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目前，家用地震報警器對地震的檢測有兩種類型：一是檢測震動，主要通過檢測地震P波和S波在地層內(nèi)傳播速度差，實(shí)現(xiàn)對破壞性地震提前數(shù)十秒報警，給人們躲避地震提供準(zhǔn)備時間。二是檢測磁場變化。用于檢測磁場變化的技術(shù)，主要包括直接應(yīng)用電子傳感器的檢測技術(shù)和檢測物理指南針偏角的傳感技術(shù)兩種。直接應(yīng)用電子傳感器的檢測技術(shù)包含基于磁阻效應(yīng)的傳感技術(shù)和基于電子指南針的傳感技術(shù)等；檢測物理指南針偏角的傳感技術(shù)包含觸點(diǎn)式檢測、干簧管式檢測、霍爾元件式檢測等。以上直接應(yīng)用電子傳感器對磁場檢測的方法中，基于電子指南針的傳感技術(shù)靈敏度高，基于磁阻效應(yīng)的傳感技術(shù)靈敏度偏低。但電子指南針易受到無線電存在干擾，且對數(shù)據(jù)處理要求較高，根據(jù)此原理設(shè)計的地震報警器的家用效果并不理想。而通過物理指南針對磁場進(jìn)行檢測的方法中，傳感器對物理指南針角度的檢測靈敏度均偏低，導(dǎo)致傳感效果不理想。針對上述問題，本文對家用報警器進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，將光反射原理應(yīng)用于通過檢測物理指南針角度對磁場偏角進(jìn)行檢測的家用地震報警器中，能使其在保留較高抗干擾能力的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，獲得較高的檢測精度，實(shí)現(xiàn)對物理指南針角度的檢測進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，并指出其未來該領(lǐng)域的研究趨勢和應(yīng)用前景。

地震報警器中指南針傳感系統(tǒng)的工作原理及其

調(diào)試1、指南針傳感系統(tǒng)的工作原理當(dāng)指南針傳感系統(tǒng)中的指南針發(fā)生轉(zhuǎn)動時，鏡面與入射激光的夾角發(fā)生變化，反射光發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最終激光照到的光照傳感器改變。單片機(jī)通過讀取光照傳感器陣列的數(shù)據(jù)并利用幾何關(guān)系運(yùn)算即可得到實(shí)時的指南針角度。開機(jī)后，單片機(jī)通過光照傳感器陣列獲取實(shí)時的指南針角度。當(dāng)指南針角度穩(wěn)定后，報警器進(jìn)入警戒狀態(tài)。此時單片機(jī)記錄指南針初始角度，此后單片機(jī)會不斷讀取光照傳感器陣列的即時數(shù)據(jù)，換算為指南針角度后與初始角度進(jìn)行比較。當(dāng)磁場發(fā)生變化使指南針偏轉(zhuǎn)時，單片機(jī)運(yùn)算得到的指南針角度發(fā)生改變，單片機(jī)通過作差可以得到指南針偏角，控制報警器做出報警等相關(guān)響應(yīng)。同時，在指南針上放置的鏡片可在指南針圓盤的上表面內(nèi)繞圓盤圓心旋轉(zhuǎn)，此調(diào)整由使用者完成，且所用的激光發(fā)生器為“一”字形激光發(fā)生器，以確保激光能經(jīng)過鏡面反射并最終照射到水平放置的光照傳感器陣列的水平方向的中部。在應(yīng)用光反射原理的地震報警器中，需要采用遮光性能好的材料制作外殼以保證光敏元件穩(wěn)定工作。