专利名称：检测地震生成p波和生成响应控制信号的检测器装置和方法
技术领域：
本发明涉及检测即将来临的地震的装置和方法，更特别地涉及用于区分一般地震震动和被认为是地震预兆的震动的改进的检测器和方法。
背景技术：
每年，世界上的地震都会从伴随的损失结果中直接和间接地造成数以千计的人员死亡，并且导致数十亿美元的建筑物损失。近几年来，地震事件及由其造成的相关破坏和损失的次数和规模都在增加。例如，在1989年摧毁部分旧金山湾区的Loma Prieta地震中，许多损失是由地震发生后的系统故障造成的。除实际地震造成的直接损失外，大量财产损失是由燃气管线破裂和由此引起的燃气火灾、电路火灾以及难以获得水储备等造成的。在许多情况中，应急车辆无法对此类危机作出反应，因为它们在由建筑物的结构性损坏而造成堵塞的车库门和大门之后束手无策。
地震的规模是以里氏震级值的形式测量的。由Charles F.Richter于1935年引入的里氏震级为量化震规模的数值等级——地震规模通常指地区强度，但是对于更大的地震，通常指表面波规模。(当前，通常为大地震分配一个矩震级，其测量类似于而且基于地震矩，并且是对地震能量的一个更好的度量。)由于里氏震级是对数性的，所以非常小的地震(微震)可能具有负的规模。尽管震级没有理论上限，但是给出地壳中的物质强度，地区规模或表面波规模的实际上限仅在9以下(并且矩震级仅在10以下)。
众所周知，当地震发生时，从震源点发出三组波P(纵波)、S(横波)和R(瑞利波)。(还有勒夫波(love wave)；S-波、剪切体波(shear bulk wave)以外的剪切表面波(shear surface wave)。勒夫波的速度在S波和R波之间。)没有破坏性并且人类难以觉察的P波主要是纵向运动波，其传播快于有破坏性的S波和R波。更具体地说，P波是一个压缩体波；粒子运动与波的传播方向平行。其速度在地壳中为5.5km/sec至7.2km/sec，在上层地幔中为7.88.5km/sec至8.5km/sec。由于P波的传播速度是S波的传播速度的两倍，所以它们会更早到达。与地震震源的距离越远，P波和S波的到达时间相差越大。例如，在北美的西海岸，P波的传播速度大约为6.2英里/秒。因此，如果地震发生在大约10英里的深处，并且震中与检测器的距离大约为50英里，则8秒的告警是可能的。当然，明显地如果地震基本上越深、规模越大并且距离越远，则甚至会产生更长时间的告警。根据到震源点的距离，类似于1到25秒之类的通常告警是可能的。
一般而言，P波的自然频率约为5赫兹(Hz)，而S波的频率远远小于P波的频率。S波的振幅远远大于P波的振幅，并且因此，对建筑物造成破坏的波主要是S波。如上所述，与S波相比，P波通常以更快的速率从震源传播到给定地区。因此，P波检测可以在远离震中的给定位置提供S波即将到达的早期告警。
地震检测的一个主要困难涉及检测P波包括的时间因素。正如将被意识到的那样，如果能够尽可能早地检测到P波，则可以提供从建筑物或某个区域撤出所需的时间，从而避免由于S波的到达而造成的潜在人员伤害，如上所述，S波是地质组成传播的主要破坏波。
题目为“Discriminating Earthquake Detector”的美国专利No.5,760,696和题目为“Method and Apparatus For DetectingImpending Earthquakes”的美国专利No.6,356,204，公开了通过检测P波(非破坏性的地震纵波)提供破坏性地震的事前告警的设备和系统。基于先进的检测技术，此类设备可以发出警报和/或启动自动系统响应(ASR)，从而把人员伤亡和财产损失降到最低程度。
现有技术还包括用来测量作为随后S波的预兆的P波的各种检测器和其它配置。然而，在使用现有配置时，不花费大量成本仍很难在与地震震中有一定距离处检测P波。另一个问题是，经常难以分辨伪警报和真实地震，因为无关的局部震动或其它频率对仪器有干扰。因此，需要提供能够区分P波和与地震无关的日常地面以及建筑物震动的检测器。特别地，安装到建筑物上的检测器应该能够区分建筑物结构的自然震动频率和表示P波的频率，其中自然震动频率为该结构的活动。这可以利用信息处理单元来实现，其中信息处理单元存储震动数据，并对其进行编程以便区分经常出现的频率和P波范围内不规律出现的频率。
