一种刚性单向力偶垂直摆拾震器的地球整体颤振地震计

摘要

一种刚性单向力偶垂直摆拾震器的地球整体颤振地震计由支撑脚支撑底座，底座上端面与容器底部连接，容器注入液体，液体漂浮浮桶，浮桶上端连接支撑台，支撑台上端面连接若干根支撑杆，支撑杆上端连接顶板，顶板中心孔悬挂拉簧，拉簧悬挂支撑框架，支撑框架下边框内侧中心与支撑轴下端连接，支撑轴上端连接定位锥，定位锥锥尖与支撑模块下端面凹点接触，支撑模块外径与组合板的中心孔连接，组合板上端面的四边角分别连接一根上端头向外弯曲反向垂直向下的力偶摆杆。组合板下端面的四边角分别垂直连接一根力矩摆杆，力矩摆杆下端与拾震器连接，拾震器上面固定加速度传感器和方位传感器，力矩摆杆与力偶摆杆的力矩数值相等。计算机、无线网关、数据线距离底座＜10m。

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种刚性单向力偶垂直摆拾震器的地球整体颤振地震计，尤其是能利用刚性单向力偶垂直摆拾震器抵消重力场阻力作用后将微弱的地球整体颤振物理数值信号真实、完整、清晰记录下来的监测仪器。

背景技术

自1952年11月4日美国人贝尼奥夫(H.Benioff)发现地球存在周期约为57分钟的长周期振动后，人们已观测到数千个本征振荡频率波谱。波谱中大致具有球型振荡和环型振荡两类振荡频率。

2006年许绍燮院士发表了《大尺度地层内的分层运动》的学术报告。该报告利用JCZ-1超宽频带地震仪记录的数据，观察到大尺度层块活动的直接证据——大尺度地层垂直同步运动。报告提出：“格尔木地震台2001年11月10日由JCZ-1地震仪采样得到的大空间跨度单脉冲信号与2001年11月14日发生在昆仑山口西M8.1大地震有关联”。报告还特别指出：“大空间跨度单脉冲信号反映的是地球整体同步颤振”。

本发明设计人将许绍燮院士提供的大空间跨度单脉冲信号波形图与地球自由振荡波形图进行对比后发现，地球球型振荡的波形图特征是具有周期性。其本征振荡频率的频谱反映出的物理机制是地球整体在太空中受某一种能量驱动在某一区域的往复位移运动。地球整体同步颤振的波形图特征是不具有周期性。其大空间跨度单脉冲信号的频谱反映出的物理机制是地球受某一种能量驱动在某一区域的非零加速度单向位移运动。

本发明设计人通过分析地球整体同步颤振不具有周期性的物理机制认为：“地球整体同步颤振是日地恒星行星动力系统因内部平衡机制的原因地球调整角动量发生的整体颤振，地球在其角动量调整到位后，将保持在日地恒星行星动力系统中角动量平衡的空间位置相对运动”。其原理是天体系统角动量调整时出现的一种天体瞬间单向加速度位移运动的自然现象。其驱动能量直接来源于天体系统；如日地恒星行星动力系统中的太阳、地球外小行星撞击。而地球球型振荡驱动能量却是；如核爆炸、火山爆发、地震等不同自然现象传递的不同形式的、经过转化的能量。

既然，天体系统角动量的微小调整能够向地球提供整体同步颤振的能量，那么，天体系统传递到地球的能量就不会自动消失。这个能量将聚集到地球内部运移某一数值的地核流体物质向特定的内地幔方向位移。某一数值的地核流体物质碰撞挤压内地幔形成地球某地区地层岩石 应力陡然增大，就会使某地区岩石破裂而发生地震。2001年11月10日由JCZ-1地震仪采样得到大空间跨度单脉冲信号之后，2001年11月14日果真发生了昆仑山口西M8.1大地震。这充分证明：天体系统的角动量调整是引起地球大地震的“力源”。此类地球大地震应该称之为“天体系统力源地震”，它比地球地层构造地震大若干个数量级。地球表面发生的破坏性大地震都是天体系统力源地震所为。人们应该将具有单脉冲特征的地球球型瞬间颤振信号与地震前兆联系起来。

诚然，天体系统角动量的调整能够引起巨大的地球整体同步颤振，那人们为什么没有在地球整体同步颤振时观察到水库中的水突然冲垮大坝呢？这因为，水库中的水跟随地球整体同步相对银河惯性坐标系颤振时，没有相对地球引力场运动，其只受到万有引力的作用。还因为，万有引力比地球引力的分布密度小10¹¹个数量级，其比地球引力对水库中的水的垂直稳定作用小的太多，所以，水库中的水不可能突然冲垮大坝。

既然如此，那地球整体同步颤振时出现的信号就必然是一种非常非常微弱的信号。具有机械和电子放大功能的地震仪才能监测到地球整体同步颤振。虽然，JCZ-1地震仪采样得到了大空间跨度单脉冲信号。但是，由于JCZ-1地震仪是宽频带地震仪，其的摆臂还不足100mm，其机械放大倍数小根本不能记录到包含地球整体同步颤振时间、速率、方向等物理数值的信号。JCZ-1地震仪选择BB：20Hz～360s，LP：360Sec～3600Sec的观测频带设想记录动态范围达140dB的所有信号，其愿望是好的，但结果却是什么都记录不清楚。即便地震工作者应用JCZ-1地震仪采样得到了无物理数值的大空间跨度单脉冲信号也是不敢提前发出地震预报的。