2、調(diào)試指南針傳感系統(tǒng)中光照傳感器與鏡片中心相距10cm，光照傳感陣列由一排寬度5mm的光敏電阻構(gòu)成，經(jīng)過簡單的幾何運(yùn)算，可以得出當(dāng)指南針偏角大于0.8°時，報警器將檢測到指南針的偏轉(zhuǎn)。用一塊磁鐵靠近本裝置來模擬磁場變化，報警器能在磁場發(fā)生較小變化時靈敏地對磁場變化進(jìn)行報警。裝置模型采用6V供電，在警戒狀態(tài)時功率不高于0.7W，適合長期開機(jī)運(yùn)行。報警器若采用觸點(diǎn)法檢測物理指南針，則其只能檢測到物理指南針是否接觸到觸點(diǎn)，且其中相關(guān)結(jié)構(gòu)很可能對物理指南針的正常旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生阻礙或?qū)ξ锢碇改厢槷a(chǎn)生不能忽略的引力干擾，而應(yīng)用光反射原理的檢測方式能較準(zhǔn)確地得到物理指南針的具體角度，使我們能為報警器設(shè)置可調(diào)的閾值，能更便捷地調(diào)整報警器的靈敏度以減少誤報，同時又能排除觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)對物理指南針產(chǎn)生干擾的弊端。可見此原理的應(yīng)用不僅能有效提高檢測靈敏度，還能為報警器具有更多功能提供條件。

地震報警器的結(jié)構(gòu)與功能

1、地震報警器的結(jié)構(gòu)和功能本文利用光反射原理設(shè)計家用地震報警器，采用光照傳感器陣列和單片機(jī)對物理指南針進(jìn)行檢測和分析，報警器能通過光反射將物理指南針的偏轉(zhuǎn)角度放大，其外觀見圖1。基于光反射原理的家用地震報警器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)可見圖2。其特征在于：其包括報警器殼體、設(shè)置在報警器殼體內(nèi)部的單片機(jī)控制系統(tǒng)、震動傳感系統(tǒng)和指南針傳感系統(tǒng)；所述震動傳感系統(tǒng)用于對震動進(jìn)行檢測，并將檢測信號發(fā)送到所述單片機(jī)控制系統(tǒng)；所述指南針傳感系統(tǒng)用于對磁場變化進(jìn)行檢測，并將檢測信號發(fā)送到所述單片機(jī)控制系統(tǒng)；所述單片機(jī)控制系統(tǒng)用于對接收到的震動信號和磁場變化信號進(jìn)行處理，得到震動幅度和指南針偏角，并根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行存儲、顯示和報警。具體結(jié)構(gòu)及其功能如下：圖1和圖2中，主要包括報警器殼體1、設(shè)置在報警器殼體1內(nèi)部的單片機(jī)控制系統(tǒng)2、震動傳感系統(tǒng)3和指南針傳感系統(tǒng)4。其中，震動傳感系統(tǒng)3用于對震動進(jìn)行檢測，并將檢測信號發(fā)送到單片機(jī)控制系統(tǒng)2；指南針傳感系統(tǒng)4用于對磁場變化進(jìn)行檢測，并將檢測信號發(fā)送到單片機(jī)控制系統(tǒng)2；單片機(jī)控制系統(tǒng)2用于對接收到的震動信號和磁場變化信號進(jìn)行處理，得到震動幅度和指南針偏角（即磁場變化），并根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行存儲、顯示和報警。