【原創】為什么地震可以預警?ADI專家告訴你其中的奧秘

winniewei 提交于 周五, 12/13/2019
【原創】為什么地震可以預警?ADI專家告訴你其中的奧秘

作者:張國斌

2019年6月17日22時55分,距成都240公里,距西昌260多公里外,四川省宜賓市長寧縣雙河鎮發生6級地震,震源深度16千米。川渝多地有震感。地震發生后,四川很多地區的家庭和單位都收到了地震預警。

四川西昌俊波外國語學校提前60秒收到預警,4000多名師生順利疏散到室外。這所學校政教處主任稱,在就寢時聽到警報聲發出,隨后全校師生迅速撤離到安全地點,無人受傷。

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這次地震一個引人注目的事件是地震預警系統的使用,借用這個系統,距震中34公里的宜賓市,提前10秒獲得預警,距震中240公里的成都市,提前61秒獲得預警。初步統計表明,云南省昭通市、四川省宜賓市、樂山市、涼山州、德陽市、成都市、眉山市、資陽市、雅安市等市的學校發出預警,成都市的180個學校、110個社區收到預警,宜賓市、樂山市、成都市13個區縣等開通了廣電和互聯網電視地震預警的區域發出電視地震預警提示。

地震為什么可以預警?我們來聽聽ADI專家的解釋。

1 傳感器立下奇功

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為什么地震可以預警?ADI亞太區微機電產品線總監趙延輝做了解釋:地震波(seismic wave)是由地震震源向四處傳播的振動,指從震源產生向四周輻射的彈性波。按傳播方式可分為縱波(P波)、橫波(S波)(縱波和橫波均屬于體波)和面波(L波)三種類型。P波是推進波,地殼中傳播速度為5.5~7千米/秒,最先到達震中,P波是所有地震波里最快的波,因此也會是地震儀第一個記錄到的波。因為壓縮力在固體、液體中都能存在,因此P波能在固體和液體中傳播,它使地面發生上下振動,破壞性較弱。

橫波是剪切波:在地殼中的傳播速度為3.2~4.0千米/秒,第二個到達震中,又稱S波,它使地面發生前后、左右抖動,破壞性較強。面波又稱L波,是由縱波與橫波在地表相遇后激發產生的混合波。其波長大、振幅強,只能沿地表面傳播,造成建筑物強烈破壞。

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因為橫波傳播的快,最先到震中,利用通信網絡可以將地震預警發出去,電磁波每秒傳輸30萬公里,而S波每秒4公里左右,可以跑贏地震,不過由于噪聲的原因,要做到準確的預報不誤報不漏報需要應用大數據來分析。

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趙延輝表示如果一個地區大量檢測傳感器同時檢測到震動則可以判斷換個地區出現地震,這就是大數據分析帶來的好處。

前幾天我在參加硬件極客大會的時候,浙江大學計算機學院教授,博士生導師莊越挺就認為目前科學范式已經發展到數據密集型方法,就是基于數據的發現和推斷,利用大數據智能可以在很多新領域獲得突破,而地震波檢測就是一個例子。

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2?智能制造也需要振動傳感器

趙延輝表示利振動傳感器還可以完成更多檢測--就是通過傳感器實現機器與我們的對話。

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這就是基于條件狀態的維護和監測,這是一種新興智能運營維護的趨勢,通過這樣的智能監測可以大幅度減少停機時間,并減少高技能維護人員的需求,因此可以大幅度降低維護成本。還可以應用在一些惡劣環境中的機器維護問題例如野外風機、通信設備運維等。

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趙延輝表示這需要對設備的振動進行分析,振動分析意味著對頻譜進行勘測,以確定軸承、齒輪或潤滑是否出現故障。要完成這個測試需要傳感器有超低噪聲,更高頻率運行,并有更高的動態范圍。

振動分析常用于旋轉機械中,用以檢測可能引起振動變化的軸承松動或磨損、設備未對準、液位偏低等。通常,這種振動的頻率介于6 kHz到10 kHz。在更高頻率也有一些數據可用,但受限于響應幅度而非常難以測量,并且需要超聲等成本高昂的技術。

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傳統上振動檢測是通過壓電式加速度傳感器來完成的,這是一種無源傳感器,屬于慣性式傳感器。利用壓電晶體,如石英晶體、壓電陶瓷等的“壓電效應”:在加速度計感受到振動時,質量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。壓電晶體受力變形后,其內部會產生極化現象,同時在它的兩個表面產生符號相反的電荷,當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率(諧振頻率)時,則力的變化與被測加速度成正比。當外力去除后,又重新恢復到不帶電狀態,這種現象稱為“壓電效應”。

而趙延輝表示盡管壓電器件擁有成熟的用戶但是面向狀態監控的MEMS加速計正在被廣泛使用,因為畢竟還是有很多缺憾的比如直流響應、耐沖擊線性度等等不如MEMS加速計。

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他舉例說壓電傳感器在經受100g以上的沖擊事件后具有明顯的直流偏移,但是MEMS傳感器就沒有。

與傳統壓電式加速度傳感器(PZT)相比,MEMS具有低頻響應性能(可測量0.1 Hz時的1/f);對于風輪機等超低頻率機器,需要關注此點(它還支持更快速地從飽和狀態恢復),其先進的功能集成和出色的適應能力,在新型監控應用中獲得了越來越多的關注。放眼未來,關鍵性能指標(噪聲、帶寬和動態范圍)的發展,再加上高度的功能集成,必將促使這種趨勢繼續向前發展。

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他指出在這個應用中低噪聲和低功耗都不能少,要實現這樣的特性除了需要獨特的設計外還需要在工藝方面進行優化,”ADI的MEMS傳感器都是自己封測,確保了性能的一致性。“他指出。

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另外,壓電加速度計通常不集成智能特性,而MEMS電容式加速度計(如ADXL100x系列)則集成了超量程檢測電路,當發生超過指定g值范圍約2倍的嚴重超量程事件時,該電路可報警。在智能測量和監控系統的開發中,這項功能非常關鍵。他表示ADI的ADXL100x系列單軸加速度計是一款非常出色的產品,助力智能制造的實現。

ADXL100x系列單軸加速度計針對工業狀態監控應用而優化,測量帶寬高達50 kHz,g值范圍高達±100 g,并且擁有超低的噪聲性能——因而在性能方面可與壓電加速度計不相上下。

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ADXL1001/ADXL1002的頻率響應如下圖所示。旋轉機械中發生的主要故障(如套筒軸承損壞、對準誤差、不平衡、摩擦、松動、傳動裝置故障、軸承磨損和空化)都在ADXL100x系列狀態監控加速度計的測量范圍以內。

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半導體器件的進步正在造福人類生活,類似地震的這樣的預警系統是功德無量的好事,趙延輝表示很多地震預警系統都采用了ADI的傳感器,我們也期待這樣的器件用于更多本土智能制造領域。(完)

注:本文為原創文章,轉載請注明作者及來源

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