CN102193105A - 电子感应震前特征性磁异常的防震预警器 - Google Patents

Abstract

电子感应震前特征性磁异常的防震预警器。本发明涉及地震预警领域，其特征是一种通过电子测磁感应地磁变化并能够测量分析地震前磁异常变化的防震预警仪器，由磁通和磁阻传感器以及配合电路，磁信号中心处理器，显示磁变化的液晶屏及警报器组成。由磁通磁阻传感器感应监测地磁场变化，将地磁变化信号转化为电信号，磁场变化信号一方面与历史数据对比，输出到液晶显示屏显示磁场变化，另一方面利用震磁关系特征算法进行计算，获得的计算结果符合磁异常特征并符合预设报警阈值时，触发声光报警。本发明适用范围广，对震前地磁预警灵敏准确，可实现防震预警功能。

Description

电子感应震前特征性磁异常的防震预警器

一：技术领域

本发明涉及地震预警领域，其特征是一种用电子测磁感应并测量分析地震前异常地磁信号进行临震报警的装置。

二：背景技术

准确的地震预报现在还是世界难题，地震研究中以测震学研究为主的参数指标难以用做临震预警的根据。在准确的地震预报还难做到的现实情况下，如果能以有效的手段和工具实现地震前的短临预警，可以大为减小震灾损失。目前国内外有测震原理的利用地震波P-S波时间差，由探测地震发生后先行传到的纵波P发出地震报警，但不足的是在造成灾害最重的震中区这种报警与灾害的到来几乎是同步发生，在震中以外的地区所得到的也仅是数以秒计的预警时间，难以让人有足够时间做好防震避险的准备，所起的防震预警的实际作用不足。

防震预警需要有能提供更长时间的预警装置。研究地震史料和科学调查发现越来越多的证据表明，大地震前明显的磁异常可发生在地震前的数分钟到数小时。如2008年5.12日汶川特大地震前，极震区北川县有群众发现从地震前的6个多小时到地震前的10多分钟，当地出现了包括鸽子迷航到指南针异常偏向，指南针的磁针不规则运动甚至转圈的严重的磁场紊乱现象。据《NATURE》杂志报告，1964年美国阿拉斯加发生9级大地震，美国地质调查局USGS研究人员在震前1小时多，于震中附近记录下地震前剧烈磁变化。磁场异常变化早在地震前的数小时就已发生，采用测磁预警的方法比起测震原理的P-S波地震报警，能提供更充裕的足够的预警时间。

感应地磁变化，对地震前的磁异常进行监测和测量，用于地震预警已经成为可能。地磁防震预警可以克服震波产生在地震发生之后的天然限制，在时间提前量上占有优势。国内外已有使用指南针的磁针顺应磁场变动进行震前磁异常观测预警的设计和尝试，但这种测磁方式由于磁针的机械特性及制造工艺的差异会影响其对磁场的反应，如磁针充磁量的多少，形状尺寸不同，磁针与支轴摩擦系数以及磁针运动对于震前磁异常信号频率不同的响应有限制等因素，都影响着指针运动对局部磁场的反应，如偏角和倾角变化与地震前的磁异常变化不能完全对应，根据指南针异动所感应的磁场变化，难以进行磁异常信号的数理计算和比较分析，由此影响有效的地震探测和临震预警。电子测磁技术可以克服上述指南针机械特性影响磁针运动的不足，使用磁通门和磁阻的磁场感应传感器，可以针对地磁信号异常的特征实现更宽的频率响应范围，灵敏度和分辨率更高，并且在制造工艺上能以标准化避免差异，对磁信号的感应做到准确的量化，可开发成测磁效果更好的防震预警工具。