已经取得该领域专利权的典型现有技术是发明人为Windisch的No.4,689,997的美国专利。该参考文献提供主要采用安装在支架上的直立弹簧倒钩的检测器。在倒钩的另一端上支撑一个连接器，并且通过一个环形弹簧把连接器连接到位于倒钩和连接器同心位置的质量块上。选择弹簧和质量块构件，以使其自然谐振频率与要检测的地震震动或其它震动的频率相符合。提供一个开关电路，以便一旦检测到地震频率就引发警报。Windisch没有提供用于检测地震震动的集成电路机构，而是仅依靠弹簧和质量块形式的机械配置。众所周知，此类系统容易受到温度变动的影响，温度变动可能改变该装置能检测地震频率的点，并且此类系统通常非常精密，因此很难大量安装，并且费用昂贵。另外，Windisch配置似乎并未提供区分简单无关震动和地震测径频率(earthquake caliber frequency)的系统。
在美国专利No.5,101,195中，Caillat等人提供了有辨别力的地震检测器。该配置依靠具有其一端带有预定质量块的悬臂设备的机电组合。在横梁运动(movement of beam)期间，生成一个电信号，然后用该电信号检测P波和S波。与现有技术中的上述检测器类似，该参考文献提供的配置似乎只有有限效用，因为没有提供用于比较地震测径波和诸如交通震动、建筑物中的机械震动和航空器震动之类震动引起的简单无关波的装置。
1991年3月19日发布的发明人为Orlinsky等人的美国专利No.5,001,466提供一种地震检测器，在其的其它变形中使用了导电液开关装置。
然而，仍然需要一种非常精确但价格相对低廉的检测器，以用于准确地测量P波，并且生成用来驱动各种类型的报警器和制动器的信号。
发明内容
简言之，本发明的现有优选实施方式包括一块印刷电路板，其上安装有1到3个按正交方式布置的微型压电传感器，该传感器以悬臂方式运行，作为惯性监控设备；多个放大和滤波电路，用于放大和滤波压电传感器生成的输出；以及一个中央处理单元，响应于经过放大的信号，并且用于生成一个用来驱动视觉和听觉报警器和设备制动系统的输出信号。传感器是由夹在金属化层之间的压电薄膜构成的，并由一端安装在PC板上的小的矩形聚酯片承载。在悬臂的端部附近连接一个小的质量块，以提高该系统的惯性感应能力。
本发明的一个优点是，它包括一个消耗极少电力的小检测器。
本发明的另一个优点是，它提供一个成本相对低的传感器，能够以合理费用将该传感器放置在多个地点。
本发明的另一个优点是，它提供与地震纵波(P波)运动有关的非常准确的检测，并且生成一个输出，可以将该输出传送到作为用于预告即将到达的地震的系统之一部分的远程地点。
通过阅读以附图的多张图说明的优选实施方式的详细说明书，本领域技术人员无疑将了解本发明的这些及其它目的和优点。
图1为示意性说明根据本发明的3轴P波检测器的透视图；图2为说明图1描述的那种类型的压电传感器细节的平面图；图3为示意性说明图1的检测器的一个处理通道的主要构件的电路图；图4为一个流程图，说明了图1所示实施方式描述的CPU的操作；以及图5为一个概括框图，说明本发明在具有伪信号拒绝能力的多检测器、多站系统中的使用。
具体实施例方式
在图1中，10表示根据本发明的检测器组件10，包括1到3个柔性薄膜压电传感器元件，每个元件以悬臂方式运行，作为在空间中任意方向上该设备的对于地震相关的纵波(P波)运动的惯性监控设备，其中任意方向包括沿水平轴X和水平轴Y、垂直轴Z或其任意组合。如果使用多个传感器元件作为单一传感器模块的构件，则使几个元件的感应轴彼此正交，并借助这些元件到单块印刷电路板的连接，或借助其每个把单独安装的传感器连接在相同物理结构(即，承载壁)的独立印刷电路板，元件的支架刚性地紧固在一起，以便作为一个单元移动，并且提供两个或三个地震运动检测的独立坐标轴。
正如图1所示，检测器组件包括一块主印刷电路(PC)板12，其上形成有多个信号线路(signal trace)14，用于在与电路板相连的各种设备构件之间传导电信号。板12上安装有3个压电传感器子组件16、18和20，各自定向来感应在由双箭头22、24和26所示的3个正交方向X、Y和Z上的运动。请注意，尽管直接把子组件16安装到板12上，但是子组件18和20被安装在紧固到主板12上并具有诸如标号32所示的信号线路的从板30和28上，其中通过焊接或合适的机械互连，把该信号线路欧姆连接到线路14。
