智能地震避險(xiǎn)器的設(shè)計(jì)

陳 艷 朱 亮 陳雪文 彭華廈 杜民獻(xiàn)

（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007）

0 引言

綜合來看，抗震設(shè)計(jì)的主流為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而基于建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是抗震設(shè)計(jì)主角?；趯?shí)現(xiàn)地震保護(hù)的研究，山東科技大學(xué)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(xué)研究所等單位合作研制的“基于睡床的防震抗暴網(wǎng)絡(luò)化生命安全保障系統(tǒng)[1]”主要由床體、雙翼型封閉保護(hù)裝置、氣動系統(tǒng)、地震傳感裝置、人員監(jiān)測裝置、控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)、安全保護(hù)封閉等部分組成，當(dāng)系統(tǒng)的地震檢測儀監(jiān)測確認(rèn)是地震而且超出設(shè)定的地震級別時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)就會發(fā)出觸發(fā)信號，接通防護(hù)系統(tǒng)開關(guān)，使雙翼型封閉保護(hù)裝置動作把人保護(hù)起來，并通過Internet、電話網(wǎng)絡(luò)發(fā)出報(bào)警信息。用戶也可在發(fā)現(xiàn)暴力威脅時(shí)，通過床頭按鈕手動啟動保護(hù)裝置來保護(hù)自身安全。

在本項(xiàng)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(jī)械軸承運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測與故障診斷[2]、老年人跌倒監(jiān)測系統(tǒng)[3]、掘進(jìn)機(jī)懸臂位置檢測等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

1 智能地震避險(xiǎn)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械抗壓構(gòu)架設(shè)計(jì)

機(jī)械抗壓構(gòu)架擬以高錳鋼（highmanganesesteel，具有高抗壓、強(qiáng)韌性）為主要原料，以三棱柱型單點(diǎn)、雙嵌相似三角形骨架、齒輪結(jié)扣連接。三棱柱型的錳鋼材料，可使構(gòu)架的每一部分抗壓力增強(qiáng)，三棱型的特點(diǎn)是受力的地方每一個(gè)點(diǎn)都在一個(gè)等邊三角形上，頂點(diǎn)受到的壓力都會分別作用到對邊，這會使材料上每個(gè)點(diǎn)的形變量降低，進(jìn)而使整體結(jié)構(gòu)更穩(wěn)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(shí)將受力分散，減小對裝置的破壞力，內(nèi)部的三角形構(gòu)架可起到保護(hù)身體安全的作用。齒輪結(jié)扣連接，在裝置觸發(fā)后，各節(jié)點(diǎn)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(gè)方向收縮，因此大壓力作用于保護(hù)構(gòu)架的一面時(shí)不會造成連接點(diǎn)的崩裂。

1.2 控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)電路由地震監(jiān)測、主控制器、震級顯示、驅(qū)動電路等構(gòu)成。

2 智能感應(yīng)的實(shí)現(xiàn)

三軸加速度傳感器電路檢測地震信號實(shí)現(xiàn)感應(yīng)源，微處理器分析地震發(fā)生的等級做出評估。

通過三軸加速度傳感器檢測地震產(chǎn)生的物理信號，可提前預(yù)測地震波，微處理器收集傳感器數(shù)據(jù)，如震級超過設(shè)定的安全震級，主控制系統(tǒng)就會接收到監(jiān)測裝置的信號，驅(qū)動機(jī)械抗壓構(gòu)架彈出。

3 智能地震避險(xiǎn)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(shí)鐘芯片、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、聲音報(bào)警、驅(qū)動電路等實(shí)現(xiàn)電路控制功能，如圖1所示。

圖1 智能地震避險(xiǎn)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(gè)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(chǎn)生一個(gè)直流電壓信號輸出，經(jīng)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(gè)水平放置的加速度傳感芯片由于不會產(chǎn)生直流電壓信號，所以不需要后繼的這個(gè)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(shè)計(jì)的地震信號采集系統(tǒng)能夠檢測到空間任意方向的地震信號，要設(shè)計(jì)出具有這種特點(diǎn)的地震信號采集系統(tǒng)，就需要將三個(gè)單分量的地震信號采集系統(tǒng)按照豎直、東西、南北三個(gè)相互垂直的方向安裝在一起，構(gòu)成三分量地震信號采集系統(tǒng)。三分量采集系統(tǒng)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(tǒng)更加精準(zhǔn)。

