基于无线传感器网络的火山喷发监测系统(武大遥感)

基于无线传感器网络的火山喷发监测系统
目录
第一部分：引题 (3)
第二部分：火山简介及其危害 (3)
2.1火山简介 (3)
2.2火山危害 (3)
第三部分：火山喷发检测传感器概况 (4)
3.1倾角传感器概况 (4)
3.2光纤传感器 (4)
3.3微测辐射热计传感器 (5)
第四部分：倾角传感器检测火山喷发 (6)
4.1倾角传感器分类及原理 (6)
4.2倾角传感器的发展 (7)
4.3倾角传感器应用特点 (7)
4.4 SST系列倾角传感器 (8)
第五部分：结语 (9)
第一部分：引题
庞培，人类历史上最悲惨的自然灾害之一，古罗马最繁荣的城市，两万人的富贵之乡，在一日之间顷刻塌陷，成为六米火山灰掩盖下的亡灵。

根据资料统计，全球目前有大约500座活火山，其中有近70座在水下，其余均分布在陆地上。

在地球上几乎每年都有规模和程度不同的火山喷发，给人类活动和生存带来了很大的危害。

全球大约四分之一的人口生活在火山活动区的危险地带。

据统计，在近400年的时间里，火山喷发已经夺去了大约27万人的生命。

特别是在活火山集中的环太平洋地区，火山灾害更为突出。

因此，火山灾害被列为世界主要自然灾害之一。

在1991-2000年“国际减轻自然灾害十年”计划中，减轻火山灾害也是其中一项重要的内容，火山灾害在主要自然灾害已经排在第六位。

第二部分：火山简介及其危害
2.1火山简介
火山是地下深处的高温岩浆及其有关的气体、碎屑从地壳中喷出而形成的，具有特殊形态的地质结构。

火山可以分为死火山和活火山。

火山爆发是一种很严重的自然灾害，它常常伴有地震。

火山喷发会对人类造成危害，火山爆发会喷出大量的火山灰，它和雨水或者河水结合会形成泥石流，不仅能冲毁道路、桥梁，还能淹没周边以及附近的乡村和城市，泥土、岩石碎屑形成的泥浆甚至能淹没了整座城市。

当然它也能带来一些好处。

例如：可以促进宝石的形成；扩大陆地的面积；作为观光旅游考察景点等，如日本的富士山。

2.2火山危害
火山灾害有两大类，一类是由于火山喷发本身造成直接灾害，另一类是由于火山喷发而引起的间接灾害，实际上，在火山喷发时，这两类灾害常常是兼而有之。

火山碎屑流、火山熔岩流、火山喷发物（包括火山碎屑和火山灰）、火山喷发引起的泥石流、滑坡、地震、海啸等都能造成火山灾害。

火山灾害早已被列为世界主要自然灾害之一，我们有必要对其运动进行有效的检测。

第三部分：火山喷发检测传感器概况
3.1倾角传感器概况
人们总是时刻在想着如何提前得知活火山的爆发，传统方法是通常火山爆发前会有大量的气体先释放出来，通过这个现象可以预知。

当下比较流行的传感器有光纤传感器、微测辐射热计传感器、倾角传感器等。

3.2光纤传感器
光纤传感器（见图1）具有很多优异的性能，例如：具有抗电磁和原子辐射干扰的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。

（图1 光纤传感器工作原理）
3.3微测辐射热计传感器
而微测辐射热计传感器（见图2），它以尽可能简单的方式构造谐振器元件，其中各个谐振器元件的横向几何尺寸确定入射的电磁辐射优选地被吸收的那些波长。

