【原创】为什么地震可以预警?ADI专家告诉你其中的奥秘

winniewei 提交于 周五, 12/13/2019
【原创】为什么地震可以预警?ADI专家告诉你其中的奥秘

作者:张国斌

2019年6月17日22时55分,距成都240公里,距西昌260多公里外,四川省宜宾市长宁县双河镇发生6级地震,震源深度16千米。川渝多地有震感。地震发生后,四川很多地区的家庭和单位都收到了地震预警。

四川西昌俊波外国语学校提前60秒收到预警,4000多名师生顺利疏散到室外。这所学校政教处主任称,在就寝时听到警报声发出,随后全校师生迅速撤离到安全地点,无人受伤。

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这次地震一个引人注目的事件是地震预警系统的使用,借用这个系统,距震中34公里的宜宾市,提前10秒获得预警,距震中240公里的成都市,提前61秒获得预警。初步统计表明,云南省昭通市、四川省宜宾市、乐山市、凉山州、德阳市、成都市、眉山市、资阳市、雅安市等市的学校发出预警,成都市的180个学校、110个社区收到预警,宜宾市、乐山市、成都市13个区县等开通了广电和互联网电视地震预警的区域发出电视地震预警提示。

地震为什么可以预警?我们来听听ADI专家的解释。

1 传感器立下奇功

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为什么地震可以预警?ADI亚太区微机电产品线总监赵延辉做了解释:地震波(seismic wave)是由地震震源向四处传播的振动,指从震源产生向四周辐射的弹性波。按传播方式可分为纵波(P波)、横波(S波)(纵波和横波均属于体波)和面波(L波)三种类型。P波是推进波,地壳中传播速度为5.5~7千米/秒,最先到达震中,P波是所有地震波里最快的波,因此也会是地震仪第一个记录到的波。因为压缩力在固体、液体中都能存在,因此P波能在固体和液体中传播,它使地面发生上下振动,破坏性较弱。

横波是剪切波:在地壳中的传播速度为3。2~4。0千米/秒,第二个到达震中,又称S波,它使地面发生前后、左右抖动,破坏性较强。面波又称L波,是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。其波长大、振幅强,只能沿地表面传播,造成建筑物强烈破坏。

 

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因为横波传播的快,最先到震中,利用通信网络可以将地震预警发出去,电磁波每秒传输30万公里,而S波每秒4公里左右,可以跑赢地震,不过由于噪声的原因,要做到准确的预报不误报不漏报需要应用大数据来分析。

 

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赵延辉表示如果一个地区大量检测传感器同时检测到震动则可以判断换个地区出现地震,这就是大数据分析带来的好处。

前几天我在参加硬件极客大会的时候,浙江大学计算机学院教授,博士生导师庄越挺就认为目前科学范式已经发展到数据密集型方法,就是基于数据的发现和推断,利用大数据智能可以在很多新领域获得突破,而地震波检测就是一个例子。

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2 智能制造也需要振动传感器

赵延辉表示利振动传感器还可以完成更多检测--就是通过传感器实现机器与我们的对话。

 

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这就是基于条件状态的维护和监测,这是一种新兴智能运营维护的趋势,通过这样的智能监测可以大幅度减少停机时间,并减少高技能维护人员的需求,因此可以大幅度降低维护成本。还可以应用在一些恶劣环境中的机器维护问题例如野外风机、通信设备运维等。

 

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赵延辉表示这需要对设备的振动进行分析,振动分析意味着对频谱进行勘测,以确定轴承、齿轮或润滑是否出现故障。要完成这个测试需要传感器有超低噪声,更高频率运行,并有更高的动态范围。

振动分析常用于旋转机械中,用以检测可能引起振动变化的轴承松动或磨损、设备未对准、液位偏低等。通常,这种振动的频率介于6 kHz到10 kHz。在更高频率也有一些数据可用,但受限于响应幅度而非常难以测量,并且需要超声等成本高昂的技术。

 

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传统上振动检测是通过压电式加速度传感器来完成的,这是一种无源传感器,属于惯性式传感器。利用压电晶体,如石英晶体、压电陶瓷等的“压电效应”:在加速度计感受到振动时,质量块加在压电元件上的力也随之变化。压电晶体受力变形后,其内部会产生极化现象,同时在它的两个表面产生符号相反的电荷,当被测振动频率远低于加速度计的固有频率(谐振频率)时,则力的变化与被测加速度成正比。当外力去除后,又重新恢复到不带电状态,这种现象称为“压电效应”。

而赵延辉表示尽管压电器件拥有成熟的用户但是面向状态监控的MEMS加速计正在被广泛使用,因为毕竟还是有很多缺憾的比如直流响应、耐冲击线性度等等不如MEMS加速计。

 

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他举例说压电传感器在经受100g以上的冲击事件后具有明显的直流偏移,但是MEMS传感器就没有。

与传统压电式加速度传感器(PZT)相比,MEMS具有低频响应性能(可测量0.1 Hz时的1/f);对于风轮机等超低频率机器,需要关注此点(它还支持更快速地从饱和状态恢复),其先进的功能集成和出色的适应能力,在新型监控应用中获得了越来越多的关注。放眼未来,关键性能指标(噪声、带宽和动态范围)的发展,再加上高度的功能集成,必将促使这种趋势继续向前发展。

 

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他指出在这个应用中低噪声和低功耗都不能少,要实现这样的特性除了需要独特的设计外还需要在工艺方面进行优化,”ADI的MEMS传感器都是自己封测,确保了性能的一致性。“他指出。

 

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另外,压电加速度计通常不集成智能特性,而MEMS电容式加速度计(如ADXL100x系列)则集成了超量程检测电路,当发生超过指定g值范围约2倍的严重超量程事件时,该电路可报警。在智能测量和监控系统的开发中,这项功能非常关键。他表示ADI的ADXL100x系列单轴加速度计是一款非常出色的产品,助力智能制造的实现。

ADXL100x系列单轴加速度计针对工业状态监控应用而优化,测量带宽高达50 kHz,g值范围高达±100 g,并且拥有超低的噪声性能——因而在性能方面可与压电加速度计不相上下。

 

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ADXL1001/ADXL1002的频率响应如下图所示。旋转机械中发生的主要故障(如套筒轴承损坏、对准误差、不平衡、摩擦、松动、传动装置故障、轴承磨损和空化)都在ADXL100x系列状态监控加速度计的测量范围以内。

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半导体器件的进步正在造福人类生活,类似地震的这样的预警系统是功德无量的好事,赵延辉表示很多地震预警系统都采用了ADI的传感器,我们也期待这样的器件用于更多本土智能制造领域。(完)

注:本文为原创文章,转载请注明作者及来源

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