一種建築物地震預警系統的製作方法

2023-09-20 22:02:05

專利名稱：一種建築物地震預警系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於物理儀器技術領域，涉及一種建築物地震預警系統。
背景技術：
我國處在環太平洋地展帶和歐亞地震帶之間，是世界上地震災害最嚴重
的國家之一。根據國家地震局公布的測量結果，我國在20世紀共發生5級以 上破壞性地震3000多次，平均每年達到30餘次。
地震波引起建築物破壞主要是通過地震力的作用，地震波分為三種，即 縱波(P波)、橫波(S波)、和面波。縱波(P波)其能量比較小，傳播速度 最快；橫波(S波)破壞性較強，前進速度只是縱波(P波)的60%;面波主 要在地表傳播，能量最大，對築物破壞最為強烈，但面波比縱波(P波)和 橫波(S波)傳播速度要慢很多。各種地震波的傳播速度和破壞能力的差異， 為做出地震預警帶來了可能。
縱波地震力使建築物上下顛簸，破壞力相對較小，主要是引起建築物的 縱向結構鬆動。隨後橫波地震力再使建築物發生水平晃動，當慣性和地震力 超過建築物的承載力時，在幾秒鐘內就能使建築物遭受破壞。由於縱波的傳 播速度比橫波快，所以人們在遭遇地震時總是感覺到"先顛後晃"。
目前，日本、土耳其、美國加州部分地區、墨西哥和我國臺灣省都已相
繼建立了地震預警系統， 一些系統也己經過地震考驗，並積累了經驗。尤其 是日本，很早以前就將地震預警系統運用在新幹線的安全管理方面。中國目 前還沒有建立起這套預警系統。目前地震預警理論分為兩種， 一種是異地震前預警系統，即將地震計安 置在震源區，以此對更遠距離的震災區進行預警。另一種是現地地震預警系 統，即在本地，通過先到的P波初始據確定震源參數，從而預警S波和面波 到達本地後的地面破壞情況。地震預警系統由地震監測系統、無線網絡傳輸 通訊系統、中央處理控制系統和對用戶的警報系統4個部分組成。
日本氣象廳所建構的地震速報系統EEW (Earthquake Early Warning)已 經在2007年10月上線，推廣到全日本境內。藉由EEW的預警，可以讓高速 行駛的火車提早減速，避免出軌意外的發生；或是讓運轉中的電梯及早停在 接近的樓層，然後把門打開，避免人員受困。雖然只是短短幾秒鐘的時間， 卻顯得異常珍貴。目前日本的民眾已經可以利用簡單的電子設備或手機，接 收到實時的地震預警。EEW之所以能夠發出預警，主要必須歸功於日本境內 密集分布的地震測站(大約每二十公裡一座)，以及計算機能夠迅速計算出地 震發生地點與震波傳播方向的成就。地震發生時，最早自震源所傳出的P波， 會以每秒大約七公裡的速度前進；同時間傳出的S波，則是以每秒大約四公 裡的速度前進。S波前進的速度雖慢，但其震幅卻往往是P波的三至十倍， 危害甚巨。因此EEW便是根據較早到達的P波計算地震參數，然後針對S 波的到達提出預警，以避免較大的災禍發生。
但是該系統非常複雜，採用遠程無線通信傳輸受地震發生時產生的電磁 波千擾很大，影響報警信號的準確傳輸，如果地震損壞通信設備，信號根本 無法傳輸出去。該系統採用綜合網絡數據運算後發出報警耽誤了寶貴的預警 時間。另外，該系統報警終端選擇的是電視、收音機等手段，面向服務的人 群有限，大量工作的人們在建築物裡工作，根本沒辦法看到或收到報警信號。

發明內容
本發明提出一種建築物地震預警系統，該系統的微加速度傳感器固定在 建築相關位置，當建築發生晃動或振動時，微加速度傳感器也會相應發生振 動或晃動，通過數據採集終端將獲得的加速度傳感器的加速度數據轉換成位 移數據，如果監測到有地震的縱波傳來，然後將這些位移數據通過GSM無 線網絡傳輸簡訊方式發送到監控主站中或其它地方的地震報警系統，聲光報 警系統啟動。