使用磁通门和磁阻的电子测磁技术探测感应地磁场，已被广泛应用于航空、航天、航海、探矿、导航等领域，在技术上电子测磁仪器对地磁场方向和强度的测量已相当成熟，元件也足够小型化，精度也非常的高，但以往由于震磁关系研究没突破，学术研究以前没有确立地震震级与震前磁异常大小的量化关系，以往震磁关系研究仅停留于对震磁效应理论模型的理解和专业地磁台站数据的分析，并没有用到实际的地震预警中来，即使是采用电子测磁技术的专业地磁观测台站，由于其测磁设备不包含有震磁关系的特征算法，也还不能对特征性的震前磁异常信号数据进行实时处理分析，只是起到记录的作用。我们通过震例分析和对大量的震区地磁数据研究，在震磁关系上明确了震前磁异常的时空分布特征，并确立了地震震级与地磁场异常之间的数理关系，这使得震前地磁异常能够被量化并与地震对应起来，在以测磁敏感性和分辨力好的电子测磁感应监测地磁异常时，可以找出地震前地磁扰动有预警意义的磁异常信息，及时做出预警反应。

随着震磁研究的深入所带来的震磁关系新进展，以及磁探测技术的发展，电子技术的成熟，利用地磁监测预警地震变得越来越现实和容易，预警的有效性和可靠性也优于其他手段，技术成本也越来越低。本发明针对地震前特征性磁异常信号进行磁场监测和预警，可以供民用和地震研究专业的防震预警。符合国家法律倡导的加强群测群防，实现防震减灾的要求。

三：发明内容

本发明采用电子测磁并计算处理符合震前磁异常信号特征的地磁变化进行防震预警，目的在于提供一种实用性强，灵敏准确，与震前磁异常对应关系好，操作方便的电子测磁感应震前磁变化进行临震预警的装置。本发明不但提供比使用地震波原理P-S波预警足够充裕的预警时间，而且在测磁方式上，完全克服了通常的指南针原理的地磁感应预警器因指南针的磁针机械特性以及响应频率范围的限制，产生其磁针运动显示的偏角及倾角对应震前磁变化不准确，对于微细磁场变化反应不灵敏而影响报警的不足。

本发明的电子测磁部分使用对地磁场感应灵敏的电子测磁元件磁阻传感器和磁通传感器，有效感知地震前的地磁场异常信号。磁通测磁传感器使用高磁导率又具低矫顽力的金属磁芯，绕有初级线圈和次级线圈，在激磁作用下，磁芯在弱磁场中就可达到饱和磁化，感应线圈出现随环境磁场强度而变的电势特征，然后由高性能的滤波电路测量偶次谐波分量将输入磁通转换成与之对应电压，两个次级线圈的输出电压差与磁通量的变化率成正比，测量此电压可知地磁场变化。对于磁变化感应要求更高的条件时，可以加用磁阻传感器对更微弱的震前磁异常信号变化进行监测。磁阻传感器利用其内部金属电阻在磁场中的变化，如外加磁场与磁性金属内部的磁化方向平行时，金属的电阻基本没有变化，但外加磁场方向偏离金属内部磁化方向时，金属电阻减小的特性，产生不同的电压，因此可监测所处环境的磁场变化。磁通门和磁阻传感器对于震前数小时前开始出现的微小的异常磁信号就已很敏感，电子测磁具有高灵敏度线形输出的特性，可以完全满足分辨低至10纳特的磁异常信号的要求。

使用磁阻和磁通门敏感的测磁传感器，由于其分辨力高，测量磁场范围宽，测量结果可靠重复性好，能够直接测量磁场的分量等优点，就适合于地磁场变化的实时监测，将地磁场Z，H，F分量的相对和绝对大小信号转化为电信号，通过放大电路将信号放大增强，通过滤波电路将基本的干扰去除，同时将信号存储起来，在磁场信号数据处理中心，一方面与历史数据对比，另一方面利用震磁关系研究进展所得的特征性震前磁异常信号特征算法来进行计算。震前磁异常变化在分变幅的频率上Z分量异常表现明显，而在H分量上表现不明显。按照我们震前磁异常研究的计算结果推算，采用包括了能量衰减平方反比关系，磁信号加卸载响应比和转换函数，测算磁方位角的特殊算法可以反演出磁场异常的来源和大小，根据不同的异常频率和特征，计算出符合震磁关系地震预警的条件。当电子测磁所感应的地磁信号经计算的结果显示符合根据震磁原理推得的异常关系，就触发声光报警。本发明中所带有的平衡修正参数及报警阈值设置，都可通过人机交互界面进行设定，用于提高***精度。算法包及历史数据均可根据不同环境条件的要求进行更新调整。

