高铁地震预警系统的研究
高速铁路系统安全监测与预警技术研究
高速铁路系统安全监测与预警技术研究随着社会的发展，高速铁路已经成为现代交通运输领域的重要组成部分。
高速铁路的建设和运营对于国家经济的发展和人民生活的改善都起到了积极的推动作用。
然而，高速铁路的安全问题也是不可忽视的。
为了确保高速铁路系统的安全运营，需要进行有效的监测与预警技术研究。
高速铁路系统的安全监测是指通过对列车、轨道、信号设备等关键元素的实时监测，及时发现问题并采取相应的措施，保障系统的稳定运行。
这其中包括运用先进的传感器技术，对列车的运行状态进行监测和记录。
例如，通过安装在列车上的传感器，可以实时监测列车的速度、轨道质量、空气压力等重要参数，以及检测到异常情况时进行报警。
同时，对轨道的安全监测也是至关重要的。
高速铁路系统需要采用精密的监测装置对轨道进行定期巡检和监测，以发现和修复任何可能的破损和损伤，确保列车的安全运行。
在高速铁路系统安全监测的基础上，预警技术的研究也是必要的。
预警技术的目的是提前预知可能发生的安全问题，并及时采取措施避免事故的发生。
高速铁路系统安全预警技术需要结合大数据分析、智能算法和实时监测信息，构建一个完善的预警系统。
通过对历史数据的分析和模型建立，可以预测未来可能发生的问题，例如列车的故障、信号系统的异常等。
一旦预警系统发现异常情况，它将自动触发警报，并向相关工作人员发送实时信息，以便他们能够快速应对和解决问题，确保列车和乘客的安全。
在高速铁路系统安全监测与预警技术研究方面，需考虑以下几个方面：首先，技术研究要与现实问题相结合。
高速铁路系统安全监测与预警技术的研究应该以实际问题为导向，注重解决现有高速铁路系统存在的安全问题。
研究人员应该与实际运营人员密切合作，深入了解实际运营情况，并提供可行的技术解决方案。
其次，技术应用要注重可行性和可靠性。
在开展技术研究的过程中，需要对不同的监测与预警技术进行评估和测试。
要确保所开发的系统稳定可靠，能够在各种不同的环境条件下正常运行。
日本高铁地震监测预警系统对中国的启示
１ 引言
地 震 是 一种 发 生 概率 相 对 较小 ， 但 具 有 突 发性
级改 造提 供参 考 。
且危害性大的特殊灾害， 它能造成高速铁路轻者脱 轨， 重 者车毁 人 亡 。 因此 一 些 地震 灾 害频 繁 的 国家
和地 区 ， 如 日本 、 中 国台 湾 和法 国等 ， 都 建 立 有 自己 的高铁 地震 监测 预警 系统 Ｊ 。其 中以 １ ３ 本 高 铁 预
ＥＮＬＩ ＧＨＴＥＮＭ ＥＮＴＳ ＯＦ ＥＡＲＴＨＱＵＡＫＥ ＥＡＲＬＹ Ｗ ＡＲＮＩ ＮＧ Ｓ ＹＳ ＴＥＭ Ｓ
ＦｏＲ ＨＩ ＧＨ Ｓ Ｐ ＥＥＤ ＲＡＩ ＬＷ ＡＹＳ Ｉ Ｎ Ｊ ＡＰＡ Ｎ
Ｈｕ ａ ｎ ｇ Ｊ ｕ ｎ， Ｃ ｈ ｅ ｎ Ｚ ｈ ｉ ｇ ａ ｏ ａ ｎ ｄ Ｙａ ｎ ｇ Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ
警 系统 建立 最早 技 术 也最 成 熟 ， 并 在 多 次 地 震 中取
得减灾 实 效 ， 如 ２ ０ ０ ４年 新 泻 地 区 的 ６ ． ８级 地 震 和
２ ０ １ １ 年 ３月 １ １ ３ １ ９级大地震。分析 １ ３ 本高铁地震 监测预警系统的发展历程 ， 根据 中国现有高铁地震 监 测预 警 系统现 状 ， 提 出优 化建 议 ， 为 以后 系 统 的升
ｇ ｅ ｓ， ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｎ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｅ ａ ｒ ｔ ｈ ｑ ｕ ａ ｋ ｅ ｅ ａ ｒ ｌ ｙ ｗａ ｒ ｎ ｉ ｎ ｇ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｓ ｏｒ ｆ ｈ ｉ ｇ ｈ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｒ ａ ｉ ｌ ｗａ ｙ ｓ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｅ ｄ ｉ ｎ Ｃｈ ｉ ｎ ａ． Ｆ ｉ ｎ ａ ｌ ｌ ｙ，