每个传感器子组件16、18和20的内部为薄膜悬臂压电传感器元件34，元件34具有一对连接器引脚36，将其安装在关联板上，用于以悬臂方式支撑，并且电连接关联传感器元件到安装组件的板上。根据本发明，每个传感器元件中包括的压电薄膜的厚度约为28um，长度约为16mm，宽度约为12mm，并且形成下文将更详细描述的分层传感器的有源部分。使用这些尺寸和材料类型的重要性不在于其确切值，而在于当为了使灵敏度最大化(即，增加信噪比)而将其与小的质量块组合时产生的系数的平衡和相互作用，同时使P波运动信号响应在感兴趣的频带内尽可能扁平，并也使检测波段内的信号振铃(由传感器材料的回弹性质造成的)为最小。商业上可用的类似于这里描述的传感器元件包括由宾夕法尼亚州Norristown的Measurement Specialties，Inc.生产的LDTM和更新的LDTC类型的传感器。根据本发明，把一个小的质量块38附加到悬臂安装的传感器元件的端部，以提高装置的加速度/惯性感应能力。以下将论述传感器构造的更多细节。请注意，把每个压电传感器封装在一个小的密封塑料壳内，该壳允许感应地震运动所需的运动，并把传感器与能产生信号噪声的空气温度和低强度的空气流动的变动隔离开来，信号噪声会不利地影响并干扰与实际地震有关的运动读数。
同时，板12上安装有多个缓冲放大器40和多个放大器/滤波器单元42，缓冲放大器40用于通过信号线路14接收由压电传感器生成的电输出信号，放大器/滤波器单元42包括模拟低通和高通滤波器。把单元42输出的信号输入到处理该信号的中央处理单元(CPU)44，并且如果检测到合适振幅的P波时，则生成输出信号，以用于驱动音频报警器46，或视频报警器48，和/或通过线路50驱动一个或更多外部制动器。传感器和信号处理组件被包含在虚线52所示的连接在板12上的合适外壳之内。
现在转到附图的图2，该图说明图1中标号34描述的类型的压电传感器的细节。正如指出的那样，传感器包括夹在金属化(伏贴银墨或溅射镍铜合金)层62和64之间的压电材料薄膜60(厚度通常为28um或52um)。把这三层依次设置到绝缘塑料(氨基甲酸乙酯)涂层66和68之间。由于传感器非常柔软，因此当希望在弯曲模式中使用时，必须把包括压电薄膜在内的这几层材料连接到某种类型的刚性元件上。因此，将这几层层压为0.0025英寸(125um)的聚酯片或聚酯层69，其长度约为25mm，宽度约为16mm。该层加强了悬臂结构，以便静止时柔性的分层传感器将位于由支撑引脚65和67的位置所确定的平面上。并且由于压电薄膜现在被设置在新的分层薄板的中轴上，所以除了经受弯曲应变之外，薄膜会在分层薄板弯曲时经受轻微的拉伸和压缩，并且将因此与没有把压电材料压到聚酯层69时薄膜经受简单弯曲应变的情况相比，将产生更高的电压输出。请注意，下面的金属化层62包括延伸部分63，而上面的金属化层64包括延伸部分61。利用具有焊接接头70的连接器引脚65和67实现到金属化层62和64的电连接，推动接头70分别通过分层薄片延伸部分61和63，然后卷压到其上。为确保引脚和金属化层之间的良好欧姆连接，通常在卷压接头上施用焊料。在传感器的相对端，利用一颗0.1gm重的铆钉74，把一对圆柱形状的1.2g的重物72分别紧固到分层薄片的顶部和底部。组合重物的质量重心与该分层薄片的对接端76的距离为21mm。
因此这样可以理解，通过利用引脚65-67到板的刚性连接，把传感器组件安装到PC板上，沿铆钉74的轴向(即，分层薄片表平面的法线方向)板的运动将倾向于弯曲悬臂分层薄片，由此给压电材料加压，并产生与感应应变成比例的穿过引脚65-67的电势。
在附图的图3中，给出一个简化示意图，表示响应图1描述的三个坐标轴中的一个坐标轴方向的运动的传感器电路。由于少量电荷(在微微库伦范围内)，和通过弯曲压电传感器而产生并转换为电压的非常小的电流(毫安培)的缘故，该电路的感应部分需要使用具有非常高的输入阻抗，至少为100兆欧的放大器/缓冲器，和一个非常大的偏压电阻器。如上所述，本发明使用柔性的压电传感器连同一个非常大的接地电阻，该传感器与具有很高阻抗的功率放大器的输入串联。压电传感器本身连同电阻器一起作为模拟高通(～0.5Hz或更高)滤波器，转角频率(～3dB点)在可能的地震纵波频率的下限(约0.5Hz)。