我們選擇了1221x-002芯片，該芯片具有較高的低頻響應(yīng)能力、靈敏度和分辨率。當(dāng)系統(tǒng)加速度為0時(shí)，AOP和AON輸出都是+2.5V；當(dāng)加速度值為正時(shí)AOP的輸出將變大，而AON的輸出將變?。煌砑铀俣戎禐樨?fù)時(shí)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(jī)械抗壓構(gòu)架的實(shí)現(xiàn)

機(jī)械抗壓構(gòu)架是以錳鋼材料制成的伸縮折疊架，未展開時(shí)以正方形框架一面固定于墻體。在固定墻體的一面有兩個(gè)驅(qū)動電機(jī)，一個(gè)驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動底部轉(zhuǎn)軸，另一個(gè)電機(jī)驅(qū)動折疊絞架。當(dāng)發(fā)生地震時(shí)控制器會控制驅(qū)動底部轉(zhuǎn)軸電機(jī)，電機(jī)帶動轉(zhuǎn)軸迅速將第一層底架逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)展開，當(dāng)?shù)撞夸摷芷椒€(wěn)后第二電機(jī)驅(qū)動折疊絞架退出側(cè)面鋼架，順時(shí)針打開（底部鋼架兩側(cè)鋼體上分別有上滑動槽和內(nèi)側(cè)滑動槽，側(cè)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(cè)面鋼架滑動的過程中另一個(gè)側(cè)面鋼架相連的小鋼架沿底部內(nèi)側(cè)滑輪槽滑出，在底部鋼架的卡扣處停止。當(dāng)側(cè)面鋼架被底部鋼架卡槽卡住后側(cè)面的鋼架會彈出一個(gè)支撐柱卡在底部）。因?yàn)榇蜷_的鋼架是一個(gè)三棱體，真正受力是在兩個(gè)側(cè)面，而兩個(gè)側(cè)面的鋼架又是采用三棱體鋼材，受力在棱角，當(dāng)左側(cè)受到壓力時(shí)，左側(cè)會將壓力分散給右側(cè)和左下側(cè)的支撐柱，在鋼架的內(nèi)部形成兩個(gè)內(nèi)三角受力架，從而大大減輕側(cè)面的受力負(fù)擔(dān)。右側(cè)與左側(cè)的受力分解是一樣的。通過底層鋼架的卡扣、上鉸接點(diǎn)、兩個(gè)內(nèi)三角鋼架的共同作用，抗壓構(gòu)架的保護(hù)承壓能力增強(qiáng)，在受到單方面的壓力時(shí)能時(shí)刻達(dá)到一個(gè)內(nèi)力的平衡。

6 結(jié)語

我們應(yīng)用微處理器電路、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)設(shè)計(jì)出了可以實(shí)現(xiàn)地震預(yù)測、震級顯示、震中保護(hù)的多功能地震保護(hù)裝置。本產(chǎn)品從生活實(shí)際出發(fā)，針對生活中切實(shí)存在的問題進(jìn)行研究，運(yùn)用專業(yè)知識進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，達(dá)到了解決問題的目標(biāo)。該設(shè)計(jì)起保護(hù)作用的機(jī)械構(gòu)架在平常生活時(shí)鑲嵌在墻壁上，不占據(jù)空間，能自動收縮，只有在地震震級超過安全震級時(shí)才會彈出，使用起來簡單便利。

［參考文獻(xiàn)］

[1]肖林京.基于睡床的防震抗暴網(wǎng)絡(luò)化生命安全保障系統(tǒng)通過山東省科技廳鑒定[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，27（1）：4.

[2]王輝.基于應(yīng)變式三軸加速度傳感器的智能軸承設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

[3]閆俊澤.基于三軸加速度傳感器的老年人跌倒監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.