高速铁路地震监测预警系统与中国地震局台站联网预警（技术）研究
高速铁路地震监测预警系统与中国地震局台站联网预警（技术）研究 白鑫 等
高速铁路地震监测预警系统与
中国地震局台站联网预警(技术)研究
白 鑫：中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，副研究员，北京，100081 黄志斌：中国地震台网中心，正研级高级工程师，北京，100045 张洪宇：中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，研究员，北京，100081 杨 陈：中国地震台网中心，高级工程师，北京，100045 刘晓雨：中国地震台网中心，工程师，北京，100045
流服务器
图4 实时数据共享方案
监测台站 监测台站 监测台站
地震系统
高铁系统
中国地震 台网中心
信息服务器
自动速报 人工速报
公共数据 交换区
信息服务器
自动速报 人工速报
铁路局中心系统 信息服务器
铁路局中心系统 信息服务器
铁路局中心系统 信息服务器
图5 地震速报信息共享方案
4 中国地震局台网信息在高速铁路地震监测预警系统中的作用
流服务器
高铁系统
监测台站
铁路局 中心系统
流服务器
监测台站 监测台站
地震台站 地震台站 地震台站
省级地震 台网中心
流服务器
实时数据
公共数据 交换区
流服务器
铁路局 中心系统
流服务器
监测台站 监测台站 监测台站
地震台站 地震台站 地震台站
省级地震 台网中心
流服务器
实时数据 公共数据 交换区 流服务器
铁路局 中心系统
定：“沿线地震动峰值加速度大于0.1g 的地区应设置地震监控 自业务应用的行业专用网络，均采用高速专线作为
CHINESE RAILWAYS 2015/03
高速铁路防灾减灾能力分析及其改进方案研究
高速铁路防灾减灾能力分析及其改进方案研究高速铁路是一种高效便捷的交通运输方式，但在面临灾害风险时，其防灾减灾能力显得尤为重要。
本文将对高速铁路的防灾减灾能力进行分析，并提出相应的改进方案。
一、高速铁路防灾减灾能力的分析高速铁路面临的主要灾害风险包括地震、洪水和山体滑坡等自然灾害，以及恶劣天气条件和火灾等人为因素。
要分析高速铁路的防灾减灾能力，首先需要了解其存在的薄弱环节。
1. 地震风险地震可能对高速铁路和其设施造成巨大破坏，导致列车脱轨和设备故障。
高速铁路的桥梁、隧道和信号系统等关键结构需要进行抗震设计和加固，以确保其在强震时具备足够的稳定性和韧性。
2. 洪水风险洪水对高速铁路的影响包括铁路路基被冲毁、桥梁被冲垮和附近地面决口等。
高速铁路的设计和建设应考虑附近水流情况，并采取相应的防洪措施，如构建雨水排放系统和设置堤坝等。
3. 山体滑坡风险山体滑坡可能导致高速铁路被掩埋，严重威胁列车的安全运行。
高速铁路建设应避免潜在的滑坡区域，并进行地质勘探和监测，以及采取防护措施，如设置挡土墙和施加榆钢销等。
4. 恶劣天气和火灾风险恶劣天气和火灾可能导致高速铁路的疏散和停运。
高速铁路需要考虑气象条件，并设置相应的安全设备，以确保列车在恶劣天气下的运行安全。
此外，防火措施也应加强，包括定期消防检查和培训等。
二、高速铁路防灾减灾能力的改进方案为了进一步提高高速铁路的防灾减灾能力，以下是一些改进方案的建议。
1. 强化抗震措施在高速铁路的设计和建设中，应加强抗震性能和韧性。
这包括采用抗震设计和施工技术，以确保高速铁路在地震时有足够的稳定性。
此外，应加强地震监测和预警系统的建设，提前发现并采取相应的措施。