單片機(jī)控制系統(tǒng)包括單片機(jī)主機(jī)、單片機(jī)從機(jī)、按鍵、液晶顯示器、蜂鳴器、第一電壓比較器、第二電壓比較器、時鐘電路、外部存儲器以及與上述各部件相連的供電電路及大功率驅(qū)動電路；所述第一、第二電壓比較器從所述震動傳感系統(tǒng)和指南針傳感系統(tǒng)采集電壓信號并與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，再將比較結(jié)果發(fā)送到所述單片機(jī)從機(jī)；所述單片機(jī)從機(jī)對所述第一、第二電壓比較器發(fā)送的比較結(jié)果進(jìn)行處理，得到震動信號和磁場變化信號后發(fā)送到所述單片機(jī)主機(jī)，同時完成對所述時鐘電路的信息讀取，并將提取的報警時刻、報警時的震動幅度和磁場偏角存儲到所述外部存儲器；所述單片機(jī)主機(jī)通過電源控制線與所述供電電路及大功率驅(qū)動電路相連，控制所述供電電路及大功率驅(qū)動電路為各部件供電，并對所述按鍵的輸入進(jìn)行檢測，同時根據(jù)所述單片機(jī)從機(jī)發(fā)送的震動信號和磁場變化信號發(fā)送報警信號到所述蜂鳴器和液晶顯示器，通過所述液晶顯示屏進(jìn)行信息交互和信息顯示。圖2中，單片機(jī)控制系統(tǒng)2包括單片機(jī)主機(jī)20、單片機(jī)從機(jī)21、按鍵22、液晶顯示器23、蜂鳴器24、第一電壓比較器25、第二電壓比較器26、時鐘電路27、外部存儲器28以及與上述各部件相連的供電電路及大功率驅(qū)動電路29。其中，單片機(jī)主機(jī)20分別與單片機(jī)從機(jī)21、按鍵22、液晶顯示屏23、蜂鳴器24和供電電路及大功率驅(qū)動電路29相連，單片機(jī)從機(jī)21分別與第一電壓比較器25、第二電壓比較器26、時鐘電路27和外部存儲器28相連，第一、第二電壓比較器25、26分別與震動傳感系統(tǒng)3和指南針傳感系統(tǒng)4相連，供電電路及大功率驅(qū)動電路29通過電源線291與外部電源相連，電源線291上設(shè)置有電源開關(guān)292。第一、第二電壓比較器25、26從震動傳感系統(tǒng)3和指南針傳感系統(tǒng)4采集電壓信號與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果發(fā)送到單片機(jī)從機(jī)21；單片機(jī)從機(jī)21對第一、第二電壓比較器25、26發(fā)送的比較結(jié)果進(jìn)行處理得到震動信號和磁場變化信號后發(fā)送到單片機(jī)主機(jī)20，同時完成對時鐘電路27的信息讀取（即獲取報警時刻），并將報警時刻、報警時震動幅度和磁場偏角存儲到外部存儲器28；單片機(jī)主機(jī)20通過電源控制線與供電電路及大功率驅(qū)動電路29相連，控制供電電路為各部件供電，并對按鍵22的輸入進(jìn)行檢測，同時根據(jù)單片機(jī)從機(jī)21發(fā)送的震動信號和磁場變化信號進(jìn)行分析，發(fā)送報警信號到蜂鳴器24和液晶顯示器23，通過液晶顯示屏23進(jìn)行信息交互和信息顯示。震動傳感系統(tǒng)包括杠桿裝置和光反射檢測裝置；所述杠桿裝置用于檢測地面震動，所述光反射檢測裝置用于將所述地面震動的幅度進(jìn)行放大，最終轉(zhuǎn)化為電信號，并發(fā)送到所述單片機(jī)控制系統(tǒng)，如圖3所示。圖3中，震動傳感系統(tǒng)3包括：杠桿裝置31和光反射檢測裝置32。其中，杠桿裝置31包括底座311、兩立柱312、彈簧313、旋轉(zhuǎn)軸314、杠桿315和配重物316。