在图3的示意电路中，示出了X传感器16与一个非常大的偏压电阻器R1跨接，R1的电阻值超过10兆欧。从传感器流过电阻的电流提供用于输入放大器/缓冲器40的成比例电压。使用模拟低通(0～15Hz)和高通(～0.5Hz以上)滤波器42进一步放大并滤波在41处生成的合成输出信号，并且然后在43处被输入到CPU44的三个输入端中的一个输入端，以便按下述方式实时采样和处理。
CPU44使用单极性电压源，但是读取来自运动传感器的输入作为交流电(AC)实时信号。为了使测量尽可能准确，并且还为了使输入范围上的分辨率最大化，CPU在一个扩展的时间范围上监控检测器输入。依据该数据，CPU从输入信号的非运动部分中分离出任何运动，计算平均信号值，并且将其设置为用于未来检测器读数的实时更新的AC零点偏移。零点是实时更新的，以解决随时间变化的甚低频电压偏移波动，例如温度变化，或电池电压降。
在45处为输入提供了诸如按钮、计算机软件接口和/或远程编程装置之类的简单装置，以允许修改可调整的地面加速度和功率谱密度输出触发电平，以及内部数字信号处理过滤器的值，系统使用上述数值确定是否有即将来临的地震出现。该输入(a)允许在制造商测试期间进行精确调整，以及(b)方便定制触发电平以适应客户请求和/或不同地理位置和地震带。
为了保持信号振幅精度独立于随时间变化的电池电压降，该设备需要一个电压基准，其中上述电压降将影响CPU的内部模拟数字转换器的分辨率。优选实施方式的CPU使用红色发光二极管(LED)54作为简单、廉价的电压基准，也可以用其它更标准的电压基准代替。基准值依赖于所使用的二极管的类型/颜色。在这种情况下，一个标准的红色二极管提供约1.5V的基准电压，用于校准CPU的模拟数字输入。LED也可作为电路的视觉上的“接通指示器”，并作为用于设置单元的灵敏度的编程反馈源。该电路包括与LED54串联的电阻器R2，和与LED54并联的一个小电容器C。当LED加电时，对电容器C进行充电，到达LED的固有电压降。当根据通过LED/电容器对的电压进行基准测量时，在一个非常短的时段内(即，在通过电容器的电压放电之前)翻转CPU的输出为输入。需要该固定的电压基准以保持信号振幅精度独立于随时间变化的电池电压降，电池电压降将影响CPU的内部模拟数字转换器的分辨率。
现在参照图4，该图为一个流程图，说明由CPU为各个正交通道执行的各种处理步骤，在系统加电以及系统软件导入并且置位后，在引入的经过放大和部分滤波的信号上执行实时数字信号处理。正如上面指出的那样，该处理包括自动实时偏移调零，如步骤80所示，多级低通数字滤波(82)，以及数字积分(84)，其中数字积分保持前几秒的输入读数的持续计算的和，并在几秒内没有信号活动之后使和降为零。实时自动偏移调零的实现方法为以持续的方式在一个较长时段(大于10秒)内计算信号的平均值，然后把这个持续计算的平均值作为零点。
然后用两种不同模式(或两种模式的组合)实时测试用数字方式处理的信号，如步骤86所示，以查看是否感应到地震P波。第一种模式确定地面加速度(即，引入信号)是否超过预定的软件可编程标准，某处的加速度在0.0005g和0.1g之间，而第二种模式确定引入的处理信号的功率谱密度(PSD)在一个小的时间窗口(例如几秒)内是否超过给定软件选择的触发值。
如果引入的处理信号的功率谱密度(PSD)在选定的时间窗口内超过预先选择的但是易于重新编程的触发值，或者如果地面加速度(GA)超过预定的但是易于重新编程的级别，或者如果PSD和GA的某些其它组合到达预定级别时，即系统的实时地震活动计算算法确定存在P波的级别时，则产生一个输出，如步骤88所示，以激活视频警报(LED)、音频警报和/或控制任何其它合适设备。
另一方面，如果地面加速度级别没有超过预定级别，并且引入的处理信号的功率谱密度值和/或GA和PSD的组合在选定时间窗口内没有超过预选的触发级别，则不生成输出，并且如线路92所示，系统复位，并在当前引入信号上重新启动处理序列。
