線電波發(fā)射系統(tǒng)的供電電源均來自預(yù)警系統(tǒng)中的自發(fā)電系統(tǒng)。地震參數(shù)采集模塊采集地震參數(shù)信號，傳送至主控系統(tǒng)，經(jīng)主控系統(tǒng)處理后，發(fā)送至無線電波發(fā)射系統(tǒng)，由無線電波發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射電磁波信號，經(jīng)地面天線、地面移動通信基站群、城市控制中心電磁波接收系統(tǒng)和手機(jī)用戶之間通過無線電波傳輸進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)地震預(yù)報。地面天線、地面移動通信基站群、城市控制中心電磁波接收系統(tǒng)和手機(jī)用戶均處于地面之上，地面移動通信基站群、城市控制中心電磁波接收系統(tǒng)和手機(jī)用戶之間通過無線電波傳輸進(jìn)行通信。所述的保護(hù)外殼為圓形或橢圓形抗沖擊和抗腐蝕老化保護(hù)外殼，埋置于一定深度的土壌中，保證整個地震傳感器系統(tǒng)有足夠的抗地震沖擊能力和長期埋地抗腐蝕老化能力，基于地震振動能捕獲自供電的地震預(yù)警系統(tǒng)置于保護(hù)外殼內(nèi)部的封閉空間中。圓形或橢圓形抗沖擊和抗腐蝕老化保護(hù)外殼是由高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗腐蝕能力的材料構(gòu)成的球形或橢球形規(guī)則體，其內(nèi)部為一封閉空間，以防止外界的水分滲入導(dǎo)致腐蝕，還要防止外界溫度的變化導(dǎo)致的熱脹冷縮的破壞。所述的地震振動能捕獲模塊可以采用多種動能捕獲結(jié)構(gòu)，如懸臂梁結(jié)構(gòu)、彈簧-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)、平面板結(jié)構(gòu)、不平衡擺式結(jié)構(gòu)、懸垂擺結(jié)構(gòu)、為倒立桿結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用懸臂梁結(jié)構(gòu)的地震振動能捕獲模塊、懸臂梁結(jié)構(gòu)的振動能發(fā)電系統(tǒng)，以及彈簧ー質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)地震振動能捕獲模塊、彈簧ー質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)振動能發(fā)電系統(tǒng)。所述的地震振動能捕獲模塊、振動能發(fā)電系統(tǒng)采用上述兩種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，工作時所述的兩種結(jié)構(gòu)可単獨(dú)或同時進(jìn)行地震振動能捕獲和振動能發(fā)電。懸臂梁結(jié)構(gòu)的地震振動能捕獲模塊為懸臂梁単元，懸臂梁単元為采用矩形片狀的懸臂梁。懸臂梁的一端為不產(chǎn)生軸向、垂直位移和轉(zhuǎn)動的固定端，固定端固定在保護(hù)外殼的內(nèi)壁。懸臂梁的另一端為自由端，自由端可產(chǎn)生與懸臂梁上下面垂直的運(yùn)動。此懸臂梁結(jié)構(gòu)的地震振動能捕獲模塊運(yùn)用懸臂梁捕獲地震振動能。懸臂梁結(jié)構(gòu)的振動能發(fā)電系統(tǒng)包括懸臂梁上下表面涂覆的壓電材料、U型軟鐵、永磁體和線圈。壓電材料涂覆在懸臂梁上下表面，U型軟鐵粘接在懸臂梁的運(yùn)動端的端部，永磁體 靠磁吸力分別粘接在U型軟鐵的兩個內(nèi)側(cè)橫邊，線圈固定在永磁體的中心氣隙處。彈簧質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)地震振動能捕獲模塊為彈簧単元，彈簧單元為螺旋狀的彈簧，運(yùn)用彈簧捕獲地震振動能。彈簧沿其軸向垂直于地面放置，彈簧的一端為固定端，固定在保護(hù)外殼的內(nèi)壁上方，彈簧的另一端為運(yùn)動端。彈簧ー質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)振動能發(fā)電系統(tǒng)包括質(zhì)量塊、永磁體和線圏。