本发明电子感应震前特征性磁异常的防震预警器，包含磁传感器模块一个，作为电子测磁部分，并与地磁信号信息处理模块相连接。信息处理模块还包含RAM存储器两个，作为数据存储和计算暂存用。本发明对于需要发出预警的异常磁信号的判断设置，是按照我们进行震磁关系的异常信号特征研究所取得的震中地区磁场异常特征及其衰减函数公式进行，利用这些关系和历史数据可以很好的判定是否为重大地质异常的信号，该算法包以及程序包含在磁信号信息处理模块中。信息处理模块与仪器包含的一个带有背光灯的液晶显示屏连接。液晶屏上的电子数字显示反映出磁场变化，液晶显示器上包含有模拟指针的方向显示和角度变化的数字显示。信息处理模块也与报警模块相连接，其中包含LED报警灯作为光警示和声音警报器。警报器采用现有的声光器或蜂鸣器或发光二极管或震动器，在有磁场异常变动时被触发报警。本发明仪器的电源模块包含直流供电接口和交流供电接口各一个，为整个装置提供电源支持。本发明还带有一个指南针模块，以机械测磁辅助对周围磁场变动的直观观测。

电子测磁传感器工作时，监测两轴或三轴方向的磁场大小，根据磁场大小和方向的变化来获得磁偏角和倾角的改变。本发明以液晶屏供观察监测磁场异常变化，在震前磁异常变化发生时，电路信号触发声光报警。由于整个设备包含的电路及电子器件可能产生电磁干扰，而设备又为检测磁场的设备，所以在设计上采取了磁屏蔽及电路磁平衡设计。以电子测磁如磁通传感器感应周围磁场，对磁场的响应频率范围与指南针对磁场响应的频率不同，机械指南针的响应频率一般较电子式的低，而且不易受电磁波干扰，因此本发明在对磁场变化的直观观察方式上，采用以电子式和机械式的相互补充，可以达到对更宽的频率适应范围。

利用测定地磁异常触发报警的基本步骤是，首先利用磁通和磁阻传感器以及配合电路，获得的地磁场信号数据与历史稳定地磁场数据作比较，获得磁场的扰动幅度，同时监测磁场变化大小和方向，然后将这些信息通过震磁关系特征分析方法进行计算，获得异常指标，如果这些异常指标满足预设的阈值就触发声光报警。

本发明体积小，安装使用便携方便，克服了专业地磁测量仪器庞大，难于使用的缺点，能够用于各种环境，家庭、学校、办公场所都可以安装。比大型专业磁测量设备具有更好的环境适应性和数据分析可拓展性。