该组合P波检测方法远优于先前在世界范围各种地理区域(特别是甚低频低振幅P波区域)中感应不同类型的地震的方法。另外，它还能提供早于任何单独方法检测到P波的可能性(即，更长的报警时间)。
如上所述，一旦CPU确定已感应到来自潜在危险的地震的P波信号，就触发一个或更多不同的输入，例如先前提及的音频和视频警报，以及任何其它各种紧急响应警报，安全/保护设备或系统(包括该系统的其它独立安装)，和/或自动设备关闭或数据备份，不论是直接连线的、红外控制的、利用am或fm(或其它调制)无线电波无线连接的，还是经由以太网、电话、蜂窝电话、现有建筑物配线、或通过因特网连接的。另外，当检测到与地震纵波(P波)有关的运动时，可以使该设备立即发送一条或多条预先记录的数字或模拟语音信息，或发送触发上述语音信息的编码或未编码的信号，以便直接在扩音器上，或通过连接到对讲系统、播音系统、放大扬声器模块，或通过电话、蜂窝电话、am或fm无线电波广播，或利用任何类型的直接连线或无线音频传输系统，进行大声播放。另外，一旦检测到有效P波，可使用该系统的自动响应能力来触发一个或多个燃气和/或水截流阀的关闭，和/或任何类型的气体、液体或化学流量阀或控制机制的开或关。
可选择地，一旦检测到与地震纵波有关的运动，可使用该设备来直接或间接地控制机械臂或其它闭锁机制，和/或用来限制物品、人员、动物等的活动和/或对其存在潜在损害的栅栏、防护装置或其它保护机制或设备，以便降低这些物品、人员、动物等在地震期间受到损害或伤害的可能性，不论是因他们自身的跌落造成的，还是被其它坠落物击中或挤压造成的。类似地，一旦检测到与地震纵波有关的运动，该设备可以进行控制，包括但不限于自动门或车库门打开，关闭，闭锁或解锁机制，启动后备发电机，发射无线信号以启动车辆引擎(后者在寒冷国家中是有用的)，以及触发电或磁存储的数据的记录或备份。
为了避免伪触发事件，可以使用诸如图5中标号100所示的站中的传感器系统。该系统包括安装在被监控结构的合适的独立位置的两个或更多检测器单元或传感器模块10，其输出输入到控制器98。控制器适用于比较从检测器10接收的检测输出，并确定该输出是否是诸如可能由地震P波造成的，还是更可能由例如卡车通过或用力关门之类的某些本地干扰造成的。例如，本地干扰更容易触发一个而不是两个检测器，而地震更容易同时触发两个检测器。因此，响应于从两个检测器模块接收的同时的等效信号，控制器98将生成输出信号，随后该信号可以用于驱动所需报警或其它受控操作。一旦检测到可能有危险的即将来临的地震运动，控制器98将触发内部记录器99，以便记录在以下期限内，即从检测到此类运动之前的一个小的时间间隔开始，到可能有危险的运动的最初检测之后的大约一两分钟为止的期限内，检测到的所有测量的地震运动。把该地震活动记录内部存储到有物理保护的非易失存储器中，以便在查证该系统的准确位置的精确活动级别时进行查询。在该系统没有连接外部记录方法的情况下，或者在摧毁全部设施和计算机系统等的强破坏性地震的情况下，该内部记录则像飞机意外事故中的黑盒子。
控制器98实时计算多传感器系统的任意给定传感器模块感应的运动之间的传播延迟，以及位于与第一传感器有一定距离处的同一系统的另一传感器上出现的类似运动之间的时间间隔。实时监控的传播延迟是非常有价值的信息，并且能用于区分地震活动和无关的本地产生的振动噪声(以减少伪系统触发)，并且还允许系统区分地震(即，地面)运动和强空气运动，例如爆炸或风暴中的强风引起的强空气运动。这使该系统也可以作为反恐安全系统中的可靠的爆炸检测器。另外，当彼此相隔足够距离安装三个或更多3轴检测器模块，并且监控每个传感器之间的感应活动的传播延迟时，该系统通过使用传播延迟和垂直/水平地震活动比值可以执行更高级的计算，以便以某种精度实时确定地震的方向，以及震源或地球表面下的震源点的深度。
可以把远离站100的位置处的检测器站110、120中的其它传感器系统也连接起来，并通过概括地由虚线140所示的合适的信号传输或通信媒质或网络，连接到中心监控站130，以便可以立即通知每个站在特定站的触发事件，并且可能在每个站经受即将来临的地震事件之前采取适当行动。类似地，几个检测站的检测输出可以实时记录在中央监控站130中，以便随后进行分析。