質(zhì)量塊懸掛在運(yùn)動端的端部，永磁體和質(zhì)量塊粘接在一起，線圈呈圓管狀，與質(zhì)量塊和永磁體同軸放置。懸臂梁結(jié)構(gòu)的振動能發(fā)電系統(tǒng)包括壓電式和電磁感應(yīng)式兩種發(fā)電方式，兩種方式可集成在一個懸臂梁結(jié)構(gòu)的振動能發(fā)電系統(tǒng)中同時工作。壓電式發(fā)電模式為利用壓電材料的特性進(jìn)行振動能利用和電能轉(zhuǎn)換，電磁感應(yīng)式為利用線圈切割磁力線的方式進(jìn)行電能輸出。彈簧ー質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的振動能發(fā)電系統(tǒng)為電磁感應(yīng)式發(fā)電方式，彈簧ー質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的振動能發(fā)電系統(tǒng)中的線圈切割磁力線從而產(chǎn)生電流。兩種結(jié)構(gòu)的振動能發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能送至電能管理単元。電能管理単元、主控系統(tǒng)、地震參數(shù)采集模塊和無線電波發(fā)射系統(tǒng)集成在電路系統(tǒng)中。電能管理單元處理振動能發(fā)電系統(tǒng)輸出端的電能，而后將電能輸出給主控系統(tǒng)、地震參數(shù)采集模塊和無線電波發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行供電。電能管理単元主要包括整流単元、濾波電路、升降壓斬波電路和穩(wěn)壓單元。所述的振動能發(fā)電系統(tǒng)中的壓電材料或線圈的電能輸出端連接整流単元的輸入端，整流単元的輸出端與濾波電路的輸入端相連接，濾波電路的輸出端連接升降壓斬波電路的輸入端，升降壓斬波電路的輸出端連接穩(wěn)壓單元進(jìn)行穩(wěn)壓輸出，實(shí)現(xiàn)對脈沖電流進(jìn)行整流、濾波、升降壓斬波、穩(wěn)壓處理功能。主控系統(tǒng)由中央處理器和外圍電路組成，中央處理器可以是單片機(jī)或DSP或FPGA等。主控系統(tǒng)的功能是讀取到地震參數(shù)采集模塊采集的地震波信息并進(jìn)行處理；發(fā)送含地震信息的信號至無線電波發(fā)射系統(tǒng)；設(shè)置啟動電磁波發(fā)射的閾值；控制電磁脈沖的發(fā)射頻率；并發(fā)送信號給電能管理単元，控制電能管理単元中的電子電路的運(yùn)行狀態(tài)，協(xié)調(diào)控制振動能發(fā)電系統(tǒng)、電能管理単元的工作，使其在需要進(jìn)行地震預(yù)警時輸出穩(wěn)定的電能。地震參數(shù)采集模塊的核心器件是地震檢波器、位移傳感器和加速度傳感器，均集成在地震參數(shù)采集模塊中，由電能管理單元輸出的電能供電。工作時由地震檢波器、位移傳感器和加速度傳感器同時采集地震參數(shù)，而后結(jié)合信號處理，最終輸出采集到的地震波頻率、振幅、速度地震信息信號，傳送給電能管理単元、主控系統(tǒng)和無線電波發(fā)射系統(tǒng)。同時也可以采集壓電發(fā)電模塊的電信號，轉(zhuǎn)換為地震強(qiáng)度信號作為參考。無線電波發(fā)射系統(tǒng)的射頻芯片和無線電波發(fā)射系統(tǒng)的天線配合工作，為了確保無線電波發(fā)射系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確無誤的發(fā)射電磁波信號，而不受地震預(yù)警系統(tǒng)保護(hù)外殼的影響，無線電波發(fā)射系統(tǒng)的天線包括保護(hù)外殼內(nèi)的天線，和保護(hù)外殼外的地面天線。保護(hù)外殼內(nèi)的無線電波發(fā)射系統(tǒng)的天線與射頻芯片共同處于保護(hù)外殼之中，地面天線在保護(hù)外殼外處于地面之上，配合保護(hù)外殼內(nèi)的天線，進(jìn)行地震預(yù)警信息的傳遞，收發(fā)無線電波。無線電波發(fā)射系統(tǒng)保護(hù)外殼內(nèi)的天線、保護(hù)外殼外地面天線與射頻芯片連接，與射頻收發(fā)芯片配合工作，射頻收發(fā)芯片負(fù)責(zé)處理收發(fā)信息。