2. 加强水灾防治对于高速铁路沿线容易受到洪水威胁的区域，应加强水灾防治措施。
这包括提高铁路路基的抗洪能力，加固桥梁和设施，以及建设防洪堤坝和排水系统等。
3. 提高山体滑坡防护能力对于高速铁路经过潜在滑坡区域的路段，应进行仔细的地质勘探和监测。
高铁线路地震灾害影响评估与安全防护
高铁线路地震灾害影响评估与安全防护高铁作为现代化交通方式的代表，已经在全球范围内得到广泛使用。
然而，地震灾害对于高铁线路的影响是一个不可忽视的问题。
本文将探讨高铁线路地震灾害的影响评估与安全防护措施。
首先，高铁线路地震灾害的影响评估是确保乘客和列车安全的关键步骤。
通过对地震灾害的潜在影响进行评估，可以制定相应的防护措施和应急预案。
评估的关键因素包括地震强度、震中距离以及线路地质条件等。
为了更准确地评估地震对高铁线路的潜在影响，需要考虑地震触发的土壤液化、地震引发的地面位移和震后余震等。
通过综合考虑这些因素，可以预测高铁线路在不同地震条件下的受损程度，并制定相应的防护措施。
其次，高铁线路地震灾害的安全防护措施是确保乘客和列车安全的重要保障。
针对高铁线路地震灾害的特点，可以采取一系列的防护措施。
首先，可以通过加固路基和桥梁结构来提高线路的抗震能力。
例如，在设计和建设过程中采用特殊材料和结构，如橡胶隔震支座和防震岩石等。
其次，可以建立完善的监测系统，及时掌握线路的变形情况。
这包括地震监测仪器的安装和运行，以及定期的巡检和维护工作。
此外，还可以利用现代信息技术，如激光雷达、遥感和无人机等，在震后快速评估线路受损情况。
最后，应制定良好的应急预案和疏散方案，以确保乘客在地震发生时的安全。
此外，高铁线路地震灾害的研究也涉及到建设和运营成本的考虑。
地震防护措施的实施需要投入大量人力和财力，因此需要综合考虑成本和效益。
例如，可以采用灌浆加固和加厚挡土墙等改善地质条件的措施。
此外，还可以通过合理的线路规划和选址来降低地震灾害的风险。
这包括避免建设在地震活跃区域和地质灾害易发区等。
总之，高铁线路地震灾害的影响评估与安全防护是确保乘客和列车安全的关键环节。
通过对地震灾害的潜在影响进行评估，并制定相应的防护措施和应急预案，可以有效降低地震灾害对高铁线路的影响。
同时，还需综合考虑建设和运营成本，以实现长期的安全运营。
在未来的研究中，还可以进一步探讨高铁线路地震灾害的预警系统和抗震设计标准的更新。
高速铁路地震预警系统与地震台网融合预警技术研究
，可满足高速铁路地震预警系。
地震台网专用接口和铁路局集团公司中心系统属于铁路信息系统，通过设立一对接入路由器连接地震台IP 地址统一规划为铁路数据地址，地震台网IP 地址规划遵循其行业规定。
高速铁路地震预警系统与地震台网互联网络拓扑架构图如图2所示。
信息安全交换方案中国地震台网信息系统属于地震，地震台网专用接口属于铁路专，双方进行互联的过程应考虑信息安全交互的需求，一方发送故障不影响另外一方的日常运营，应设立信息安全交换区的方式来保障双方进行信息的安全交互。
高速铁路地震预警系统与地震台网信息安全交互如图3 图1 高速铁路地震预警系统与地震台网信息交互总体架构图Overall framework of information interaction between high-speed railway earthquake early-warning system and Chinese Seismic Network Center 省级中心地震监测台站铁路局集团公司中心系统强震台站专线核心交换机信息安全交区地震台网（北京）地震台网专用接口地震台网（广东）信息安全交区核心交换机网络安全设备信息安全交区核心交换机网络安全设备边界路由设备网络安全设备核心交换机信息安全交区边界路由设备网络安全设备网络安全设备传输专线传输专线传输专线边界路由设备边界路由设备边界路由设备………高速铁路地震预警监测铁路集团公司中心系统地震台网专用接口铁路传输网铁路传输网铁路数据通信网高速铁路地震预警监测铁路集团公司中心系统自系统的独立性。