可选择地，一旦检测到与地震纵波有关的运动，可通过以太网和/或因特网连接使用本发明的设备，以便自动发送具有与地震事件有关的信息和/或数据的电子邮件或其它电子通信；经由以太网、因特网、电话、蜂窝电话或用于本文提及的任何P波触发的自动设备响应目的的其它无线传输方法，直接与其它远程系统通信；和/或创建监控设备的网络，通过一起工作，可以计算地震活动的实时位置和方向，以及为该网络中尚未检测到任何重要的地震活动的监控节点提供更早期的用于语音通知和自动设备启动的告警时间。
通过具体例子，可以对根据本发明的为特定设施适合地配置的设备进行编程，一旦检测到4.8-5.0里氏震级的地震，仅警告安全和维修人员，一旦检测到5.5-6.0级的地震，启动备用发电机，并且一旦检测到7.0级以上的地震，关闭关键处理工序。采用这种配置的原因在于，早期警报和准备工作不会对早期疏散有任何不利，相反，只有在震级确实有可能造成重大损失时，才能中断或关闭例如很难重新启动并且重新启动费用昂贵的那些复杂的生产工序。这些输出和各种触发级别是通过被保护设施和设备制造商两者的工程小组的共同努力确定的。
如上所述，根据本发明的装置通过实时计算所检测的任何运动的功率谱密度，并比较地面加速度和PSD两者与预先确定的有效P波触发级别，连续不断地监控地面运动级别。由于(a)P波的强度通常显示出与即将来临的地震的规模的某种一致，(b)认为已检测出P波的时间越早，在地震的更危险的横波和瑞利波到达之前的告警时间和自动设备启动时间就越长，以及(c)某些类型的早期警告警报和自动启动设备对于触发是有必要的，并且在伪触发或低震级地震触发的情况中具有较少费用或其它反应，因此需要能够在不同的P波活动级别上单独触发不同类型的输出，以便使安全性达到最大，并且还能降低与全部触发该系统的所有输出有关的费用。此类实现方法的一个例子是，在一家医院中，低级别的P波触发级别仅仅启动对医院工作人员的语音消息警告，而中级或更高级别的P波活动级别将触发燃气阀门和水流量阀门的关闭，可能还要启动备用发电机以及触发计算机系统数据备份设备的启动。上述系统基于完全由软件定义的逻辑触发方程式，允许独立的和/或从属的输出触发，该方程式包括变量，包括一个或多个传感器上的不同地震活动级别、与触发某些设备(例如在地震事件后关闭消防站的大门)有关的时间延迟，系统的其它输出的激活/非激活状态，和/或从经由因特网或其它通信链路互连的相同类型的其它远程系统中接收的数据。
尽管以上已经连同使用单个悬臂压电传感器模块的设备描述了本发明，其中该模块利用了位于该设备内部或外部的一个或多个可移动、柔性或物理变形的质量块的惯性，为了在空间中任意方向上的感应点上，监控因空气中的声波或冲击波引起的质量块的运动、弯曲或物理变形，任意方向包括水平轴X和水平轴Y、垂直轴Z以及其任意组合，本领域技术人员应该理解，可以对上述实施方式作出各种修改，并且可以使用任何各种其它类型传感器，用模拟模式、数字方式或其组合，实现所公开的监控方法，此类传感器包括但不限于，光敏或红外线传感器、压力传感器、磁性或霍耳效应传感器，可变电阻传感器(包括各种电位计)、可变电容传感器和可变电感传感器。因此，本公开应该被广义的解释，并且所附权利要求书旨在覆盖属于本发明之实质和范围内的各种变形和修改。
权利要求
1.一种用于检测地震生成的P波的装置，该装置包括构成外壳的装置，适用于安装到受地震力移动的支撑结构上；传感器装置，连接到所述外壳上，并且用于生成与所述支撑结构经受的运动成比例的电信号；信号放大和滤波装置，响应于所述电信号，并且用于放大和传送频率约在0.5Hz到15Hz范围内的信号；以及信号处理装置，用于对传送的信号进行采样，并且用于通过在大于约10秒的连续时段内计算该信号的平均值，执行自动实时偏移调零功能，并且用于把持续计算的该平均信号的平均值作为零点，而在几秒内没有信号之后，使该平均信号降到“零”，并且用于如果(a)该平均信号超过预定级别，和/或(b)预定时间窗口内的积分和超过预定触发值，则确定检测到P波，并用于生成与其相称的输出信号。
2.如权利要求1所述的用于检测地震生成的P波的装置，其中所述传感器装置包括薄膜悬臂压电传感器元件，具有刚性地连接到所述外壳上的近侧末端，并且具有没有支撑的远侧末端。