含有地震信息的信號經(jīng)移動通信基站群進(jìn)行傳播，而后城市控制中心電磁波接收系統(tǒng)接收到從移動通信基站群傳來的電磁信號，傳送給接收芯片，經(jīng)過解調(diào)和解碼，得到地震強(qiáng)度信號，分析地震波傳播方向，判斷預(yù)警信號是否為由于人為等因素，最終判斷是否需要向社會發(fā)出預(yù)警信號。 基于地震振動能捕獲自供電的地震預(yù)警系統(tǒng)陣列式的分布在城市周邊地下，以便進(jìn)行多點(diǎn)預(yù)警。當(dāng)城市周邊地下某深處發(fā)生地震后，地震縱波以7-8千米/秒的速度從震中位置傳播到地表，引起地面在垂直方向上振動，此地面在垂直方向上的振動首先由安置在城市周邊的本發(fā)明地震預(yù)警系統(tǒng)的地震振動能捕獲模塊捕獲，并通過振動能發(fā)電系統(tǒng)將振動機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。電能管理單元將振動發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能進(jìn)行整流濾波穩(wěn)壓等流程處理后，為本發(fā)明地震預(yù)警系統(tǒng)的其他模塊供電，并可將多余電能儲存起來，為本發(fā)明地震預(yù)警系統(tǒng)的穩(wěn)定工作提供電能保障。與此同時地震參數(shù)采集模塊中的傳感器可測量出此位置的振動強(qiáng)度，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的地震強(qiáng)度，當(dāng)檢測到的地震強(qiáng)度大于某ー閾值吋，主控系統(tǒng)將啟動無線電波發(fā)射系統(tǒng)，將地震強(qiáng)度信息通過移動通信基站中繼傳輸?shù)匠鞘锌刂浦行?。如果地震?qiáng)度小于某量級，則不啟動發(fā)射系統(tǒng)，但可啟動發(fā)電和電源管理系統(tǒng)工作，將振動能轉(zhuǎn)化為電能并儲存。城市控制中心電磁波接收及報警系統(tǒng)可接收、解調(diào)并識別出多個節(jié)點(diǎn)同時發(fā)出的電磁波，分析地震強(qiáng)度和傳播方向，以及是否為由于人為等因素(如礦山爆破開采等)引起的誤報，并判斷是否需要發(fā)出預(yù)警信號。本發(fā)明的有益效果是由于采用吸收地震波自發(fā)電的振動能發(fā)電結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)的地震監(jiān)測傳感器系統(tǒng)需要外界供電，例如需要專門布線引電或需要頻繁更換電池，而導(dǎo)致其無法在我國的很多地震帯地區(qū)應(yīng)用的缺點(diǎn)。本發(fā)明無需依賴外界電源，吸收地震本身振動機(jī)械能發(fā)電供能，地震未發(fā)生前，可長期“休眠”于地下，地震發(fā)生后，可立即激活エ作，因此可方便分布安置在城市附近的地震帯敏感地區(qū)。


圖I為本發(fā)明地震預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成正視圖；圖2為多種動能摘獲結(jié)構(gòu)的意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例懸臂梁結(jié)構(gòu)振動能捕獲、發(fā)電系統(tǒng)的俯視圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例彈簧-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)振動能捕獲、發(fā)電系統(tǒng)正視圖；圖5為本發(fā)明地震預(yù)警系統(tǒng)電路単元功能示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明做進(jìn)ー步的說明。所述的地震預(yù)警傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成正視圖如圖I所示。