在DMZ 区，地震台网和地震台网专用接口各自设立接口服务器，采用消息中间件的方式实现信息的快速交换，在DMZ 区域外彼此通过网闸[5]进行隔离，以保证信息传输的安全性能。
在应用层面上，通过信息加密、传输通道加密来实现双方之间的信息安全交互。
2 高速铁路地震预警系统与地震台网融合预警技术2.1 地震台网信息的利用分监测台站，和高速铁路台站一起组成网状布局利用地震台网和高速铁路台站实测波形数据，进行地震P 波预警。
高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统可靠性分析与优化研究
特别策划速铁路的列车运行速度高达300~350 km/h，列车在高速运行时可能遇到的灾害种类很多，主要包括：大风、暴雨、大雪、雷电、冰冻、地震、路基沉降、滑坡及泥石流、异物侵限等，不仅容易导致列车晚点、停运等情况发生，严重时还将诱发列车脱轨、线路损坏等事故，危及旅客生命财产安全。
以日本、法国、德国为代表的国外高速铁路，均建立了比较完善的高速铁路防灾系统，并制定了相关检修办法和运用管理规范，取得了良好的防灾减灾效果。
我国铁路部门一直把确保旅客生命财产和行车安全放在首位，同样建立了高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统（简称防灾系统），在保障高速铁路运营安全方面发挥了重要作用。
众多专家、学者也对如何更为有效地发挥防灾系统的安全保障作用开展了大量研究。
刘俊、包云、王瑞等[1-3]在阐述日本铁路综合防灾系统建设情况的基础上，提出完善大风监测报警系统、构建大雪防灾系统、试点建设地震早期报警系统等建设我国铁路综合防灾系统的建议；王俊、沈志凌、令狐勇生等[4-6]在总结国内外防灾安全监控系统方案的基础上，提出了我国高速铁路防灾安全监控系统设计方案；郭治国[7]开展了铁路防灾安全监控系统在沪宁高速铁路的应用研究，指出沪宁高速铁路防灾系统是架构于通信传输系统之上的一套集风、雨、异物侵限等灾害信息采集、分析、处理和指导、辅助安全行车的平台。
但由于多种原因，我国各条高速铁路防灾系统的技术水平以及设备等还存在差异，有必要针对相关系统的可靠性开展优化分析，促进高速铁路防灾系统运用管理水平的提高。
高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统可靠性分析与优化研究李晓宇，刘敬辉（中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081）基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2017F027、 2017T002-B）第一作者：李晓宇（1983—），男，副研究员，硕士。
摘 要：介绍我国高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统的构成和主要功能，在此基础上，确定运用故障率、设备故障报警率为衡量系统运用可靠性的2项关键指标参数，通过分析这2项指标，研究提出系统可靠性的主要影响因素。
地震预警系统的原理及实现方法
地震预警系统的原理及实现方法地震是一种摧毁性极强的自然灾害，其来势汹汹，时间又异常短暂，让人无法及时逃避，导致了很多无辜者的伤亡。
而地震预警系统就是为了解决这样的问题而存在的，它的实现可以多种途径，但基本原理却是一致的。
一、地震预警系统的原理地震预警系统原理的核心是基于地震波的传播速度差异实现的。
地震波主要有P波、S波以及地表面波等几种，它们的速度不同，产生的时间也不同。
P波与S波分别是纵波和横波，能够在地震发生后几秒钟内在地球内部传播到各个方向，而地表面波需要更长的时间才能到达地表。