底座311固定設(shè)置在報警器殼體1底部，其一端上表面兩側(cè)分別豎直設(shè)置兩立柱312，兩立柱312頂部通過螺栓固定連接一旋轉(zhuǎn)軸314，杠桿315一端可轉(zhuǎn)動地穿設(shè)在旋轉(zhuǎn)軸314一側(cè)，并通過旋轉(zhuǎn)軸314上的定位螺栓固定，杠桿315另一端固定設(shè)置配重物316；彈簧313一端固定設(shè)置在靠近兩立柱312的底座311上表面，另一端與杠桿315下表面固定連接，使得杠桿315在平衡時呈水平狀態(tài)。光反射檢測裝置32包括第一鏡片321、第一激光發(fā)生器322和第一光敏電阻陣列323。其中，第一激光發(fā)生器322固定設(shè)置在底座311上靠近立柱312處，且第一激光發(fā)生器322的激光出射方向豎直向上；第一鏡片321固定設(shè)置在位于第一激光發(fā)生器322正上方的杠桿315上，且與杠桿315呈45度角；第一光敏電阻陣列323豎直固定設(shè)置在報警器殼體1側(cè)壁上，并使杠桿315平衡時第一激光發(fā)生器322發(fā)出的激光經(jīng)鏡片321反射后的落點(diǎn)位于第一光敏電阻陣列323的中部。第一激光發(fā)生器322通過導(dǎo)線與單片機(jī)控制系統(tǒng)2中的供電電路相連，第一光敏電阻陣列323通過導(dǎo)線與單片機(jī)控制系統(tǒng)2中的第一電壓比較器25相連。當(dāng)?shù)鬃?11發(fā)生震動時，杠桿315與底座311的相對位置發(fā)生改變，杠桿315繞旋轉(zhuǎn)軸314轉(zhuǎn)動，第一鏡片321與入射激光的夾角發(fā)生變化，反射光方向偏轉(zhuǎn)，最終激光照到第一光敏電阻陣列323上的位置改變。信息經(jīng)單片機(jī)控制系統(tǒng)2處理后可以轉(zhuǎn)化為角度數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到震動幅度。杠桿裝置包括底座、兩立柱、彈簧、旋轉(zhuǎn)軸、杠桿和配重物；所述底座固定設(shè)置在所述報警器殼體底部；兩所述立柱分別豎直設(shè)置在所述底座一端上表面兩側(cè)；所述旋轉(zhuǎn)軸通過螺栓固定連接在兩所述立柱頂部；所述杠桿一端可轉(zhuǎn)動地穿設(shè)在所述旋轉(zhuǎn)軸一側(cè)，并通過所述旋轉(zhuǎn)軸上的定位螺栓固定，所述杠桿另一端固定設(shè)置所述配重物；所述彈簧一端固定設(shè)置在靠近兩所述立柱的所述底座上表面，另一端與所述杠桿下表面固定連接，使得所述杠桿在平衡時呈水平狀態(tài)。光反射檢測裝置包括第一鏡片、第一激光發(fā)生器和第一光敏電阻陣列；所述第一激光發(fā)生器固定設(shè)置在所述底座上靠近所述立柱處，且所述第一激光發(fā)生器的激光出射方向豎直向上；所述第一鏡片固定設(shè)置在位于所述第一激光發(fā)生器正上方的所述杠桿上，并與所述杠桿呈45度角；所述第一光敏電阻陣列豎直固定設(shè)置在所述報警器殼體側(cè)壁上，并使所述杠桿平衡時所述第一激光發(fā)生器發(fā)出的激光經(jīng)所述第一鏡片反射后的落點(diǎn)位于所述第一光敏電阻陣列的中部；所述第一激光發(fā)生器和第一光敏電阻陣列通過導(dǎo)線與所述單片機(jī)控制系統(tǒng)相連。指南針傳感系統(tǒng)包括用于檢測地磁角度變化的物理指南針和指南針偏角檢測裝置；所述物理指南針固定設(shè)置在所述報警器殼體底部內(nèi)側(cè)，所述指南針偏角檢測裝置用于將所述物理指南針檢測的地磁角度信號經(jīng)過激光放大后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柊l(fā)送到所述單片機(jī)控制系統(tǒng)，具體包括有固定在外殼上的激光發(fā)生器，由底座、可旋轉(zhuǎn)圓盤和固定于其下方的兩塊磁鐵構(gòu)成的指南針、指南針上放置的可隨指南針旋轉(zhuǎn)的鏡面、位于激光落點(diǎn)處的水平放置的光照傳感器陣列。