本發(fā)明所述的地震預(yù)警傳感器系統(tǒng)埋置于大地I中，所述地震預(yù)警傳感器系統(tǒng)包括圓形或橢圓形抗沖擊和抗腐蝕老化保護(hù)外殼2、地震振動能捕獲模塊4、振動能發(fā)電系統(tǒng)5、固定電路管理単元7的臺面6、電路管理単元7 :包括電能管理単元7-1、主控系統(tǒng)7-2、地震參數(shù)采集模塊7-3、無線電波發(fā)射系統(tǒng)7-4，同時配合置于地面的地面天線3、地面移動通信基站群8、城市控制中心電磁波接收系統(tǒng)9和手機(jī)用戶10共同完成地震預(yù)警。所述的地震振動能捕獲模塊4，振動能發(fā)電系統(tǒng)5，電能管理単元7-1、主控系統(tǒng)7-2、地震參數(shù)采集模塊7-3、無線電波發(fā)射系統(tǒng)7-4均內(nèi)置于圓形或橢圓形抗沖擊和抗腐蝕老化的保護(hù)外殼2之中。地震振動能捕獲模塊4與振動能發(fā)電系統(tǒng)5相連接，振動能發(fā)電系統(tǒng)5的輸出連接至電能管理単元7-1的輸入端，電能管理単元7-1的三個輸出端分別連接主控系統(tǒng)7-2、地震參數(shù)采集模塊7-3及無線電波發(fā)射系統(tǒng)7-4。地震振動能捕獲模塊 4在地震發(fā)生時捕獲地震的振動能，振動能通過振動能發(fā)電系統(tǒng)5進(jìn)行轉(zhuǎn)化成電能，電能信號傳輸給電能管理単元7-1進(jìn)行處理，而后由電能管理単元7-1將電信號輸出給主控系統(tǒng)7-2、地震參數(shù)采集模塊7-3及無線電波發(fā)射系統(tǒng)7-4進(jìn)行供電，包含地震參數(shù)的信號在主控系統(tǒng)7-2與地震參數(shù)采集模塊7-3、地震參數(shù)采集模塊7-3與無線電波發(fā)射系統(tǒng)7-4間相互傳播。地面移動通信基站群8、城市控制中心電磁波接收系統(tǒng)9和手機(jī)用戶10均處于地面之上，地面移動通信基站群8、城市控制中心電磁波接收系統(tǒng)9和手機(jī)用戶之10間通過無線電波傳輸進(jìn)行通信。本發(fā)明地震預(yù)警傳感器系統(tǒng)的工作過程為地震發(fā)生后的縱波，使地震振動能捕獲模塊4及圓形或橢圓形抗沖擊和抗腐蝕老化保護(hù)外殼2和大地I有共同的振動形式，依靠慣性結(jié)構(gòu)自身的非同步振動實(shí)現(xiàn)振動能量的捕獲，捕獲后的振動能量由振動能發(fā)電系統(tǒng)5進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換。主控單元7-2設(shè)置啟動電磁波發(fā)射的閾值，當(dāng)?shù)卣饏?shù)采集模塊7-3采集到的數(shù)據(jù)低于閾值，無需發(fā)射預(yù)警電磁波，此時由電能管理単元7-1輸出的電能不需要提供給后級工作，可儲存于電能管理単元中的儲能器件超級電容器內(nèi)；當(dāng)?shù)卣饏?shù)采集模塊7-3采集到的數(shù)據(jù)高于閾值，采集到的地震強(qiáng)度、地震時間、震源距離等地震波信息被傳送至主控系統(tǒng)7-2，經(jīng)過地面天線3傳送至移動通信基站8，然后經(jīng)基站群傳送至城市控制中心電磁波接收系統(tǒng)9，最終發(fā)送至用戶手機(jī)10。圓形或橢圓形抗沖擊和抗腐蝕老化保護(hù)外殼2埋置于一定深度的土壤中，針對地震波具有很強(qiáng)破壞カ的特點(diǎn)，圓形或橢圓形抗沖擊和抗腐蝕老化保護(hù)外殼2用以保護(hù)整個地震預(yù)警傳感器系統(tǒng)抵御大地的振動破壞和土壌的擠壓沖擊。圓形或橢圓形抗沖擊和抗腐蝕老化保護(hù)外殼2是由高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗腐蝕能力的材料構(gòu)成的球形或橢球形規(guī)則體，其內(nèi)部為一封閉空間，以防止外界的水分滲入導(dǎo)致腐蝕，還要防止外界溫度的變化導(dǎo)致的熱脹冷縮的破壞。為了確保內(nèi)部電磁波可以發(fā)射出來，可以通過電纜線輸出連接至地面天線3。地震預(yù)警傳感器系統(tǒng)的其余部件均置于抗沖擊和抗腐蝕老化保護(hù)外殼2的內(nèi)部封閉空間中。