地震信號(hào)檢測(cè)新機(jī)理研究

摘 要： 從普通磁電式速度傳感器在地震信號(hào)檢測(cè)時(shí)的先天不足和固有缺陷出發(fā)，提出了一種基于磁阻尼的超低頻絕對(duì)振動(dòng)檢測(cè)機(jī)理。并以單片機(jī)為核心，硬件和軟件結(jié)合，智能化處理數(shù)據(jù)，檢測(cè)出低頻地震信號(hào)，在地震檢測(cè)與預(yù)警方面有一定實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 超低頻振動(dòng)檢測(cè)； 地震信號(hào)； 磁電式速度傳感器； 信號(hào)分析

中圖分類號(hào)： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）21?0111?02

0 引 言

地震波動(dòng)相對(duì)于慣性空間是沒(méi)有靜止參考點(diǎn)（即基準(zhǔn)）的。其振動(dòng)頻率低，屬于超低頻（1 Hz及以下）絕對(duì)振動(dòng)的范疇。就目前用于低頻絕對(duì)振動(dòng)測(cè)量慣性式（磁電式）速度傳感器由于機(jī)械結(jié)構(gòu)上的限制，只能檢測(cè)頻率在5 Hz及以上的信號(hào)，因此地震前兆信號(hào)的檢測(cè)也就成了一個(gè)難題。

針對(duì)磁電式速度傳感器存在的缺陷，筆者提出一種全新的基于磁阻尼的超低頻絕對(duì)振動(dòng)檢測(cè)的地震式低頻傳感器，此傳感器體積小、質(zhì)量輕，具有較高的靈敏度。并以單片機(jī)為核心，智能化處理數(shù)據(jù)，能很好的完成地震低頻振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量分析工作。

1 磁電式速度傳感器的力學(xué)模型和固有缺陷

磁電式速度傳感器其力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為一個(gè)彈性系數(shù)為[k]的彈簧K、質(zhì)量為[m]的慣性質(zhì)量塊M和阻尼C三部分組成的單自由度系統(tǒng)，如圖1所示。

該系統(tǒng)的機(jī)械固有角頻率：

[ω0=2πf0=km] （1）

由式（1）可知，減少?gòu)椈傻膹椥韵禂?shù)[k]和增大質(zhì)量塊的質(zhì)量[m，]可降低傳感器的固有頻率[f0。]但這將導(dǎo)致彈簧受質(zhì)量塊作用的靜伸長(zhǎng)大大增加[1]。若減小[k，]則彈簧K難以支撐質(zhì)量塊M，經(jīng)過(guò)運(yùn)輸顛簸或長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作后，彈簧可能產(chǎn)生形變，改變系統(tǒng)原有參數(shù)，難以調(diào)回原來(lái)狀態(tài)，從而對(duì)測(cè)量帶來(lái)誤差。若增大質(zhì)量塊的質(zhì)量[m，]則會(huì)使傳感器變的笨重和龐大，對(duì)運(yùn)輸安裝傳感器都帶來(lái)麻煩。在重力場(chǎng)中彈簧的位移[y]與重力、彈性系數(shù)的關(guān)系為：

式中：[g]為重力加速度常數(shù)。由該式中不難看出，若[f0=]1 Hz，則彈簧的靜伸長(zhǎng)[y=]25 cm。這樣一來(lái)傳感器重量和體積均顯著增大，而且當(dāng)被測(cè)物體較小時(shí)，將影響被測(cè)物體的質(zhì)量，最終影響測(cè)量精度。即使[f0]取5 Hz，慣性質(zhì)量塊與殼體間的相對(duì)位移已達(dá)近1 cm，這已是很不容易的事了[2]。因此要直接檢測(cè)超低頻絕對(duì)振動(dòng)，磁電式速度傳感器有其機(jī)械結(jié)構(gòu)上的先天不足。

2 新型地震式低頻傳感器原理

新型地震式低頻傳感器是用永久性磁鐵和線圈代替原來(lái)的機(jī)械阻尼來(lái)工作，克服了磁電式速度傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)上的固有缺陷，又具有測(cè)量低頻振動(dòng)的性能。

其力學(xué)模型如圖2所示。

兩塊磁鐵分別產(chǎn)生一個(gè)磁極強(qiáng)度為[B1，B2]的磁場(chǎng)，質(zhì)量塊M上繞有線圈，當(dāng)質(zhì)量塊M運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈將會(huì)做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電流。以質(zhì)量塊M的中心處作為平衡位置，當(dāng)質(zhì)量塊M運(yùn)動(dòng)時(shí)偏離平衡位置的位移為[Δx，]又永久性磁鐵與平衡位置的距離分別為[r1，r2，]對(duì)質(zhì)量塊M進(jìn)行受力分析如下：[μ0B1B24π（r1+Δx）2-μ0B1B24π（r2-Δx）2-mg=0] （3）

式中[μ0]為常數(shù)。

質(zhì)量塊M的大小與磁鐵間的距離是成平方倍變化的，這就很好的解決了傳感器質(zhì)量和體積增大的問(wèn)題，而且在磁場(chǎng)中，由于楞次定律，系統(tǒng)就避免一些不正常的振動(dòng)帶來(lái)的誤差，性能穩(wěn)定性增加。基于磁阻尼的超低頻絕對(duì)振動(dòng)檢測(cè)的機(jī)理更好的解決了磁電式速度傳感器的固有缺陷。

3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

系統(tǒng)按功能劃分為3個(gè)模塊，即新型地震式低頻傳感器模塊、振動(dòng)信號(hào)優(yōu)化模塊、單片機(jī)系統(tǒng)模塊。

傳感器模塊是儀器的創(chuàng)新點(diǎn)重點(diǎn)，新型地震式低頻傳感器性能穩(wěn)定，精度高。用于采集超低頻微弱的地震振動(dòng)小信號(hào)。

振動(dòng)信號(hào)優(yōu)化模塊用于整形濾波、零位自校、增益自校功能，以便電壓電平與A/D輸入相匹配。選用高階低通濾波器，以減小相位非線性引起的波形失真。采用光電耦合器件以消除數(shù)字電路給模擬電路帶來(lái)的干擾。

單片機(jī)系統(tǒng)模塊是儀器的主板，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理。由于新型傳感器把系統(tǒng)原來(lái)的線性變化變成了非線性變化，給測(cè)量帶來(lái)了困難。所以采用單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，將這種非線性的變化線性化，從而實(shí)現(xiàn)將非電量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，測(cè)量即可。

此檢測(cè)機(jī)理還有另一種優(yōu)勢(shì)。磁電式速度傳感器只能做單一的振動(dòng)，而這里可以研究質(zhì)量塊的水平運(yùn)動(dòng)，使應(yīng)用更加廣泛。

4 結(jié) 語(yǔ)

以新型地震式低頻傳感器為核心，用單片機(jī)智能化處理數(shù)據(jù)的地震信號(hào)檢測(cè)機(jī)理有以下特點(diǎn)：

采用新型傳感器解決了原有傳感器的機(jī)械固有缺陷，更擴(kuò)展了地震波低頻測(cè)量范圍，低頻測(cè)量下限可達(dá)0.2～0.5 Hz；

通過(guò)單片機(jī)將傳感器信號(hào)非線性的變化線性化，從而實(shí)現(xiàn)將非電量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出；

具有零位自校、增益自校功能，提高了數(shù)據(jù)采集精度；

可對(duì)地震振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，在地震檢測(cè)與預(yù)警方面有一定實(shí)用價(jià)值。

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