谈谈机理地震信号检测新机理研究学生
最后更新时间：2024-03-01
作者：用户投稿
本站原创
点赞:14264
浏览:59937
本站原创
点赞:14264
浏览:59937
论文导读：
摘 要： 从普通磁电式速度传感器在地震信号检测时的先天不足和固有缺陷出发，提出了一种基于磁阻尼的超低频绝对振动检测机理。并以单片机为核心，硬件和软件结合，智能化处理数据，检测出低频地震信号，在地震检测与预警方面有一定实用价值。
关键词： 超低频振动检测； 地震信号； 磁电式速度传感器； 信号分析
1004?373X（2013）21?0111?02
0 引 言
地震波动相对于惯性空间是没有静止参考点（即基准）的。其振动频率低，属于超低频（1 Hz及以下）绝对振动的范畴。就目前用于低频绝对振动测量惯性式（磁电式）速度传感器由于机械结构上的限制，只能检测频率在5 Hz及以上的信号，因此地震前兆信号的检测也就成了一个难题。
针对磁电式速度传感器存在的缺陷，笔者提出一种全新的基于磁阻尼的超低频绝对振动检测的地震式低频传感器，此传感器体积小、质量轻，具有较高的灵敏度。并以单片机为核心，智能化处理数据，能很好的完成地震低频振动信号的测量分析工作。
1 磁电式速度传感器的力学模型和固有缺陷
磁电式速度传感器其力学模型可简化为一个弹性系数为[k]的弹簧K、质量为[m]的惯性质量块M和阻尼C三部分组成的单自由度系统，如图1所示。
该系统的机械固有角频率：
[ω0=2πf0=km] （1）
由式（1）可知，减少弹簧的弹性系数[k]和增大质量块的质量[m，]可降低传感器的固有频率[f0。]但这将导致弹簧受质量块作用的静伸长大大增加。若减小[k，]则弹簧K难以支撑质量块M，经过运输颠簸或长时间运作后，弹簧可能产生形变，改变系统原有参数，难以调回原来状态，从而对测量带来误差。若增大质量块的质量[m，]则会使传感器变的笨重和庞大，对运输安装传感器都带来麻烦。在重力场中弹簧的位移[y]与重力、弹性系数的关系为：
式中：[g]为重力加速度常数。由该式中不难看出，若[f0=]1 Hz，则弹簧的静伸长[y=]25 cm。这样一来传感器重量和体积均显著增大，而且当被测物体较小时，将影响被测物体的质量，最终影响测量精度。即使[f0]取5 Hz，惯性质量块与壳体间的相对位移已达近1 cm，这已是很不容易的事了。因此要直接检测超低频绝对振动，磁电式速度传感器有其机械结构上的先天不足。
2 新型地震式低频传感器原理
新型地震式低频传感器是用永久性磁铁和线圈代替原来的机械阻尼来工作，克服了磁电式速度传感器机械结构上的固有缺陷，又具有测量低频振动的性能。
其力学模型如图2所示。
两块磁铁分别产生一个磁极强度为[B1，B2]的磁场，质量块M上绕有线圈，当质量块M运动时，线圈将会做切割磁感线运动，产生电流。以质量块M的中心处作为平衡位置，当质量块M运动时偏离平衡位置的位移为[Δx，]又永久性磁铁与平衡位置的距离分别为[r1，r2，]对质量块M进行受力分析如下：[μ0B1B24π（r1+Δx）2-μ0B1B24π（r2-Δx）2-mg=0] （3）
式中[μ0]为常数。
质量块M的大小与磁铁间的距离是成平方倍变化的，这就很好的解决了传感器质量和体积增大的问题，而且在磁场中，由于楞次定律，系统就避免一些不正常的振动带来的误差，性能稳定性增加。基于磁阻尼的超低频绝对振动检测的机理更好的解决了磁电式速度传感器的固有缺陷。
3 系统整体设计
系统工作原理如图3所示。
系统按功能划分为3个模块，即新型地震式低频传感器模块、振动信号优化模块、单片机系统模块。
传感器模块是仪器的创新点重点，新型地震式低频传感器性能稳定，精度高。用于采集超低频微弱的地震振动小信号。
振动信号优化模块用于整形滤波、零位自校、增益自校功能，以便电压电平与A/D输入相匹配。选用高阶低通滤波器，以减小相位非线性引起的波形失真。采用光电耦合器件以消除数字电路给模拟电路带来的干扰。
单片机系统模块是仪器的主板，完成数据的存储和处理。由于新型传感器把系统原来的线性变化变成了非线性变化，给测量带来了困难。所以采用单片机处理数据，将这种非线性的变化线性化，从而实现将非电量转换成电信号输出，测量即可。
此检测机理还有另一种优势。磁电式速度传感器只能做单一的振动，而这里可以研究质量块的水平运动，使应用更加广泛。
4 结 语
以新型地论文导读：余水宝，李鸣华，吕振洪.磁电式绝对振动速度传感器频响展宽研究.浙江师范大学学报：自然科学版，1999，22（1）：23?28.朱林生，任德官，余水宝.一种超低频绝对振动信号参数检测的实现方法.计算机测量与控制，2004，12（2）：114?116.陈科山，崔兴斌，陶冬，等.基于虚拟仪器的振动信号采集与处理系统.现代电子技术，2011，34（22）：144?