所述的地震振動能捕獲模塊4可以采用多種動能捕獲結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中圖2a為懸臂梁結(jié)構(gòu)a、圖2b為彈簧-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)、圖2c為平面板結(jié)構(gòu)、圖2d為不平衡擺式結(jié)構(gòu)、圖2e為懸垂擺結(jié)構(gòu)、圖2f為倒立桿結(jié)構(gòu)。由于慣性結(jié)構(gòu)本身具有一定的諧振頻率，而地震波的振動頻率為ー不確定值,大約在5赫茲到數(shù)十赫茲范圍內(nèi)。因此，需要將結(jié)構(gòu)自身的諧振頻率設(shè)計在地震振動的中間頻率附近，使其帶寬盡可能的覆蓋全部的地震波振動頻率，也可以采用諧振頻率間隔排列的陣列結(jié)構(gòu)。由于不受體積制約，可以將結(jié)構(gòu)做得足夠大以捕獲足夠的能量，在里氏5級地震條件下，可捕獲200瓦的脈沖功率，6級地震下能捕獲500瓦的脈沖功率。地震振動能捕獲模塊的固定端與圓形或橢圓形抗沖擊和抗腐蝕老化保護(hù)外殼2緊密連接，在地震發(fā)生后，縱波傳到吋，使地震振動能捕獲模塊4及抗沖擊和抗腐蝕老化保護(hù)外殼2和大地有共同的振動形式，依靠慣性結(jié)構(gòu)自身的非同步振動實(shí)現(xiàn)振動能量的捕獲。地震振動能捕獲模塊的固定端要求有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度，防止在振動時或者長時間擱置時產(chǎn)生破壞或蠕變而導(dǎo)致振動裝置失效或諧振頻率漂移。懸臂梁和彈簧采用高彈性模量的線彈性范圍的材料，具有很好的弾性振動效果和較低的阻尼內(nèi)耗。本發(fā)明的地震振動能捕獲模塊和振動能發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)施例采用懸臂梁式結(jié)構(gòu)a和彈簧-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)b兩種形式，工作時兩種結(jié)構(gòu)配合使用，可単獨(dú)或同時進(jìn)行地震振動能捕獲和振動能發(fā)電。如圖3所示為懸臂梁結(jié)構(gòu)的地震振動能捕獲模塊和振動能發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施例。懸臂梁結(jié)構(gòu)的地震振動能捕獲模塊為懸臂梁単元4a，懸臂梁単元4a為一片矩形形狀的懸臂梁，懸臂梁的一端為不產(chǎn)生軸向、垂直位移和轉(zhuǎn)動固定端，固定端將懸臂梁固定于保護(hù)外殼2的內(nèi)壁。懸臂梁的另一端為自由端，所述的自由端可產(chǎn)生與懸臂梁上下表面垂直的運(yùn)動，地震產(chǎn)生的縱波的由懸臂梁捕獲，傳遞到懸臂梁結(jié)構(gòu)的振動能發(fā)電系統(tǒng)5a。所述的懸臂梁結(jié)構(gòu)的振動能發(fā)電系統(tǒng)5a包括壓電材料5-l、U型軟鐵5-2、永磁體5_3和線圈54。所述的壓電材料5-1涂覆在懸臂梁上下表面，U型軟鐵5-2的豎邊粘接在懸臂梁的運(yùn)動端的端部，所述的永磁體5-3靠磁吸力分別粘貼在U型軟鐵的兩個內(nèi)側(cè)橫邊，所述的線圈54固定在永磁體的中心氣隙處。所述的懸臂梁由形狀規(guī)則的片狀彈性材料構(gòu)成，如鈹青銅。懸臂梁結(jié)構(gòu)的振動能發(fā)電系統(tǒng)5a米用壓電式和電磁感應(yīng)式兩種發(fā)電方式。壓電式發(fā)電模式為利用壓電材料的特性利用振動能并使振動能轉(zhuǎn)換為電能。電磁感應(yīng)式為利用線圈切割磁力線的方式產(chǎn)生電能。所述的U型軟鐵5-2和永磁體5-3形成磁路。當(dāng)?shù)卣甬a(chǎn)生的縱波引起懸臂梁振動時，壓電材料5-1可獲得較高的脈沖電壓，但電流較小，線圈5-4中獲得的電壓較低而電流大，壓電材料和線圈中獲得的電能相互補(bǔ)充。線圈和壓電材料產(chǎn)生的電流信號輸出至電能管理単元，通過電能管理単元的整流濾波穩(wěn)壓向主控系統(tǒng)7-2、地震參數(shù)采集模塊7-3及無線電波發(fā)射系統(tǒng)7-4供電。圖4所示為彈簧-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)地震振動能捕獲模塊和振動能發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施例。