如圖4所示。物理指南針包括底座、可旋轉(zhuǎn)圓盤和兩塊磁鐵，所述底座固定設(shè)置在所述報警器殼體底部內(nèi)側(cè)，其上豎直固定設(shè)置有一帶尖端的鋼軸；所述可旋轉(zhuǎn)圓盤活動放置在所述鋼軸尖端上，其下部對稱固定設(shè)置兩塊所述磁鐵，兩所述磁鐵的磁極指向相同，所述兩塊磁鐵的磁極指向相同，方向均沿著所述可旋轉(zhuǎn)圓盤的同一條直徑方向。指南針偏角檢測裝置包括第二鏡片、第二激光發(fā)生器和第二光敏電阻陣列，所述第二鏡片可轉(zhuǎn)動地放置在所述圓盤中央，所述第二激光發(fā)生器和第二光敏電阻陣列固定設(shè)置在與所述第二鏡片處于同一水平高度處的所述報警器殼體側(cè)壁上，使得所述物理指南針穩(wěn)定時，所述第二激光發(fā)生器發(fā)出的激光沿水平方向照射在所述第二鏡片的中部并與其成45度角，且激光經(jīng)所述第二鏡片反射后的落點(diǎn)位于所述第二光敏電阻陣列中部；所述第二激光發(fā)生器和第二光敏電阻陣列均通過導(dǎo)線與所述單片機(jī)控制系統(tǒng)相連。在圖3、圖4中，指南針傳感系統(tǒng)4包括：物理指南針41和指南針偏角檢測裝置42。其中，物理指南針41包括底座411、可旋轉(zhuǎn)圓盤412和兩塊磁鐵413，底座411固定設(shè)置在報警器殼體1底部內(nèi)側(cè)，其上豎直固定設(shè)置有一帶尖端的鋼軸；可旋轉(zhuǎn)圓盤412活動放置在鋼軸尖端上，其下部對稱固定設(shè)置兩塊磁鐵413，兩塊磁鐵413的磁極指向相同，方向均沿著可旋轉(zhuǎn)圓盤412的同一條直徑方向。指南針偏角檢測裝置42包括第二鏡片421、第二激光發(fā)生器422和第二光敏電阻陣列423，第二鏡片421可轉(zhuǎn)動地放置在可旋轉(zhuǎn)圓盤412中央，第二激光發(fā)生器422和第二光敏電阻陣列423固定設(shè)置在報警器殼體1側(cè)壁上與第二鏡片421處于同一水平高度處，使得物理指南針41穩(wěn)定時，第二激光發(fā)生器422發(fā)出的激光沿水平方向照射在第二鏡片421的中部并與其成約45度角，且激光經(jīng)第二鏡片421反射后的落點(diǎn)位于第二光敏電阻陣列423中部。第二激光發(fā)生器422通過導(dǎo)線與單片機(jī)控制系統(tǒng)2中的供電電路29相連，第二光敏電阻陣列423通過導(dǎo)線與單片機(jī)控制系統(tǒng)2中的第二電壓比較器26相連。當(dāng)物理指南針41發(fā)生轉(zhuǎn)動時，第二鏡片421與入射激光的夾角發(fā)生變化，反射光方向偏轉(zhuǎn)，最終激光照到第二光敏電阻陣列423上的位置改變。第二光敏電阻陣列423將采集的光信號轉(zhuǎn)化為電信號后，電信號由單片機(jī)控制系統(tǒng)2進(jìn)行接收和處理，進(jìn)而得到指南針角度。

地震報警器的實(shí)施過程