3.如权利要求2所述的用于检测地震生成的P波的装置，其中所述传感器元件的所述远侧末端连接有预定质量的重物。
4.如权利要求1所述的用于检测地震生成的P波的装置，其中所述传感器装置包括多个传感器元件，所述每个传感器元件响应于相应的多个彼此正交相交的平面的一个平面的法线方向的运动，并用于生成与其相称的电信号。
5.如权利要求4所述的用于检测地震生成的P波的装置，其中每个所述传感器元件包括薄膜悬臂压电结构，具有刚性地连接到所述外壳上的近侧末端，并且具有没有支撑的远侧末端。
6.如权利要求5所述的用于检测地震生成的P波的装置，其中每个所述传感器元件的所述远侧末端连接有预定质量的重物。
7.如权利要求5所述的用于检测地震生成的P波的装置，其中所述外壳包括一块印刷电路板，该印刷电路板包括互连所述传感器装置、所述信号放大和滤波装置以及所述信号处理装置的电线路。
8.如权利要求7所述的用于检测地震生成的P波的装置，其中把每个所述传感器元件封装到一个密封罩内。
9.一种用于检测监控的结构经受的地震生成的P波的装置，该装置包括传感器装置，连接到该监控结构上，并且用于生成与所述结构经受的运动成比例的电信号；信号放大和滤波装置，响应于所述电信号，并且用于传送频率约在0.5Hz到15Hz范围内的信号；以及信号处理装置，用于对所述传送的信号进行实时数字信号处理，该处理包括实时偏移调零、多级低通数字滤波以及数字积分，其中该数字积分保留前几秒的引入读数的持续计算的总和，并且在几秒内没有信号活动之后，使该总和降到零。
10.如权利要求9所述的用于检测地震生成的P波的装置，其中通过在大于约10秒的时段内重复计算传送的信号的平均值并将持续计算的平均值作为零点，实现该实时偏移调零。
11.如权利要求10所述的用于检测地震生成的P波的装置，其中如果检测的P波的强度属于第一里氏震级范围，则所述处理装置生成第一信号，而如果检测的P波的强度属于第二里氏震级范围，则生成第二信号。
12.如权利要求11所述的用于检测地震生成的P波的装置，其中所述传感器装置包括薄膜悬臂压电传感器元件，具有刚性地连接到所述外壳上的近侧末端，并且具有没有支撑的远侧末端。
13.如权利要求12所述的用于检测地震生成的P波的装置，其中所述传感器元件的所述远侧末端连接有预定质量的重量机构。
14.如权利要求9所述的用于检测地震生成的P波的装置，其中所述传感器装置包括多个传感器元件，所述每个传感器元件响应于相应的多个彼此正交相交的平面的一个平面的法线方向的运动，并用于生成与其相称的电信号。
15.如权利要求14所述的用于检测地震生成的P波的装置，其中每个所述传感器元件包括薄膜悬臂压电结构，具有刚性地连接到所述外壳上的近侧末端，并且具有没有支撑的远侧末端。
16.如权利要求15所述的用于检测地震生成的P波的装置，其中每个所述传感器元件的远侧末端连接有预定质量的重量机构。
17.如权利要求15所述的用于检测地震生成的P波的装置还包括印刷电路板，包括互连所述传感器装置、所述信号放大和滤波装置以及所述信号处理装置的电线路。
18.如权利要求17所述的用于检测地震生成的P波的装置，其中把每个所述传感器元件封装到一个密封罩内。
19.一种用于检测地震生成的P波的方法，该方法包括以下步骤检测地震运动并生成相应的运动信号；放大和滤波所述运动信号并传送其频率约在0.5Hz到15Hz范围内的信号；通过在大于约10秒的连续时段内计算该信号的平均值，执行实时偏移调零功能，并且把持续计算的该平均信号的平均值作为“零”点，而在几秒内没有信号之后，使该平均信号降到“零”；以及如果(a)该平均信号超过预定级别，和/或(b)预定时间窗口内的积分和超过预定触发值，则确定检测到P波，并生成与其相称的输出信号。
20.如权利要求19所述的用于检测地震生成的P波的方法，其中如果检测的P波的强度属于第一里氏震级范围，则所述处理装置生成第一信号，并且如果检测的P波的强度属于第二里氏震级范围，则生成第二信号。
21.如权利要求1所述的用于检测地震生成的P波的装置，其中所述信号处理装置包括用户界面，用于允许修改地面加速度、功率谱密度输出触发电平和该内部数字信号处理滤波器值，该系统利用上述值确定是否存在即将来临的地震。