彈簧ー質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)地震振動能捕獲模塊為彈簧単元4b，彈簧單元4b為螺旋狀的彈簧構(gòu)成，運(yùn)用彈簧進(jìn)行地震振動能的捕獲。所述彈簧沿其軸向垂直于地面放置，彈簧的一端為固定端，固定于保護(hù)外殼2的內(nèi)壁上方，彈簧的另一端為運(yùn)動端。彈簧ー質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)振動能發(fā)電系統(tǒng)5b包括質(zhì)量塊5_a、永磁體5_b和線圈5_c。所述質(zhì)量塊5_a懸掛在彈簧的運(yùn)動端的端部，所述的永磁體5-b和質(zhì)量塊5-a粘接在一起。所述的線圈5-c呈圓管狀，與質(zhì)量塊5-a和永磁體5-b同軸放置。當(dāng)永磁體相對線圈非同步振動時，永磁體沿線圈5-c的軸線方向震蕩，線圈5-c切割磁力線從而產(chǎn)生電流,線圈5-c的電流輸出至電能管理単元。電能管理単元、主控系統(tǒng)、地震參數(shù)采集模塊、無線電波發(fā)射系統(tǒng)集成在電路系統(tǒng)7上。圖5為電路系統(tǒng)7的功能示意圖。圖中實(shí)線表示能量流向，虛線表示信號流向。各電路模塊之間位置布置不受限制。電路系統(tǒng)7緊固在與外殼2—體的臺面6上。振動能發(fā)電系統(tǒng)的輸出端連接至電能管理単元7-1的輸入端，電能管理単元7-1的三個輸出端分別連接至主控系統(tǒng)7-2、地震參數(shù)采集模塊7-3和無線波發(fā)射系統(tǒng)7-4。電能管理単元7-1主要包括整流単元、濾波電路、升降壓斬波電路和穩(wěn)壓單元。所述的振動能發(fā)電系統(tǒng)5a、5b中的壓電材料或線圈的電能輸出端連接電能管理単元7-1的整流單元輸入端，整流單元輸出端與濾波電路輸入端相連接，濾波電路輸出端連接升降壓斬波電路的輸入端，斬波電路的輸入端連接穩(wěn)壓單元進(jìn)行穩(wěn)壓輸出，實(shí)現(xiàn)對脈沖電流進(jìn)行整流、濾波、升降壓斬波、穩(wěn)壓處理功能。電能管理単元具有能快速響應(yīng)、自身功耗低、噪聲和波紋抑制能力高等特點(diǎn)，同時具備過壓、過流、過溫和短路保護(hù)功能。當(dāng)?shù)卣鹫鸺壿^小時，振動能發(fā)電系統(tǒng)5a、5b的輸出電壓較低，此時需要由電能管理単元7-1的升降壓斬波電路將 低壓變換為可處理電壓，同時，由于震級較低，無需發(fā)射預(yù)警電磁波，此時不需要向地震參數(shù)采集模塊7-3和無線波發(fā)射系統(tǒng)7-4提供電能，可將電能儲存起來作為電源的緩沖和備份。主控系統(tǒng)7-2由中央處理器和外圍電路組成，中央處理器可以是單片機(jī)或DSP或FPGA等。主控系統(tǒng)7-2的功能是讀取到地震參數(shù)采集模塊7-3采集的地震波信息并進(jìn)行處理；發(fā)送含地震信息的信號給無線電波發(fā)射系統(tǒng)7-4 ;設(shè)置啟動電磁波發(fā)射的閾值；控制電磁脈沖的發(fā)射頻率；發(fā)送信號給電能管理単元7-1，控制電能管理単元7-1中的電子電路的運(yùn)行狀態(tài)，協(xié)調(diào)控制振動能發(fā)電系統(tǒng)、電能管理単元的工作，使其在需要進(jìn)行地震預(yù)警時輸出穩(wěn)定的電能。例如，在小于5級地震時，電能將被儲存，而不流向發(fā)射電路。地震參數(shù)采集模塊7-3的核心器件是地震檢波器、位移傳感器和加速度傳感器，均集成在地震參數(shù)采集模塊中，由電能管理單元輸出的電能供電。工作時由地震檢波器、位移傳感器、加速度傳感器檢測到地震信息，而后結(jié)合信號處理電路，通過高精度低噪聲放大器、濾波器、進(jìn)行信號處理，而后輸出的地震波頻率、振幅、速度地震信息信號可傳輸給電能管理単元、主控系統(tǒng)、無線電波發(fā)射系統(tǒng)。同時，也可以采集壓電發(fā)電模塊的電信號，轉(zhuǎn)換為地震強(qiáng)度信號作為參考。