胡錦濤主席在2008年6月23日舉行的中國科學院第十四次、中國工程 院第九次院士大會上強調要抓好自然災害預測預報的技術研究，加強自然災 害監測和預警能力建設，構建自然災害立體監測體系。本系統根據不同距離 能夠為人們逃生或採取緊急措施贏得寶貴的幾秒到幾十秒的時間，在國內外 缺乏提前預報地震的技術能力的情況下，只要能在地震搖晃發生後迅即發布 地震預警或報警，就能為震中之外地方的人們贏得些許寶貴的逃生時間，也 就能在一定程度上降低地震的損害程度。特別是在晚上發生地震時候，從睡 夢中把人們驚醒並進行逃生是很有必要的。
本系統採用加速度傳感器在線監測建築物晃動，只需要安裝該傳感器在 建築物頂層外部，方便簡單，成本低廉。利用加速度傳感器監測建築物晃動 的方法的最大優點是通過固定在建築物頂層上的加速度傳感器來在線監測樓 層晃動狀況，並通過G S M無線網絡傳輸把加速度傳感器獲得的晃動數據傳 至監控中心報警或者通過大樓布置有線報警器直接報警，可方便、快捷、直 觀的達到在線監測的目的，同時以最快的速度通知大樓人員地震，達到快速 警示和快速通知人們進行相關防護。建築地震晃動在線監測系統要求準確及時地將正在發生的建築晃動信息 檢測並上報給相關部門或人員。其中準確性要求系統能識別建築晃動行為發 生的物理特徵，並不與其他行為產生的物理特徵混淆；及時性要求系統能及 時可靠的將信息上傳。
長期以來，人們在測量物體振動或晃動時往往需要類似激震器、振動臺、 測力傳感器、測阻抗傳感器、傳統加速度傳感器(主要用於軍事)等激振設 備和測振設備。這些設備要麼過於複雜，要麼過於昂貴，不能被廣泛的應用
到人民的日常生活中去。但21世紀以來，隨著微電機系統(Microelectronic Mechanical Systems,MEMS)技術的迅猛發展，市場出現了各類可以民用的微 型傳感器。其中，微加速度傳感器就是一類典型的MEMS微傳感器，是慣性 器件的一個重要分支。微加速度傳感器具有完全自主式、保密性強(在軍事應 用領域尤為重要)、不存在信號的電磁幹擾、全天候、機動靈活等傳統加速度 傳感器的特點；同時，它又具有傳統加速度傳感器所無法比擬的優點尺寸 小、重量輕、成本低、功耗小、壽命長、可靠性高、動態範圍寬、響應速度 快和便於安裝調試等。
本系統選用的微加速度傳感器器件具有的體積小、重量輕、成本低、可 靠性高、精度適中等特點，從對實際的高層建築晃動情況研究出發，來研究 利用加速度計組成的高層建築晃動在線監測系統。當物體開始振動或晃動時， 該物體會產生加速度。利用加速度傳感器，我們可以輕鬆獲得物體在X、 Y、 Z三個方向的加速度數據(和加速度成正比的電壓數據)，對加速度數據進行 積分我們可獲得速度數據；對加速度數據進行二重積分即可得到物體的位移 數據。通過位移數據，我們就可以知道物體晃動或振動的振幅。本系統的特色(1)工程造價極低，不需要敷設管道和特殊建築構造。 (2)安裝維護方便，拆裝容易。(3)系統體積小不影響建築外觀。(4)成本 低，用戶容易接受。(5)新建高樓和舊樓均適合使用。(6)利用了地震S波
和P波的時間差進行報警。(7)直接將地震報警信號通過聲光報警，及時通 知每棟建築物裡面的人。(8)通過就地的P波判斷S波的破壞力發出報警，
比異地和網絡綜合處理後報警節省了時間，也減少了因為地震通訊中斷和產
生的強烈地磁波幹擾而報警信號傳送不到的弊端。(9)系統具有抗電磁幹擾、 爆破幹擾等能力。本發明可以在我國主要地區建立起這套地震預警系統，構 建成自然災害立體監測體系。


圖1為建築物地震預警系統原理框圖，
圖2為報警器系統原理框圖，
圖3為監控系統框圖，
圖4為採集的實驗晃動加速度圖形
