自古以来地震灾害是对人类生命和财产威胁最大的自然灾害之一，需要加以重视的是随着生产力的发展，地震带来的一些新的次生灾害也随之出现。国外发达国家如美国1964年的阿拉斯加大地震、1971年的洛杉矶大地震、日本1978年的宫城县海大地震等等所造成的电梯严重损坏，都敲响了重视建筑物内电梯抗地震性能的警钟，这些国家也就早早制定了电梯抗震设计的相关标准，用以加大电梯在地震中的安全性，减少生命和财产损失,如美国的ASME A17.1、日本的《垂直运输系统抗震设计及施工指南》、欧盟的EN81-77等都对电梯的抗震设计提出了要求。

       我国是世界上地震活动最强烈和地震灾害最严重的国家之一。据研究统计，20世纪全球大陆35%的7.0级以上地震发生在中国；20世纪全球因地震死亡120万人，中国占59万人，居各球之首；中国大陆大部分地区位于地震烈度Ⅵ度以上区域；50%的国土面积位于Ⅶ度以上的地震高烈度区域，包括23个省会城市和2/3的百万人口以上的大城市。据国家质检总局特种设备安全监察局提供的信息，汶川大地震对成都、德阳、绵阳、广源、雅安、阿坝等六个重灾区的20041部电梯造成了不同程度的损坏。以成都为例，市区距汶川地震中心92公里，震后建筑物基本完好，经受住了强震的考验。但令人遗憾的是，在市区安装使用的电梯遭受到比较严重的破坏。震后第二天对16800余台电梯状况的调查结果显示： 有50%的电梯在地震中遭到不同程度的损坏，其中千余台电梯损坏严重不能使用。

       经专业技术人员分析，各类故障和损坏都起源于地震时电梯仍在上下运行，随着震动时间的延长电梯就会发生损坏和毁坏。震动时间的长短往往是影响电梯损坏程度的关键。当然震级的大小也会影响损坏程度。因此，在地震发生时，及时的让电梯进入管制运行模式就成了一个关键所在。这里有两个关键要素：地震传感器和管制运行模式，通过地震传感器准确感知地震的来临，使电梯及时的进入管制运行模式。地震传感器是前提，管制运行时手段，电梯和乘客安全是目的。

       地震传感器在地震监测领域经过长时间的发展，已经相当成熟。但在电梯领域的应用还没有完全的展开，尤其是国内电梯行业。

       地震传感器从传统的机械震动检测到目前先进的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)传感器技术,实现了地震检测质的跨越。传统的地震传感器由于其机械结构的限制，有着固有的缺陷，如精度低、动态响应范围小、低频检测困难、难以区分背景噪声等，随着地震检测要求的不断提升，传统机械传感器就无法满足要求，MEMS技术的应用为地震检测技术的发展提供了新的平台。

       MEMS技术是在现代微电子技术基础上发展起来的一门新兴科学技术，它融合了微电子与精密机械制作技术，是将微传感器、微执行器以及微信号处理与控制电路、通信、电源集成于一体的微型机电系统。采用MEMS技术的地震传感器有着传统地震传感器不可比拟的优势。如：检测灵敏度高、精度高、响应范围大，检测快速等。

       在电梯行业中，电梯地震传感器是一个小众产品，但又是一个关键部件。美国的ASME A17.1、日本的《垂直运输系统抗震设计及施工指南》、欧盟的EN81-77等国外发达国家制定的标准中都对电梯地震传感器有着相应的要求。

       日本的地震传感器分为两类，一类是传统的机械式传感器，一类是电子式传感器（多为采用MEMS加速度传感器）。由于日本是一个多震国家，研究地震传感器的时间相对较早，前期多采用机械式传感器，技术相对成熟，虽然电子式传感器有着许多先天的优势，更新换代需要一个相当长的时间。美国和欧洲的一般采用电子式的地震传感器。

       机械式地震传感器的构造相对简单，其由永久磁石、感知元件和微动开关组成，当吸附在磁石上的感知元件感知到超过设定值得震动信号后，就会触动微动开关输出触点信号。图1为日本某厂家的机械式地震传感器结构图。

 