震式低频传感器为核心，用单片机智能化处理数据的地震信号检测机理有以下特点：
采用新型传感器解决了原有传感器的机械固有缺陷，更扩展了地震波低频测量范围，低频测量下限可达0.2～0.5 Hz；
通过单片机将传感器信号非线性的变化线性化，从而实现将非电量转换成电信号输出；
具有零位自校、增益自校功能，提高了数据采集精度；
可对地震振动进行监测和分析，在地震检测与预警方面有一定实用价值。
参考文献
余水宝.基于选频补偿的磁电式速度传感器频响展宽研究[J].传感技术学报，1999，22（1）：22?26.
余水宝.超低频绝对振动传感器传递函数优化技术研究[J].仪器仪表学报，2006，27（8）：940?942.
[3] 刘迎春，杨立志，严普强.基于单片机的低频绝对振动测量分析仪[J].传感器技术，2000，19（6）：37?39.
[4] 余水宝，李鸣华，吕振洪.磁电式绝对振动速度传感器频响展宽研究[J].浙江师范大学学报：自然科学版，1999，22（1）：23?28.
[5] 朱林生，任德官，余水宝.一种超低频绝对振动信号参数检测的实现方法[J].计算机测量与控制，2004，12（2）：114?116.
[6] 陈科山，崔兴斌， 陶冬，等.基于虚拟仪器的振动信号采集与处理系统[J].现代电子技术，2011，34（22）：144?14
摘 要： 从普通磁电式速度传感器在地震信号检测时的先天不足和固有缺陷出发，提出了一种基于磁阻尼的超低频绝对振动检测机理。并以单片机为核心，硬件和软件结合，智能化处理数据，检测出低频地震信号，在地震检测与预警方面有一定实用价值。
关键词： 超低频振动检测； 地震信号； 磁电式速度传感器； 信号分析
1004?373X（2013）21?0111?02
0 引 言
地震波动相对于惯性空间是没有静止参考点（即基准）的。其振动频率低，属于超低频（1 Hz及以下）绝对振动的范畴。就目前用于低频绝对振动测量惯性式（磁电式）速度传感器由于机械结构上的限制，只能检测频率在5 Hz及以上的信号，因此地震前兆信号的检测也就成了一个难题。
针对磁电式速度传感器存在的缺陷，笔者提出一种全新的基于磁阻尼的超低频绝对振动检测的地震式低频传感器，此传感器体积小、质量轻，具有较高的灵敏度。并以单片机为核心，智能化处理数据，能很好的完成地震低频振动信号的测量分析工作。
1 磁电式速度传感器的力学模型和固有缺陷
磁电式速度传感器其力学模型可简化为一个弹性系数为[k]的弹簧K、质量为[m]的惯性质量块M和阻尼C三部分组成的单自由度系统，如图1所示。
该系统的机械固有角频率：
[ω0=2πf0=km] （1）
由式（1）可知，减少弹簧的弹性系数[k]和增大质量块的质量[m，]可降低传感器的固有频率[f0。]但这将导致弹簧受质量块作用的静伸长大大增加。若减小[k，]则弹簧K难以支撑质量块M，经过运输颠簸或长时间运作后，弹簧可能产生形变，改变系统原有参数，难以调回原来状态，从而对测量带来误差。若增大质量块的质量[m，]则会使传感器变的笨重和庞大，对运输安装传感器都带来麻烦。在重力场中弹簧的位移[y]与重力、弹性系数的关系为：
式中：[g]为重力加速度常数。由该式中不难看出，若[f0=]1 Hz，则弹簧的静伸长[y=]25 cm。这样一来传感器重量和体积均显著增大，而且当被测物体较小时，将影响被测物体的质量，最终影响测量精度。即使[f0]取5 Hz，惯性质量块与壳体间的相对位移已达近1 cm，这已是很不容易的事了。因此要直接检测超低频绝对振动，磁电式速度传感器有其机械结构上的先天不足。
2 新型地震式低频传感器原理