地震预警系统利用这些不同特性，通过加速计等设备侦测到地震波信号后，根据信号传播的速度差异，计算出地震的发生时间和地震波到达时间的差值，从而判断可能受灾地区的位置。
一般来说，利用加速计检测到的地震波信号速度较快，可以在地震波到达受灾地区几秒钟之前触发预警系统，让可能受灾的人们有更多的时间进行紧急转移和应急措施。
二、地震预警系统的实现方法地震预警系统的实现方法可以从物理、计算机和网络等多个方面来考虑。
（一）物理建设方面地震预警系统的物理建设主要包括加速计的部署和地震观测站的建设。
加速计是检测地震波信号的核心设备，通过将加速计装到地表或者建筑物上，可以实时感应到地震波动情况。
同时，也需要在每个地区建设多个地震观测站，以便准确地测量地震波并确定地震地点。
（二）计算机技术方面地震波的传播速度是通过计算机模型模拟出来的，因此地震预警系统需要强大的计算机技术支持。
需要开发高性能算法，及时处理地震波传播的数据，根据传输数据分析地震波花费的时间与地震点的距离，来预警受灾地区和提供预警时间。
（三）网络传输方面地震预警系统通过网络传输信息给相关部门和民众，及时下发地震预警信息，提醒可能受灾的人们采取应急措施。
因此需要建立高效的网络传输系统。
适时的显示相关信息，例如：受灾地区、时间、震级等等，可以通过无线、短信、广播、电视等方式及时传播给所有可能受灾人群。
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高铁地震预警系统的研究吴鹏;陈志高;杨江;夏界宁【摘要】地震灾害对高铁的安全运营威胁颇大,为有效降低地震灾害对高铁安全运行的破坏,尝试研究一地震预警监控系统进行地震远程监控.本研究采用地震预警监控系统实时采集加速度传感器信号的同时进行滤波和P波捡拾等算法,实现地震识别和震级计算.经由实验证明,该地震预警监控系统能实现地震的实时监控和地震报警输出,可有效降低由地震灾害对高铁造成的危害[1-2].【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2018(041)005【总页数】5页(P1310-1314)【关键词】地震预警;P波捡拾;实时监控;高铁【作者】吴鹏;陈志高;杨江;夏界宁【作者单位】中国地震局地震研究所,中国地震局地震大地测量重点实验室,武汉430071;武汉地震科学仪器研究院有限公司,湖北咸宁437000;中国地震局地震研究所,中国地震局地震大地测量重点实验室,武汉430071;武汉地震科学仪器研究院有限公司,湖北咸宁437000;中国地震局地震研究所,中国地震局地震大地测量重点实验室,武汉430071;武汉地震科学仪器研究院有限公司,湖北咸宁437000;中国地震局地震研究所,中国地震局地震大地测量重点实验室,武汉430071;武汉地震科学仪器研究院有限公司,湖北咸宁437000【正文语种】中文【中图分类】TH89地震是具有极大破坏性的天然灾害,会直接影响高速铁路的运营安全,对铁路的基础设施破坏极大,从而导致高速列车脱轨、倾覆等严重事故[1-2]。
近年来,我国逐渐加大高铁基础设施的建设,并相继开通了京津、京沪、甘青、大西等高铁线路,地震的潜在威胁日益增大[2]。
针对上述问题,开始进行高铁地震预警系统的研究。
经实验证明,该研究能一定程度解决或减轻地震灾害对高铁的影响,对高铁的运营安全具有重大社会意义和经济意义。
1 方法背景地震发生时所产生的地震波主要分为P波和S波两种。
其中,P波的传播速度比较快,破坏性比较小;S波传播速度比较慢,但是破坏性大[3]。
因此,可利用P波和S波之间的速度差,在地震已经发生而破坏性的地震波还没有到达前的数秒至数十秒之间发出地震警报,并通知正在行驶的高速列车减速或者停车,避免造成安全事故。
地震预警技术可分为地震3要素预警和地震动阈值预警。
其中,地震3要素预警则是根据捡失P波特真信息进而推算出地震的震级、震源深度和震中距以及方位角等参数来判别地震的级别和方向。