無線電波發(fā)射系統(tǒng)7-4由射頻芯片和無線電波發(fā)射系統(tǒng)的天線配合工作，為了確保無線電波發(fā)射系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確無誤的發(fā)射電磁波信號，而不受地震預(yù)警系統(tǒng)保護(hù)外殼的影響，無線電波發(fā)射系統(tǒng)的天線包括保護(hù)外殼內(nèi)的天線，和保護(hù)外殼外的地面天線。保護(hù)外殼內(nèi)的無線電波發(fā)射系統(tǒng)的天線與射頻芯片共同處于保護(hù)外殼之中，地面天線在保護(hù)外殼外處于地面之上，配合保護(hù)外殼內(nèi)的天線，進(jìn)行地震預(yù)警信息的傳遞，收發(fā)無線電波。無線電波發(fā)射系統(tǒng)保護(hù)外殼內(nèi)的天線、保護(hù)外殼外地面天線與射頻芯片連接，與射頻收發(fā)芯片配合工作，射頻收發(fā)芯片負(fù)責(zé)處理收發(fā)信息。射頻芯片采用移動通信的相關(guān)技術(shù)調(diào)制解調(diào)、編碼解碼，將主控系統(tǒng)處理后的地震波信息震源位置、地震波頻率、振幅、速度等傳播至現(xiàn)有的移動通信基站8，然后再經(jīng)基站群快速、遠(yuǎn)距離中繼傳送至城市控制中心電磁波接收系統(tǒng)9。城市控制中心電磁波接收系統(tǒng)9接收到從移動通信基站群8傳來的電磁信號，傳送給接收芯片，經(jīng)過解調(diào)和解碼，得到地震信息信號，分析地震波傳播方向，同時還要判斷 預(yù)警信號是否為由于人為等因素，如礦山爆破開采等引起的誤報。例如，地震預(yù)警系統(tǒng)為陣列式分布在地下的多個點(diǎn)，如果只有ー個節(jié)點(diǎn)發(fā)出信號，而其它節(jié)點(diǎn)處于靜默狀態(tài)，則可判定為誤報。并最終判斷是否需要向社會發(fā)出預(yù)警信號，如果需要發(fā)送，那么通過移動通信基站群向社會發(fā)出預(yù)警信息，如快速群發(fā)至用戶手機(jī)10上。
權(quán)利要求
1.一種基于地震振動能捕獲自供電的地震預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于所述的地震預(yù)警系統(tǒng)包括地震振動能捕獲模塊(4)、振動能發(fā)電系統(tǒng)(5)、電能管理單元(7-1)、主控系統(tǒng)(7-2)、地震參數(shù)采集模塊(7-3)和無線電波發(fā)射系統(tǒng)(7-4);所述的地震振動能捕獲模塊(4)、振動能發(fā)電系統(tǒng)(5)、電能管理單元(7-1)、主控系統(tǒng)(7-2)、地震參數(shù)采集模塊(7-3)、無線電波發(fā)射系統(tǒng)(7-4)內(nèi)置于圓形或橢圓形保護(hù)外殼(2)內(nèi)，埋置于大地(I)中；所述的地震振動能捕獲模塊(4)與振動能發(fā)電系統(tǒng)(5)相連接，振動能發(fā)電系統(tǒng)(5)的輸出連接至電能管理單元(7-1)的輸入端，電能管理單元(7-1)的三個輸出端分別連接主控系統(tǒng)(7-2)地震參數(shù)采集模塊(7-3)及無線電波發(fā)射系統(tǒng)(7-4);所述的地震振動能捕獲模塊(4)在地震發(fā)生時捕獲地震的振動能，振動能通過振動能發(fā)電系統(tǒng)(5)轉(zhuǎn)化成電能，經(jīng)電能管理單元(7-1)處理后向主控系統(tǒng)(7-2)、地震參數(shù)采集模塊(7-3)及無線電波發(fā)射系統(tǒng)(7-4)供電；地震參數(shù)采集模塊(7-3 )采集地震參數(shù)信號，傳送至主控系統(tǒng)(7-2 )，經(jīng)主控系統(tǒng)(7-2 )處理后，發(fā)送至無線電波發(fā)射系統(tǒng)(7-4)，由無線電波發(fā)射系統(tǒng)(7-4)發(fā)射電磁波信號，經(jīng)地面天線(3)、地面移動通信基站群(8)、城市控制中心電磁波接收系統(tǒng)(9)和手機(jī)用戶(10)之間通信，實(shí)現(xiàn)地震預(yù)報。