新型地震式低频传感器是用永久性磁铁和线圈代替原来的机械阻尼来工作，克服了磁电式速度传感器机械结构上的固有缺陷，又具有测量低频振动的性能。
其力学模型如图2所示。
两块磁铁分别产生一个磁极强度为[B1，B2]的磁场，质量块M上绕有线圈，当质量块M运动时，线圈将会做切割磁感线运动，产生电流。以质量块M的中心处作为平衡位置，当质量块M运动时偏离平衡位置的位移为[Δx，]又永久性磁铁与平衡位置的距离分别为[r1，r2，]对质量块M进行受力分析如下：[μ0B1B24π（r1+Δx）2-μ0B1B24π（r2-Δx）2-mg=0] （3）
式中[μ0]为常数。
质量块M的大小与磁铁间的距离是成平方倍变化的，这就很好的解决了传感器质量和体积增大的问题，而且在磁场中，由于楞次定律，系统就避免一些不正常的振动带来的误差，性能稳定性增加。基于磁阻尼的超低频绝对振动检测的机理更好的解决了磁电式速度传感器的固有缺陷。
3 系统整体设计
系统工作原理如图3所示。
系统按功能划分为3个模块，即新型地震式低频传感器模块、振动信号优化模块、单片机系统模块。
传感器模块是仪器的创新点重点，新型地震式低频传感器性能稳定，精度高。用于采集超低频微弱的地震振动小信号。
振动信号优化模块用于整形滤波、零位自校、增益自校功能，以便电压电平与A/D输入相匹配。选用高阶低通滤波器，以减小相位非线性引起的波形失真。采用光电耦合器件以消除数字电路给模拟电路带来的干扰。
单片机系统模块是仪器的主板，完成数据的存储和处理。由于新型传感器把系统原来的线性变化变成了非线性变化，给测量带来了困难。所以采用单片机处理数据，将这种非线性的变化线性化，从而实现将非电量转换成电信号输出，测量即可。
此检测机理还有另一种优势。磁电式速度传感器只能做单一的振动，而这里可以研究质量块的水平运动，使应用更加广泛。
4 结 语
以新型地论文导读：余水宝，李鸣华，吕振洪.磁电式绝对振动速度传感器频响展宽研究.浙江师范大学学报：自然科学版，1999，22（1）：23?28.朱林生，任德官，余水宝.一种超低频绝对振动信号参数检测的实现方法.计算机测量与控制，2004，12（2）：114?116.陈科山，崔兴斌，陶冬，等.基于虚拟仪器的振动信号采集与处理系统.现代电子技术，2011，34（22）：144?
震式低频传感器为核心，用单片机智能化处理数据的地震信号检测机理有以下特点：
采用新型传感器解决了原有传感器的机械固有缺陷，更扩展了地震波低频测量范围，低频测量下限可达0.2～0.5 Hz；
通过单片机将传感器信号非线性的变化线性化，从而实现将非电量转换成电信号输出；
具有零位自校、增益自校功能，提高了数据采集精度；
可对地震振动进行监测和分析，在地震检测与预警方面有一定实用价值。
参考文献
余水宝.基于选频补偿的磁电式速度传感器频响展宽研究[J].传感技术学报，1999，22（1）：22?26.
余水宝.超低频绝对振动传感器传递函数优化技术研究[J].仪器仪表学报，2006，27（8）：940?942.
[3] 刘迎春，杨立志，严普强.基于单片机的低频绝对振动测量分析仪[J].传感器技术，2000，19（6）：37?39.
[4] 余水宝，李鸣华，吕振洪.磁电式绝对振动速度传感器频响展宽研究[J].浙江师范大学学报：自然科学版，1999，22（1）：23?28.
[5] 朱林生，任德官，余水宝.一种超低频绝对振动信号参数检测的实现方法[J].计算机测量与控制，2004，12（2）：114?116.
[6] 陈科山，崔兴斌， 陶冬，等.基于虚拟仪器的振动信号采集与处理系统[J].现代电子技术，2011，34（22）：144?14