重要的是多个随后在热学上彼此去耦的这种谐振器元件的横向定界或隔离的布局。

对该传感器的其他要求是紧凑的结构方式和使谐振器与不同的波长和极化协调的可能性。

入射的辐射应波长选择性地(selektiv)和极化选择性地被散开。

此外，目的是基于微测辐射热计制造成像系统的多光谱的和极化选择性的像素传感器或像素传感器阵列。

（图2微测辐射热计传感器工作原理）
第四部分：倾角传感器检测火山喷发
虽然各种传感器工作原理、工作方式不尽相同，但是们的共同特点为乃高温、耐高压。

下面，我将着重讲解技术相对成熟的代表——“倾角传感器”对于火山喷发的检测成果。

当下，有一种实时检测的方法就是使用倾角传感器，把倾角传感器埋置在火山附近的地下深处，当火山将要喷发的时候，地壳会存在运动，这样就可以通过地壳运动引起的倾角传感器的角度变化进行检测。

4.1倾角传感器分类及原理
倾角传感器（见图3）经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器。

其理论基础是牛顿第二定律：根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。

如果初速度已知，就可以通过积分算出线速度，进而可以计算出直线位移，所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。

（图3倾角传感器工作原理）
当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。

重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。

4.2倾角传感器的发展
倾角传感器发展迅速，随着MEMS 技术的发展，惯性传感器件在过去的几年中成为最成功,应用最广泛的微机电系统器件之一，而微加速度计（microaccelerometer）就是惯性传感器件的杰出代表。

作为最成熟的惯性传感器应用，在的MEMS 加速度计有非常高的集成度，即传感系统与接口线路集成在一个芯片上。

倾角传感器把MCU，MEMS加速度计，模数转换电路，通讯单元全都集成在一块非常小的电路板上面。

可以直接输出角度等倾斜数据，让人们更方便的使用它。

倾角传感器用于各种测量角度的应用中。

例如，高精度激光仪器水平、工程机械设备调平、远距离测距仪器、高空平台安全保护、定向卫星通讯天线的俯仰角测量、船舶航行姿态测量、盾构顶管应用、大坝检测、地质设备倾斜监测、火炮炮管初射角度测量、雷达车辆平台检测、卫星通讯车姿态检测等等。

当然，其对火山喷发监测同样适用。

4.3倾角传感器应用特点
倾角传感器具有明显的应用特点。

高精度单轴倾斜角度传感器以基于电容式3D-MEMS技术的单轴倾斜角度传感器，在全温区都能表现出它卓越的可靠性，超凡的稳定性及史无前例的高精度。

倾斜角度传感器系列倾斜角度传感器根据汽车行业的可靠性、稳定性要求所设计、生产和测试的。

系列倾斜角度传感器具有显著的负载能力和非常好的冲击耐久性，而不需要附加的其他器件。

倾角传感器是模拟加速度传感器产品中的一员，加速度传感器无全兼容。

同时，其可以调节输出频率，内置零位调整，可以根据要求定制零位调整按钮，从而实现在一定的角度置零的功能。

这对于要测量相对倾角的场合非常有用，使用完毕后可以重新回归零位。

倾角传感器在这种场合使用，只要将传感器固定在一定的平面，测量前使用零位按钮实现清零功能，传感器在此之后读出来的数据就是相对于该平面的相对倾角。

4.4 SST系列倾角传感器
上海某公司研发生产的SST系列倾角传感器（见图4）便能实现地壳运动中倾斜角度的测量，±30°的角度测量范围，双轴向测量，±30″的测量精度，IP67的防护等级和铝合金的外壳使得它能够埋放在地下几十年，-40℃~ 85℃的工作温度能够保证高温下传感器仍能正常工作，9~36VDC宽频电压使用起来更方便，而且不仅能够实现模拟量电流电压输出，还可以实现数字量RS232或RS485信号输出。

这些参数保证了倾角传感器能够实时的准确的测量出地壳运动状况。

（图4 SST系列倾角传感器）
第五部分：结语
倾角传感器检测火山喷发，在传感器的技术上不断得到国内外市场的认可，而且还在产品技术上、产品的工艺上不断努力创新提高。

希望领域内的各大研究机构能提供更好用的使用产品。