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的地震預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于采用懸臂梁結(jié)構(gòu)的所述的地震振動能捕獲模塊為懸臂梁單元(4a)，所述的懸臂梁單元(4a)為一片矩形的懸臂梁；所述懸臂梁的一端為固定端，固定端將所述的懸臂梁固定于保護(hù)外殼(2)的內(nèi)壁；所述懸臂梁的另一端為自由端，所述的自由端產(chǎn)生與懸臂梁上下表面垂直的運(yùn)動；采用懸臂梁結(jié)構(gòu)的所述振動能發(fā)電系統(tǒng)(5a)包括壓電材料(5-1)、U型軟鐵(5-2)、永磁體(5_3)和線圈(5_4);所述的壓電材料(5-1)涂覆在懸臂梁上下表面，所述的U型軟鐵(5-2)的豎邊粘接在所述懸臂梁運(yùn)動端的端部，所述的永磁體(5-3)依靠磁吸力分別粘貼在U型軟鐵的兩個內(nèi)側(cè)橫邊，所述的線圈(5-4)固定在永磁體的中心氣隙處。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的地震預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于采用彈簧-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的所述地震振動能捕獲模塊為彈簧單元(4b)，彈簧單元(4b)為螺旋狀的彈簧構(gòu)成；所述彈簧沿其軸向垂直于地面放置，彈簧的一端為固定端，固定于保護(hù)外殼(2)的內(nèi)壁上方，彈簧的另一端為運(yùn)動端；采用彈簧-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的振動能發(fā)電系統(tǒng)(5b)包括質(zhì)量塊(5-a)、永磁體(5-b)和線圈(5-c);所述質(zhì)量塊(5-a)懸掛在彈簧的運(yùn)動端的端部，所述的永磁體(5b)和質(zhì)量塊(5-a)粘接在一起；所述的線圈(5-c)呈圓管狀，與質(zhì)量塊(5-a)和永磁體(5-b)同軸放置；當(dāng)永磁體相對線圈非同步振動時，永磁體沿線圈(5-c)的軸線方向震蕩，線圈(5-c)切割磁力線產(chǎn)生電流，線圈(5-c)的電流輸出至所述的電能管理單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的地震預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于采用懸臂梁結(jié)構(gòu)的所述地震振動能捕獲模塊(4a)和采用懸臂梁結(jié)構(gòu)的所述振動能發(fā)電系統(tǒng)(5a)配合使用；采用彈簧一質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的所述地震振動能捕獲模塊(4b)和采用彈簧一質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的振動能發(fā)電系統(tǒng)(5b)配合使用。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的地震預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于所述的地震振動能捕獲模塊采用平面板結(jié)構(gòu)(C)或不平衡擺式結(jié)構(gòu)(d)或懸垂擺結(jié)構(gòu)(e)或倒立桿結(jié)構(gòu)(f)。
全文摘要
一種基于地震振動能捕獲自供電的地震預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)捕獲地震發(fā)生時的振動能，將地震的振動能轉(zhuǎn)化為電能，為地震預(yù)警系統(tǒng)自身的電磁發(fā)射系統(tǒng)供能，電磁發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射出載有地震強(qiáng)度信息的電磁波，使其能夠在地震發(fā)生后，通過現(xiàn)有的移動通信基站群中繼傳輸，發(fā)出預(yù)警信號。
文檔編號G08B21/10GK102855736SQ20121032239
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月3日
發(fā)明者劉國強(qiáng), 李艷紅, 徐路遙, 孫凱 申請人:中國科學(xué)院電工研究所