地震动阈值预警则是通过判断S波到达后且对应加速度阈值是否超过设定阈值来判断地震级别产生预警[3-4]。
2 高铁地震预警系统组成高铁地震预警系统可与现场控制系统和地震安全监控以及预警平台对接构成高铁地震监控平台。
根据设计院要求,在高铁沿线每隔10 km～30 km布设一强震预警单元,高铁沿线多个单站点强震预警单元构建成一个近似于线性地震监测网络,实现强震报警和单点的P波预警。
线性地震监测网络在将来会逐步纳入国家地震监测台网,实现区域性质地震预警,提高预警性能[5]。
地震监测网络由多个强震预警单元构成,每个强震预警单元由机械式加速度计和强震数据处理单元组成。
目前,高铁地震预警系统主要布置在高铁沿线,依据设计院的要求选择性地将强震预警单元分别安装于部分牵引变电站和AT分区所等位置,作为防灾系统的一部分。
强震预警单元由两台地震数据处理单元和两台机械式加速度计组成,其中,地震数据处理单元集中安放在牵引变电站或AT分区所的专用机房内,集成于防灾系统机柜中,对风、雨以及异物等构成一套完成的防灾监控系统。
两个机械式加速度计则分别安装于场区的对角位置或同边位置。
设备布置结构图如图1所示。
图1 单点强震预警采集单元现场布置示意图3 强震预警采集单元结构和工作原理高铁地震预警系统主要功能是对加速度传感器进行地震数据采集,并对该地震数据进行滤波和算法处理,判断该信号是否为地震波,以及依据信号大小来判断对应的报警级别。
系统依据不同的报警级别输出不同的干节点信号,并将对应的地震事件进行本地存储和通过网络进行上传到服务器。
可以说,本文介绍的强震预警采集单元是集数据采集、分析处理、数据存储和报警等功能于一体的独立进行工作的系统。
强震预警采集单元具备高精度数据采集、地震报警输出、加速度传感器标定、地震事件存储以及SNTP对时等功能。
强震数据处理单元主要由传感器A、传感器B、两路三通道(通道之间相互独立)的24 bit AD板卡、控制板报警卡及Ni9606核心处理器板卡构成。
该数据处理单元分别对地震加速度传感器A和B的地震信号进行数据采集,并实时进行分析判断,当有地震发生时,根据数据处理结果分别给出小事件报警(P波报警)、S波1级报警和S波2级报警,并通过节点接口输出事件干节点报警信号。
当有故障产生时,给出故障节点报警干节点信号。
设备输出节点采用故障导向安全模式,当有故障产生时,地震报警输出节点均被屏蔽。
该设备结构框图如图2所示。
图2 强震数据采集单元内部结构图系统工作原理简单介绍如下,系统提供两路+15 V 直流电分别给传感器A和传感器B,并提供+24 V 电源分别给控制板卡和NI9606核心处理器板卡。
NI9606核心处理器控制两路三通道24 bit AD采集传感器A和传感器B的模拟地震信号并进行分析处理,达到P波或者S1、S2报警级别,则通过控制板卡进行报警节点输出,报警节点输出为干节点。
当系统处于死机等非正常工作模式时,将会控制控制板卡进行故障报警,故障报警节点也为干节点。
数据服务中心可远程通过服务器对强震数据处理单元进行工作状态查看和数据信息接收,并对报警节点进行判断,做出是否控制操作。
4 系统部件选型及功能简介4.1 加速度传感器选型本系统采用美国ES-T型机械式加速度传感器,该传感器包含3个EpiSensor力平衡式加速度计模块,其输出有4种模式:±2.5 V和±10 V单端输出、±5 V和±20 V 差分输出,其动态范围155 dB,带宽DC至200 Hz,其满量程共有5个档位:±0.25 gn,±0.5 gn,±1 gn,±2 gn,±4 gn。
应用时,根据现场实际需要选择±5 V或者±20V的差分输出模式,满量程档位则选择±1 gn。
4.2 三通道相互隔离24位A/D卡24位A/D采集卡主要包括有前端差分放大电路、AD控制电路以及时钟源电路等。
其原理图分别如图2～图5所示。