22.如权利要求9所述的用于检测地震生成的P波的装置，其中所述信号处理装置包括用户界面，用于允许修改地面加速度、功率谱密度输出触发电平和内部数字信号处理滤波器值，该系统利用上述值确定是否存在即将来临的地震。
23.如权利要求1所述的用于检测地震生成的P波的装置，其中所述信号处理装置执行以下步骤检测地震运动并生成相应的运动信号；放大和滤波所述运动信号并传送其频率约在0.5Hz到15Hz范围内的信号；通过在大于约10秒的连续时段内计算该信号的平均值，执行实时偏移调零功能，并且把持续计算的该平均信号的平均值作为“零”点，而在几秒内没有信号之后，使该平均信号降到“零”；以及如果(a)该平均信号超过预定级别，和/或(b)预定时间窗口内的积分和超过预定触发值，则确定检测到P波，并生成与其相称的输出信号。
24.如权利要求23所述的用于检测地震生成的P波的装置，其中如果检测的P波的强度属于第一里氏震级范围，则所述信号处理装置生成第一信号，如果检测的P波的强度属于第二里氏震级范围，则生成第二信号。
25.如权利要求9所述的用于检测地震生成的P波的装置，其中所述信号处理装置执行以下步骤检测地震运动并生成相应的运动信号；放大和过滤所述运动信号并传送其频率约在0.5Hz到15Hz范围内的信号；通过在大于约10秒的连续时段内计算该信号的平均值，执行实时偏移调零功能，并且把持续计算的该平均信号的平均值作为“零”点，而在几秒内没有信号之后，使该平均信号降到“零”；以及如果(a)该平均信号超过预定级别，和/或(b)预定时间窗口内的积分和超过预定触发值，则确定检测到P波，并生成与其相称的输出信号。
26.如权利要求1所述的用于检测地震生成的P波的装置，其中如果检测的P波的强度属于第一里氏震级范围，则所述处理装置生成第一信号，而如果检测的P波的强度属于第二里氏震级范围，则生成第二信号。
27.一种地震检测系统，该系统包括多个P波检测站，分别设置在彼此距离很遥远的地点，并利用至少一种类型的通信媒质以通信方式连接在一起；每个所述站包括一对P波检测器，以隔开距离的方式连接到一个结构上；以及一个控制器，响应于所述检测器生成的检测信号，并且在所述检测器两个都检测到P波并同时生成检测信号的情况下，用于生成警报信号；以及每个所述检测器包括构成外壳的装置，适用于安装到受地震力移动的支撑结构上；传感器装置，连接到所述外壳上，并且用于生成与所述支撑结构经受的运动成比例的电信号；信号放大和滤波装置，响应所述电信号，并用于放大和传送频率约在0.5Hz到15Hz范围内的信号；以及信号处理装置，用于对该传送信号进行采样，并且用于通过在大于约10秒的连续时段内计算该传送信号的平均值，执行自动实时偏移调零功能，并且用于把持续计算的该平均信号的平均值作为零点，而在几秒内没有信号之后，使该平均信号降到“零”，并且如果(a)该平均信号超过预定级别，和/或(b)预定时间窗口内的积分和超过预定触发值，则确定检测到P波，并用于生成与其相称的检测信号。
28.如权利要求27所述的地震检测系统，进一步包括监控站，以通信方式连接到所述检测站，并且用于记录所述检测站生成的检测信号和/或警报信号。
全文摘要
一种P波感应装置，该装置包括一块印刷电路板，其上安装有1到3个按正交方式设置的微型传感器，该传感器作为有关外部支撑结构的运动的惯性监控设备；多个放大和滤波电路，用于放大和滤波该传感器生成的输出；以及一个中央处理单元，响应于经过放大的信号，并用于生成输出信号，以用来驱动视觉和听觉报警器、自动数据记录系统或其它设备制动系统。每个传感器是由夹在两个金属化层之间的压电薄膜构成的，并层压为一个小的矩形聚酯片，以悬臂方式将其一端牢固地连接到支撑电路板上，或夹在两个扁平固体层(如小型电路板)之间，然后牢固地连接到主支撑电路板上。在悬臂的活动端的附近连接一块小的质量块，从而通过增加所需运动频率范围内的信噪比，提高系统的惯性感应能力。
文档编号G01V1/00GK1685377SQ03823442
公开日2005年10月19日 申请日期2003年8月27日 优先权日2002年8月30日
发明者克雷格·韦布, 让·皮埃尔·吉特 申请人:地震预警系统公司