图1机械式地震传感器结构图

       电子式地震传感器一般采用低噪声、高灵敏度的三轴MEMS加速度传感器来采集地震加速度，输出相应的电信号，通过低通滤波滤除高频干扰，然后经由高精度模数转换器送给微处理器，微处理器对数据进行分析，判断地震事件是否发生，如有地震事件则进行相应的触点输出，并记录地震发生信息。图2为秦皇岛开发区前景光电技术有限公司生产的采用MEMS加速度传感器的电梯地震监测仪外观及内部结构。

 

图2电子式电梯地震监测仪外观及内部结构

       电梯地震监测仪主要由处理单元模块、加速度采集模块、复位和检测电路、电源模块、时钟模块、触点输出模块、存储模块组成。采用3轴加速度传感器来采集地震时地面X/Y/Z三个方向的地面运动加速度，准确检测地震的发生，当P波到来时加速度传感器检测出地震早期垂直方向的振动，因此输出相应的电信号，通过滤波放大后经由模数转换器送给微处理器控制进行相应处理。同理当S波到来时，加速度传感器检测出水平方向的振动，并输出相应的电信号，通过滤波放大后经由模数转换器送给微处理器控制进行相应处理。

       其有两路触点输出，分别为一级烈度触点输出，二级烈度触点输出，分别接入电梯管制运行系统，供电梯控制系统采集。一级烈度触点输出是仪器检测到地震早期P波振动或者较低的地震运动加速度后的输出，是较低级别的输出，用来判断可能会发生地震，如果在一定时间内没有二级烈度的地面振动的信号，则自动复位，触点信号消失。二级烈度触点输出为对应较高地面运动加速度的输出，不能自动复位，需要电梯操作人员在检查电梯后，手动复位。

       电子式地震传感器与机械式相比有着不可比拟的优势，具体表现在：

       1、电子式地震传感器可同时检测三轴向的地震加速度，而机械式传感器只能检测水平或垂直方向的震动。

       2、电子式地震传感器可以通过算法或硬件滤波措施滤除背景噪声和其他震动干扰，而机械式传感器容易受到外界其他震动的干扰如电锤等。

       3、电子式地震传感器采集精度高，准确度高。

       4、电子式地震传感器可以精确记录地震波的波形，并记录地震发生的时刻。

       5、电子式地震传感器可以现场自由调整触发的阈值，适合各种现场；而机械式传感器只能在工厂内部设定。

       6、电子式地震传感器可以和电梯通过多种接口相连，如串行通讯、触点等；而机械式只能通过触点输出。

       7、电子式地震传感器安装简单，无需严格初始固定方向，而机械式传感器需要严格的安装方向。

       当地震发生时或发生前，电梯必须进入管制运行状态，来确保电梯及电梯内乘客的安全。一般情况下，电梯应设置两级地震管制运行模式，即P波或较低S波探测系统和较高S波探测系统。当地震传感器检测到P波或较低S波信号，应触发P波或较低S波管制模式，电梯应按下列方式操作：

       1)运行中的电梯应降低速度或停止后以不超过0.3 m/s的速度向上或向下继续运行到最近的层站；

       2)如果电梯在层站：

              a)具有动力驱动的自动门的电梯，应打开门，退出服务并保持门打开的状态；

              b)具有手动门或动力操作的非自动门的电梯，应保持此状态，退出服务并使门保持在开锁状态。

       当地震传感器检测到较高S波信号时，应触发较高S波管制模式，电梯应按下列方式操作：

       1)取消所有登记的轿厢和层站召唤指令，并不响应新的召唤指令；

       2)运行中的电梯应降低速度或停止后以不超过0.3 m/s的速度向上或向下继续运行到最近的层站；

       3)如果电梯在层站：

              a)具有动力驱动的自动门的电梯，应打开门，退出服务并保持门打开的状态；

              b)具有手动门或动力操作的非自动门的电梯，应保持此状态，退出服务并使门保持在开锁状态。

图3为地震发生后地震传感器的管制运行模式流程。

图3 地震发生后地震传感器的管制运行模式流程

 

       众所周知，地震是自然界10大灾害之一，也是损失最为严重的灾难，带给社会和人们的是破坏和毁灭。目前，人类对地震的预报，仍然是一道尚未攻克的科学难题。在当前科技水平还不够先进以至于达到避免地震的产生的情况下，防震减灾工作也就变得至关重要，可以预料，电梯地震监测仪在当今社会生活中的应用和推广可以切实提高电梯的安全性能，有效的减少地震灾害中生命财产的损失。

 

 

作者单位： 李向东，吴绪中 秦皇岛开发区前景光电技术有限公司

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