首先將報警器放置在穩(wěn)定且遠(yuǎn)離磁場干擾處，并接通電源；然后根據(jù)液晶顯示屏23的提示通過按鍵22選擇震動傳感系統(tǒng)3所需的靈敏度，也可關(guān)閉震動傳感系統(tǒng)3；之后根據(jù)液晶顯示屏22上的提示內(nèi)容調(diào)節(jié)物理指南針41上第二鏡片421的放置角度，直到第二激光發(fā)生器422發(fā)出的激光沿水平方向照射在第二鏡片421的中部并與其成約45度角，且激光經(jīng)第二鏡片421反射后的落點(diǎn)位于第二光敏電阻陣列423中部；物理指南針41穩(wěn)定后報警器自動進(jìn)入警戒狀態(tài)，液晶顯示屏23自動熄滅。此時可通過按鍵22開啟液晶顯示屏23，查看外部存儲器中存儲的近期報警次數(shù)以及數(shù)據(jù)庫中的歷史報警參數(shù)記錄。報警器被觸發(fā)時，單片機(jī)主機(jī)20發(fā)送報警信號到液晶顯示屏23和蜂鳴器24，液晶顯示屏23根據(jù)報警信號自動亮起，并顯示本次報警過程中的最大震幅和物理指南針的最大偏角，蜂鳴器24根據(jù)單片機(jī)主機(jī)的報警信號自動響起，并根據(jù)單片機(jī)主機(jī)20的控制信號，在2分鐘后自動停止報警。報警期間，通過按下對應(yīng)按鍵可以終止報警，此時根據(jù)液晶顯示屏23提示通過按下對應(yīng)按鍵控制報警器是否將本次報警的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行存儲。報警停止后，報警器等待內(nèi)部物理指南針恢復(fù)穩(wěn)定，穩(wěn)定后重新進(jìn)入警戒模式。當(dāng)彈簧313彈性減弱時，震動傳感系統(tǒng)3中杠桿315的平衡位置會發(fā)生改變，且不會恢復(fù)。單片機(jī)控制系統(tǒng)2檢測到這種激光落點(diǎn)的單向持續(xù)偏移時，可確定彈簧彈性已經(jīng)減弱。當(dāng)杠桿315平衡位置偏移量過大，以至激光落點(diǎn)偏移至第一光敏電阻陣列323的邊緣時，彈簧313彈性已經(jīng)減弱過多并開始影響對震動的正常檢測，此時液晶顯示屏23會在單片機(jī)控制系統(tǒng)2的控制下亮起并顯示“震動傳感器錯誤”以提醒使用者更換彈簧。

結(jié)語

本文的主要創(chuàng)新點(diǎn)在于，通過光反射原理對指南針偏角進(jìn)行放大，使應(yīng)用此原理的地震報警器與其他使用物理指南針的產(chǎn)品相比大幅提高了靈敏度，又避免了使用電子指南針時出現(xiàn)的易受電磁波干擾的弊端。且這樣的結(jié)構(gòu)不會對指南針的正常偏轉(zhuǎn)造成任何影響。這樣能使應(yīng)用物理指南針的家用地震報警器具有可觀的檢測精度，充分發(fā)揮出其抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢，使我們能設(shè)計制造出更可靠、更實(shí)用的家用地震報警器。因此，若能有效解決對物理指南針角度檢測靈敏度不足的問題，我們將會有更大的希望基于通過檢測物理指南針角度檢測磁場角度的原理設(shè)計出更適合家用的地震報警器。這種光反射原理還可以拓展到其他產(chǎn)品中，例如其能在必要時提供對物理指南針三維角度進(jìn)行精確檢測的方案。未來研究和應(yīng)用將圍繞以下三個問題展開：第一，指南針傳感系統(tǒng)中所用光敏傳感器陣列的靈敏度較低，實(shí)際應(yīng)用中可通過采用更精密的光敏傳感元件對激光落點(diǎn)進(jìn)行更精確的檢測。這樣能夠進(jìn)一步提高磁場檢測精度。第二，所用物理指南針較為笨重，而具有哪些特點(diǎn)的物理指南針更適合在地震報警器中作為磁場檢測元件的問題還有待研究。第三，物理指南針只能在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，而能否通過使物理指南針繞其質(zhì)心三維旋轉(zhuǎn)，來擴(kuò)展地震報警器的磁場檢測范圍也有待進(jìn)一步研究。

作者：岳晨昊 單位：西安北大科技園創(chuàng)新基地