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步的說明
該系統採用加速度傳感器實時測量樓層晃動的加速度和樓層傾角變化數 據，利用G S M簡訊通信方式無線傳輸這些數據到監控終端或直接通過微處
理器進行識別後傳到樓層內部進行聲光報警，從而實現對建築物地震震動的預警。
我們把微加速度傳感器固定在建築相關位置。當建築發生晃動或振動時， 加速度傳感器也會相應發生振動或晃動。通過數據採集終端將獲得的加速度 傳感器的加速度數據轉換(二重積分)成位移數據。如果監測到有地震的縱波傳來，大樓內部的聲光報警啟動，通知相關的人員進行緊急逃生，然後將 這些位移數據通過G S M簡訊方式發送到監控主站中或其它地方的地震報警
系統，利用無線通信傳播速度比地震波傳播速度快的特點，為地震發生震中 附近的地方提供地震預警，贏得寶貴的逃生時間。利用監控主站上位機中相 關的軟體分析，當晃動振幅超過安全值時，該系統能自動發出預警並上報給 相關部門與人員。
在整個系統應用到現場時，由於周圍環境輸電線路的可能存在，因此將 可能會有較強的電磁幹擾存在。要想讓系統在惡劣的電磁環境下正常工作， 抗幹擾措施就顯的尤為重要。本系統採取以下抗幹擾措施
(1) 電路板外面加裝金屬盒子。通過加裝金屬盒子的辦法可以有效抵抗 電磁幹擾，因此本系統的所有電路板都加裝了金屬外殼。
(2) 傳輸導線屏蔽。我們將採用將周圍可能存在的電纜外套以金屬屏蔽 管、管壁接地，即採用雙層屏蔽的方法。
本系統根據不同距離能夠為人們逃生或採取緊急措施贏得寶貴的幾秒到 幾十秒的時間，利用這段時間，可以讓一些人躲到開闊地帶，讓在校學生躲 入牆腳；可以讓高速火車停靠，避免脫軌；可以讓高速公路上的汽車有所準 備，減少碰撞的發生；可以讓高層作業的清潔工人進入屋內避難；可以讓手 術室的醫生作出應對；可以停止危險品生產。更重要的是，政府可以通過自 動裝置，將煤氣、電、水的總供應暫停，避免火災等次生災害發生。
本發明尺寸小、重量輕、成本低、功耗小、壽命長、可靠性高、動態範 圍寬、響應速度快和便於安裝調試等，可以在我國主要地區建立起這套地震 預警系統，構建成自然災害立體監測體系。
權利要求
1、一種建築物地震預警系統，主要有微加速度傳感器、GSM無線網絡傳輸和聲光報警系統，其特徵在於微加速度傳感器固定在建築相關位置，當建築發生晃動或振動時，微加速度傳感器也會相應發生振動或晃動，通過數據採集終端將獲得的加速度傳感器的加速度數據轉換成位移數據，如果監測到有地震的縱波傳來，然後將這些位移數據通過GSM無線網絡傳輸簡訊方式發送到監控主站中或其它地方的地震報警系統，聲光報警系統啟動。
2、 根據權利要求1所述建築物地震預警系統，其特徵在於電路板外面加裝金屬盒子。
3、 根據權利要求1所述建築物地震預警系統，其特徵在於電纜外套以 金屬屏蔽管、管壁接地，傳輸導線屏蔽。
全文摘要
本發明屬於物理儀器技術領域，涉及一種建築物地震預警系統。微加速度傳感器固定在建築相關位置，當建築發生晃動或振動時，微加速度傳感器也會相應發生振動或晃動，通過數據採集終端將獲得的加速度傳感器的加速度數據轉換成位移數據，如果監測到有地震的縱波傳來，然後將這些位移數據通過GSM無線網絡傳輸簡訊方式發送到監控主站中或其它地方的地震報警系統，聲光報警系統啟動。本發明尺寸小、重量輕、成本低、功耗小、壽命長、可靠性高、動態範圍寬、響應速度快和便於安裝調試等，可以在我國主要地區建立起這套地震預警系統，構建成自然災害立體監測體系。
文檔編號G01V1/16GK101625416SQ20081006994
公開日2010年1月13日 申請日期2008年7月8日 優先權日2008年7月8日
發明者勇 何, 張紅川, 革 徐, 石小波 申請人:中冶賽迪工程技術股份有限公司