图3 前端差分前置放大电路图4 AD控制电路图5 时钟源电路在实际使用过程中,选择的加速度传感器可能有±5 V和±20 V差分输出两种类型,但是选用的AD采集芯片的输入量程只有±2.5 V,因此,为了满足输入的地震信号处于AD采集芯片的动态范围内,在AD采集芯片输入前端设计一前置差分放大电路,并设置有跳线帽,通过选择安插跳线帽来实现信号衰减等操作。
如图3所示,J1,J2,J3,J4分别为跳线帽,其3脚悬空断开,1脚和2脚分别作为跳线帽短路引脚。
(1)当加速度传感器选择输出量程为±20 V时,J1,J2,J3,J4的跳线帽分别选择断开状态,此时,运放U1A和U1B的输入电阻分别为16 kΩ,反馈电阻为1K,衰减倍数设置为1/8。
(2)当加速度传感器选择输出量程为±5 V时,J1,J2,J3,J4的跳线帽分别选择短接状态,此时,运放U1A和U1B的输入电阻分别为4 kΩ,反馈电阻为1 kΩ,衰减倍数设置为1/2。
在本前置放大电路设计中,选择OPA2211作为前置放大器,其等效输入噪声为1.1 nV/√Hz,在频率0.1 Hz～10 Hz时,其输入噪声为100 nVpp,由于地震信号的频率范围在0.1 Hz～20 Hz之间,因此,该运放非常适合用于本场合[6]。
本设计选择ADS1281作为AD转换器件,其控制电路如图4所示。
该A/D转换器具备高分辨率、高精度特性,其内置4阶ΔΣ调制器,可配置SINC、FIR和IIR滤波器,数据率为250 ksample/s～4 ksample/s,特别适合地震数据观测环境[7-8]。
在本文设计中,ADS1281的AINP和AINN端分别接如图4中的AIP0和AIN0。
采用有源晶振CRY_C3391-4.096 MHz作为时钟源,通过时钟分频器CDCLVC1108进行4分频并产生8路独立的时钟源信号分别提供6通道A/D数据采集,具体电路如图5所示。
当ADS1281完成A/D数据采集转换后,其DRDY引脚输出为低电平,用于通知Ni9606微处理器进行数据读取操作。
4.3 控制板卡控制板卡与NI9606和AD板卡互连,其功能包括:加速度传感器供电模块、抗混叠滤波器、加速度传感器标定模块,报警节点输出模块(P波报警、S1波报警、S2波报警以及故障报警等)。
其主要用于为加速度传感器进行供电,并对加速度传感器输出信号先进行抗混叠滤波处理而后接入24 bit AD采集,依据NI9606核心处理器板卡I/O口发送的高低电平控制序列来完成加速度传感器标定工作和对应报警节点输出。
强震数据处理单元处于工作模式时,主要是报警节点输出与防灾系统的采集单元进行对接,用以处理当前设备输出报警结果信息。
因此,如何保证设备在运行正常状态下能将报警信息通过干节点输出,并且在设备运行非正常状态下将报警信息节点屏蔽是十分关键的重点。
4.3.1 数字化加速度传感器标定电路标定控制信号主要包括:标定信号和标定使能,分别通过sbRIO-9606的两路DA数模输出端口AO0和AO1发送标定波形。
其中,AO0发送标定使能信号,高电平有效,输出高电平电压为+5 V,持续时间为5 s,持续时间结束后输出电平电压为0 V。
DA数模输出AO1为标定信号,在标定使能持续输出为高电平5 V期间,分别输出0 V,+1.25 V,0 V,-1.25 V,0 V,各输出状态持续1 s。
标定激励信号发送结束,传感器的3个轴向会返回相同等幅度波形。
4.3.2 故障导向安全继电器地震预警输出控制电路地震预警单元地震报警输出节点主要有P波(预留)、S1波、S2波和状态(故障)报警。
其中,P波、S1波和S2与状态(故障)节点输出逻辑为反逻辑,在结构上,状态(故障)节点分别与P波、S1波和S2进行串联。
当系统处于正常态,状态(故障)节点输出则为短路态,其示意图如图6所示。
当有P 波、S1波和S2报警产生时,其对应节点处于短路状态,当未产生P波、S1波和S2报警时,其对应节点处于断开状态,用户可依据对应报警节点的干节点输出状态来判断地震报警级别。
图6 闭合当系统处于异常态,状态(故障)节点输出则为断路态,其示意图如图7所示。