传感器在地震监测中应用方法分析

传感器在地震监测中应用方法分析摘要：根据地震发生机理，介绍了当前对于地震监测的常用方法。根据网上查找的论文资料总结了关于地震监测的三种新型应用技术，一是关于无线传感器网络这一新型传感器技术的应用来监测复杂地震环境下地震参数的测量，来实现震前地震预警和震后灾区环境监测；二是使用光纤位移传感器来检测震前地震波参数变化，使用grin透镜和菱形光阑构成的光强度调制的地震波垂直位移测量原理。对两种方法进行分析总结，可以看出其新颖性和良好的实际可行性。并对新型应用纳米传感器进行介绍。

一、应用背景：

中国位于世界两大地震带—环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分发达。20世纪以来，中国共发生6级以上地震800多次，遍布除贵州、浙江和香港特别行政区以外所有的省、自治区、直辖市。因此，对于地震有效的监测和预警将是减少损失的重要方法和迫切要求。

二、地震发生机理及常用监测方法

由于地球内部物质和运动的高复杂性使地震短期预报成为世界难题，但地震的发生并不是一个瞬间过程，其存在着一个孕育过程。当内部压力超过板块最大承受压力时，板块发生破裂或滑动产生地震。

针对地震发生机理，现今对地震的监测方法有：

1）地壳形变观测：临震前，震区的地壳形变增大。

2）地磁测量：地球基本磁场可以直接反映地球各种深度乃至地核的物理过程。

3）重力观测：地球重力场是一种比较稳定的地球物理场之一。

4）地应力观测：地震孕育实质是一个力学过程，是地壳体中应力作用的结果。

针对以上几种监测地震发生方法，下面从文献中摘出两种利用传感器监测地震发生的方法，并分析其合理性。

三、关于地震的两种检测方法及分析

（一）、无线传感器网络系统监测复杂环境下地震【4】

本方法通过研究和分析复杂环境下地震监测的特点，设计具有分簇拓扑结构和簇内单跳等特征的用于地震监测的无线传感器网络，使用无线传感器网路这一新的方法实现复杂环境下的地震监测。

1、地震监测的无线传感器器网络节点设计：

1.1传感器节点硬件结构设计

传感器节点在本地震监测系统中主要实现横波、纵波、面加速度、地理位置、平面位移等地震相关参量的采集和无线收发等功能。无线传感器节点硬件部分包括微功耗处理器模块、无线收发模块、数据采集模块、电源等部分。

1.2地震监测的无线传感器器网络节点软件系统设计：

软件系统的主要功能包括数据采集与处理、信息无线收发、节点互定位功能等。无线传感器网络节点上的软件主要包括由嵌入式操作系统以及相应的应用程序。

2、方法性能分析：

此方法提出了一种基于优化簇半径的无线传感器网络分簇路由协议，采取集中式和分布式相结合的方式，在分布式成簇算法中，分别采取两种不同的簇头选举机制，同时在簇内和簇间都采用单跳和多跳相结合的路由机制。ucor路由协议不但显著改善了“热区”问题，还平衡了网络负载，降低了能耗，延长了网络的生命周期。

本方法是基于传感器网络这一新兴的传感器技术，是针对复杂环境下地震发生参数的测量，采用了新型协议，对于地震参数监测在理论上有了比较全面和可靠的应用。但并没有经过实验以及实践的检验，总的来说，本方法是一种理论上的监测，在实践应用中还需要解决一些实际问题如：在复杂环境下的无线传感器网络的设计与实现组建，需要考虑有效性，可靠性，能耗等方面的问题；地震监测网络中监测信息的传输问题，要可靠及时有效的进行信息传输。

（二）、利用光纤位移传感器测试地震波【2】

使用grin透镜和菱形光阑构成的光强度调制的地震波垂直位移测量原理，对系统的输出光强与位移之间的耦合关系进行分析计算

以及仿真，本方法采用一种透射式光纤位移传感器，以地震波产生的地表振动来调制透射光强强度。

1、工作原理：

1．1 惯性系统：

惯性式传感器谐振部分包括一个质量为m的可动质量块，刚度系数为k的弹簧和表示阻尼系数的阻尼装置，其力学原理如质量弹簧系统将被测对象的振动参数转换为质量块相对于仪器外壳的位移。当频比ω/ωn，且阻尼较小时：y0/u0≈1

式中：y0为质量块与壳体间相对位移的振幅，u0为被测振动位移；此时，测得的质量块相对壳体的位移可近似为振动物体的位移振幅。

1．2 位移测量原理

传感器除可以正确反映振动体的振动外，还需要用传统的换能器将质量块相对于仪器外壳的位移等振动参数转换为电量形式，工程结构测试中以磁电式换能器的应用最广泛，这里提出一种新的方式。入射光纤和接受光纤均与grin透镜连接，使出射光能够平行输出并以相同规格的grin透镜接收，之间置一中间开孔形状为菱形的遮挡片，其垂直固定于惯性系统的可动质量块m上，以菱形片的上下位移变化来调制透射光强变化。

2、方法性能分析：

本方法采用光纤位移传感器来实现对地震波的监测，系统结构

简单、动态范围好、灵敏度可调、抗电磁干扰能力强。是一种用于地震波振动测试的新型光纤位移传感系统，该位移传感器结构简单，在测量区间线性度好，测量范围和灵敏度均可调，具有很好的实用性。

但由于结构的简单性，对于复杂地震参数并不能够及时准确的体现，并不具有实际精确性，但具有很好的操作性。

五、后记

在地震孕育过程中会产生出许多微观或宏观的异常，例如电磁干扰，地壳形变等异常。采用有效的仪器捕捉地震孕育过程中的异常信号，建立健全和完善的数据库资源，加强地震预警等方面的研究，加强建筑物质量等多种手段相结合，坚持不懈的努力，这样在不久的将来就会攻破这个世界难题，降低地震灾害的影响。

参考文献:

【1】史永基，高雅利，叶芳；传感器世界；2009年7月，2009年9月.

【2】付继华，王建军，李智涛，刘晓哲，吴荣辉；多传感器分布式震情与次生灾情综合采集系统；传感器与微系统( transducer and microsystem technologies)；2010年第29卷第4期.

【3】赵作鹏，王潜平，于景郁，江海峰，许新征，李向群; 复杂环境下地震监测的无线传感器网络系统设计; 计算机工程与设

计computer engineering and design;2010年4月.