智能地动仪 论文

张衍波

地震的发生虽然有其一定的规律，但由于各地地质结构千差万别，震源普遍
很深，致使这种规律十分复杂,局部地区或小范围测量已不能满足准确监测的需
求。而高密度的数据采集网络是有利于通过统计方法监测和预报地震的。而且在
地震多发区，人们也都希望自己有一台地动仪能为家庭和工作单位提供防震依
据。
本作品基于TI公司的MSP430F247混合信号处理器，利用装载重物的称重传
感器感知地面震动，经信号调理电路将信号放大滤波，最终得到的地面震动信号
经ADC 采样后送PC 机处理、保存，为家庭及企事业单位的防震工作提供及时参
考数据。
关键字：地震监测 地震预报 加速度传感器 地动仪
本作品的设计目标是一部价格低廉、高灵敏度、具有智能数据处理功能的地
震监控、测量和记录仪器。以相对低廉的成本实现对地震加速度的测量及地震波
形的实时显示与记录，并能根据地震的加速度波形计算地震烈度、报警、以及保
存地震波形数据。该作品由传感器、信号调理及采集模块、上位机软件三部分组
成，通过两个加载重物的称重传感器将地震波X、Y 方向的加速度转化为微弱的
电压信号，该信号经放大、滤波、处理后被MSP430 单片机采集，在单片机内进
行相关的计算，并通过USB接口发送给计算机。通过自行设计的地震监测软件实
时显示地震波形，并及时保存有效数据。由于该智能地动仪价格低廉，容易维护，
家庭或企事业单位均可配备，有助于实现地震测量网点在地震多发区的大量普
及，从而协助国家地震台网获得更完善更详细的地震强度数据，完善地震数据库，
便于科学工作者用统计学的方法分析和预测地震，也可以为家庭或企事业单位的
防震工作提供必要的参考，有助于减小地震带来的损失。
借助TI 高性能的模拟放大器件及MSP430 系列混合信号处理器，该智能地
动仪对地震波引起的加速度的测量分辨率可达到0.0002g 总量程0.42g，最终实
现了烈度3级到烈度9 级的实时测量。
理论分析
目前，对地震的监测有多种方法：测地震波，测地应力，测水体氡含量，测
地电阻。测地应力，测水体氡含量，测地电阻等。这些方法因技术要求高，设备
昂贵，安装与维护都较困难。不宜制作出便于普及推广的地动仪。
地震的能量大部分通过地震波的形式向外传播。地震表现出的最明显的现象
是地面震动。对于地震监测机构来说，关心地震的震级（地震释放总能量），但
对于普通居民来说，只关心当地的地震烈度（当地的地震波强度）。本作品就是
一种测量当地地震烈度的仪器。
地震波分为水平震动波（横波）和垂直震动波（纵波）两类，其中地震主要
的危害是横波造成的。本仪器通过测量地震波在水平方向上的加速度来估算烈度
等级。由于普通的加速度传感器灵敏度不够，我们将称重传感器上悬挂大质量物
体，自行设计了一种高灵敏度的加速度传感器。使用两只加速度传感器分别感知
两个垂直方向（东-西，南-北）的加速度瞬时值，用矢量合成的方法就能获得地
震加速度在水平面内的矢量。
加速度传感器满量程输出电压只有1mV左右，而且环境中也存在许多震动，
信号调理电路的设计难点在于微弱信号的放大以及环境震动干扰的滤除。对于微
弱的差分信号，采用TI 公司高性能的仪表放大器进行放大，同时抑制共模的工
频干扰。由于地震波能量主要集中在1~10Hz左右，环境震动（如汽车、发动机、
行人、声音等）的主能量一般都高于10Hz 以上。在电路中加入一个二阶巴特沃
斯低通滤波器可较好地将这些干扰震动滤除，同时保持带内幅频特性平坦，不影
响地震波的测量。
调理完成的震动波形信号经TI 的混合信号处理器MSP430F247 的12 位ADC