四：附图说明

图1是本发明装置的构造图。

图中：

1001：电子测磁模块；

1002：放大电路模块；

1003：滤波电路模块；

1004：中央数据处理器；

1005：液晶磁变化显示屏；

1006：声光报警模块；

1007：指南针模块；

1008：平衡设置；

1009：实测设置；

1010：电源模块。

图2是本发明的主要模块和电路组成示意图。

图中：

2001：磁阻测磁模块电路部分，磁变化信号由此转换为电信号；

2002：滤波电路模块，去除信号基本干扰；

2003：放大电路模块，将磁场转换信号放大；

2004：供电模块，为***提供电源；

2005：平衡储存控制模块，将接受和计算的数据存储并平衡监测；

2006：磁信号计算中心处理模块，负责处理磁信息数据；

2007：声光警报电路部分，发出声光报警信号。

图3是本发明磁信号处理根据的算法及震磁关系图。

图4是本发明显示磁变化的液晶屏示意图。

图中：

4001：磁场方向模拟显示；

4002：正常及异常磁场字符显示；

4003：磁场偏角数值显示；

4004：机械指南针显示。

五：具体实施方式

如图1所示，本发明以液晶显示的电子测磁防震预警器包括电子测磁模块1001，和与之相连接的放大电路1002，滤波电路1003，由1001，1002，1003组成的电子测磁部分与中央处理器1004相连接，中央处理器与液晶显示屏1005，声光报警器1006相连接。其中电子测磁模块1001采用磁通传感器测磁和具更高测磁灵敏度和抗干扰特性的磁阻传感器测磁装置，将所感应的磁信号转变为电信号。整个仪器还包括与电源模块1010连接电子测磁部分，中央处理器，声光报警和液晶屏，电源模块包含直流供电及交流供电两部分，保证***的工作供电，断电保护，弱电提示。测磁平衡设置1008与中央处理器相连接，提供平衡设置，实测设置1009与中央处理器连接，提供测磁设置。

本发明通过电子测磁感应磁场方向和大小改变的情况下，将磁场变化转变输出不同的电信号，磁变化经数据中心处理器计算分析，传出到液晶屏由数字显示磁场的方向改变和磁信号变化大小，当所计算的特征性磁信号超出报警模块的阈值设定时，就触发报警。机械指南针作为观察和探测地磁场变化的辅助装置。

本发明的使用方法：将仪器接通电源，电子测磁传感器检测周围磁场，经平衡程序设置进行周围磁场平衡后，即可实时监测地磁场变化，通过所带液晶屏上的模拟方向显示和偏角数字显示，可以观察监测本发明装置周围环境的磁场变化，根据所设定的平衡参数及报警阈值，当监测感应到地震前的地磁场异常信号超过报警阈值，即触发声光警报，作为防震预警。

本装置可以放在家庭或办公室，注意远离电磁干扰及金属物品，不需要复杂的安装，接上电源，设定平衡参数及报警阈值，平衡磁场后即可监测周围磁场的变化，当磁异常符合预先设定参数时就发出声光警报。

上述实施例仅为说明本发明而列举，并非用于限制本发明，任何基于本技术方案所变换的等同效果的结构，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用电子感应震前特征性磁异常的防震预警器，其特征是：以地磁场为稳定的背景磁场，利用磁通磁阻传感器感应地磁场异常扰动的大小和方向，将地磁场变化信号转变为电信号传递给中心处理器信息处理模块计算分析，输出信号传送给液晶显示屏和声光报警，液晶屏显示磁场的方向和磁偏角数值，中心处理器决定磁变化符合震磁原理的磁异常时，将信号经由声光报警电路触发报警实现防震预警。

2.根据权利要求1中所述的磁通磁阻传感器，其特征是：集成的磁通和磁阻传感器，可以监测二轴以上的地磁变化信号，并将磁信号转换为电信号，并与放大和滤波电路连接。

3.根据权利要求2中所述的磁通磁阻传感器，其特征是：其测量的磁偏角分辨率可达±0.5度，磁阻传感器感应磁异常分辨力可达10nT，测量范围最大至100000nT。

4.根据权利要求1中所述的震前地磁异常感应器，其特征是：能够存储磁场信号，并根据震磁原理和地震前磁异常时空分布特征，计算分析处理磁场变化信号，计算方法涉及能量衰减呈平方反比，加卸载响应比地磁分析法以及矢量磁方位角计算。

5.根据权利要求1中所述的电子测磁技术感应地磁变化的测磁临震预警器，其特征是：所述的液晶屏显示模拟的磁场方向，显示磁场方向的字符和显示磁偏角的数值。

6.根据权利要求1中所述的电子测磁技术感应地磁变化的测磁临震预警器，其特征是：所述的警报器包括声光器或蜂鸣器或发光二极管或振动器。

7.根据权利要求1中所述的电子测磁技术感应地磁变化的测磁临震预警器，其特征是：带有机械指南针作为基本地磁场辅助观察装置。

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