智能地震避險器的設計

陳 艷 朱 亮 陳雪文 彭華廈 杜民獻

（湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007）

0 引言

綜合來看，抗震設計的主流為結構設計，而基于建筑結構的設計是抗震設計主角。基于實現地震保護的研究，山東科技大學教授肖林京與濰坊康馨電子科技有限公司、中國地震局工程力學研究所等單位合作研制的“基于睡床的防震抗暴網絡化生命安全保障系統[1]”主要由床體、雙翼型封閉保護裝置、氣動系統、地震傳感裝置、人員監測裝置、控制系統、網絡信息系統、安全保護封閉等部分組成，當系統的地震檢測儀監測確認是地震而且超出設定的地震級別時，預警系統就會發出觸發信號，接通防護系統開關，使雙翼型封閉保護裝置動作把人保護起來，并通過Internet、電話網絡發出報警信息。用戶也可在發現暴力威脅時，通過床頭按鈕手動啟動保護裝置來保護自身安全。

在本項目中，使用到了三軸加速度傳感器電路檢測地震信號，三軸加速度傳感器在機械軸承運行狀態的監測與故障診斷[2]、老年人跌倒監測系統[3]、掘進機懸臂位置檢測等領域應用廣泛。

1 智能地震避險器結構設計

1.1 機械抗壓構架設計

機械抗壓構架擬以高錳鋼（highmanganesesteel，具有高抗壓、強韌性）為主要原料，以三棱柱型單點、雙嵌相似三角形骨架、齒輪結扣連接。三棱柱型的錳鋼材料，可使構架的每一部分抗壓力增強，三棱型的特點是受力的地方每一個點都在一個等邊三角形上，頂點受到的壓力都會分別作用到對邊，這會使材料上每個點的形變量降低，進而使整體結構更穩定，不易在壓力的作用下變形。雙嵌相似三角形骨架，可以使整體在受到巨大物體壓迫時將受力分散，減小對裝置的破壞力，內部的三角形構架可起到保護身體安全的作用。齒輪結扣連接，在裝置觸發后，各節點的連接按一定的角度拼接交口，這種交口連接的最大好處是只能按一個方向收縮，因此大壓力作用于保護構架的一面時不會造成連接點的崩裂。

1.2 控制系統電路結構

控制系統電路由地震監測、主控制器、震級顯示、驅動電路等構成。

2 智能感應的實現

三軸加速度傳感器電路檢測地震信號實現感應源，微處理器分析地震發生的等級做出評估。

通過三軸加速度傳感器檢測地震產生的物理信號，可提前預測地震波，微處理器收集傳感器數據，如震級超過設定的安全震級，主控制系統就會接收到監測裝置的信號，驅動機械抗壓構架彈出。

3 智能地震避險器的智能控制

（1）軟件部分：編寫控制程序，仿真軟件測試性能，繪圖軟件繪制原理圖。

（2）硬件部分：基于微處理器、三軸加速度傳感器、時鐘芯片、模數轉換器、聲音報警、驅動電路等實現電路控制功能，如圖1所示。

圖1 智能地震避險器控制模塊原理圖

4 地震信號采集及處理

地震信號的頻率在0～100kHz之間，而地震信號在傳輸過程中不可避免地會受到噪聲的干擾。我們采用巴特沃思有源濾波電路，地震信號采集需要的三個加速度傳感器相互垂直地組裝在一起，其中豎直方向放置的加速度芯片由于重力加速度的作用會產生一個直流電壓信號輸出，經過前置放大器后會超過信號采集器的電壓范圍，所以需要去直流電路去除直流分量；而其他兩個水平放置的加速度傳感芯片由于不會產生直流電壓信號，所以不需要后繼的這個去直流電路。

地震信號的傳播方向和路徑是不固定的，這就要求設計的地震信號采集系統能夠檢測到空間任意方向的地震信號，要設計出具有這種特點的地震信號采集系統，就需要將三個單分量的地震信號采集系統按照豎直、東西、南北三個相互垂直的方向安裝在一起，構成三分量地震信號采集系統。三分量采集系統能夠檢測到空間任意方向上的地震信號，比單分量信號采集系統更加精準。

我們選擇了1221x-002芯片，該芯片具有較高的低頻響應能力、靈敏度和分辨率。當系統加速度為0時，AOP和AON輸出都是+2.5V；當加速度值為正時AOP的輸出將變大，而AON的輸出將變小；同理加速度值為負時AOP的值將變小，AON的值將變大。AOP和AON的輸出特性曲線是對稱的，這種輸出方式的靈敏度要比單端輸出方式高一倍。

5 機械抗壓構架的實現

機械抗壓構架是以錳鋼材料制成的伸縮折疊架，未展開時以正方形框架一面固定于墻體。在固定墻體的一面有兩個驅動電機，一個驅動電機驅動底部轉軸，另一個電機驅動折疊絞架。當發生地震時控制器會控制驅動底部轉軸電機，電機帶動轉軸迅速將第一層底架逆時針旋轉展開，當底部鋼架平穩后第二電機驅動折疊絞架退出側面鋼架，順時針打開（底部鋼架兩側鋼體上分別有上滑動槽和內側滑動槽，側面鋼架有滑輪在上滑動槽滑動，直到在底部鋼架的卡扣處停止。在側面鋼架滑動的過程中另一個側面鋼架相連的小鋼架沿底部內側滑輪槽滑出，在底部鋼架的卡扣處停止。當側面鋼架被底部鋼架卡槽卡住后側面的鋼架會彈出一個支撐柱卡在底部）。因為打開的鋼架是一個三棱體，真正受力是在兩個側面，而兩個側面的鋼架又是采用三棱體鋼材，受力在棱角，當左側受到壓力時，左側會將壓力分散給右側和左下側的支撐柱，在鋼架的內部形成兩個內三角受力架，從而大大減輕側面的受力負擔。右側與左側的受力分解是一樣的。通過底層鋼架的卡扣、上鉸接點、兩個內三角鋼架的共同作用，抗壓構架的保護承壓能力增強，在受到單方面的壓力時能時刻達到一個內力的平衡。

6 結語

我們應用微處理器電路、結構力學、材料力學設計出了可以實現地震預測、震級顯示、震中保護的多功能地震保護裝置。本產品從生活實際出發，針對生活中切實存在的問題進行研究，運用專業知識進行技術創新，達到了解決問題的目標。該設計起保護作用的機械構架在平常生活時鑲嵌在墻壁上，不占據空間，能自動收縮，只有在地震震級超過安全震級時才會彈出，使用起來簡單便利。

［參考文獻］

[1]肖林京.基于睡床的防震抗暴網絡化生命安全保障系統通過山東省科技廳鑒定[J].山東科技大學學報（自然科學版），2008，27（1）：4.

[2]王輝.基于應變式三軸加速度傳感器的智能軸承設計與實驗研究[D].重慶：重慶大學，2012.

[3]閆俊澤.基于三軸加速度傳感器的老年人跌倒監測系統的開發[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.