由此，依据天体系统角动量调整引发地球整体同步颤振原理，人们应该将监测的视角从地球局部地层的震动转移到地球整体颤振。有必要设计制造专门对地球整体同步颤振频段(0～1000Hz)响应的仪器。所制造的仪器不但要能过滤空间背景噪声，而且还要能抵消地球引力场对拾震器投影产生的重力垂直阻尼作用，才能够精确记录到包含地球整体同步颤振时间、速率、方向等的物理数值信号。依据信号中的物理参数，地震工作者才能计算出大空间跨度单脉冲信号所前兆的地震，从而及时发出地震预报。

目前，中国专利局2009202923129号专利提出了监测记录地球整体同步颤振大空间跨度单脉冲信号的装置，但其技术方案中对磁悬浮重锤(拾震器)的零摩擦定位设计不够合理，并且，没有附加能抵消地球引力场对拾震器投影产生的重力垂直阻尼作用的装置。经实践证明，其技术方案的预测仪不能记录到包含地球整体颤振时间、速率、方向等物理数值的地球整体颤振单脉冲前兆信号。

鉴于此，有必要对2009202923129号专利中磁悬浮重锤(拾震器)的零摩擦定位设计进行改进，并且，还要增加能抵消地球引力场对拾震器投影产生重力垂直阻尼作用的装置。其目的不但要记录到包含地球整体颤振时间、速率、方向等物理数值的单脉冲前兆信号，还要实现对即将发生的地震提供能量、运移方向、速率、释放地点的物理数值信息。

发明内容

为了克服2009202923129号专利存在对磁悬浮重锤拾震器零摩擦定位设计的不合理，没有安装能抵消地球引力场对拾震器投影产生重力阻尼作用的装置，以至无法采集记录包括时间、速率、方向等物理数值的地球整体颤振单脉冲前兆信号的缺陷，本发明提供一种刚性单向力偶垂直摆拾震器的地球整体颤振地震计。系对拾震器附加一个刚性的、具有反向力偶垂直摆的悬挂装置，从而，既有效抵消了重力对拾震器的垂直阻尼作用，又使拾震器实现了趋近于零摩擦的精确定位。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

1、将支撑刚性单向力偶垂直摆拾震器的支撑台固定连接在浮桶的上端，并且，浮桶整体垂直漂浮在一个容器内的液体中；

2、在支撑台的上端面垂直固定连接若干根支撑杆，若干根支撑杆的上端固定连接顶板，顶板的中心点由拉簧悬挂支撑框架；

3、在支撑框架的下边框内侧上部中心孔垂直固定连接支撑轴的下部外径，支撑轴上端固定连接锥尖向上的定位锥，定位锥锥尖与支撑模块下端面中心凹点活动点接触，支撑模块外径与组合板的中心孔固定连接，组合板上端面的四边角部位分别固定连接一根上端头向外反向弯曲向下低于定位锥锥尖的力偶摆杆，组合板下端面的四边角分别固定连接一根垂直力矩摆杆；

4、若干根力矩摆杆下端头分别与拾震器的上端面四边角部位固定连接。拾震器上端面固定连接无线加速度传感器和无线方位传感器，拾震器下端面固定连接一个电池架，电池架上端面固定连接蓄电池。电池架下端面中心孔固定连接力矩摆杆调整砝码。由力矩摆杆、拾震器、传感器、蓄电池、力矩摆杆调整砝码组成的正向惯性摆锤的力矩数值与力偶摆杆、力偶摆杆调整砝码组成的反向惯性摆锤力矩数值相等；

本发明一种刚性单向力偶垂直摆拾震器的地球整体颤振地震计的有益效果是：

1、利用液体隔离支撑台与地面的接触，能够对一切与地球整体颤振无关的地球表面震动躁声“虚假信号”进行液体过滤。

2、利用机械缓冲拉簧隔离支撑台与刚性单向力偶垂直摆拾震器之间的共震，能够对一切与地球整体颤振无关的空间声波躁声“虚假信号”进行机械缓冲过滤。

3、支撑轴上端固定连接的定位锥锥尖与支撑模块下端面中心凹点活动点接触定位，不但使拾震器与地球表面的摩擦趋近于零，还使拾震器能够与地球同步颤振。

4、组合板上部的若干根力偶摆杆与下部若干根力矩摆杆的长度相等，并且，力偶摆杆的上端头向外反向弯曲向下低于定位锥的锥尖。将一个垂直力矩摆改进为一种刚性单向力偶垂直摆，有效抵消了重力对拾震器水平向位移的阻力作用。

总之，本发明地震计利用对地球在三维空间中向任一方向瞬间单向加速度位移引起的整体颤振都能够灵敏响应的拾震器测量地球整体颤振；能够真实、完整、清晰记录到包括时间、速率、方向等物理数值的地球整体颤振单脉冲前兆信号。从而，依据此前兆信号的初始物理参数能够计算出地球内部能量聚集运移的方向、速率、能量大小、能量释放地点、能量释放时间的地震前兆物理数值信息。其精度高、不失真。可作为地球即将发生的“天体系统力源地震”短临预测的依据。结构简单，便于操作。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一种刚性单向力偶垂直摆拾震器的地球整体颤振地震计的整体结构示意图。

图2是本发明一种刚性单向力偶垂直摆拾震器的地球整体颤振地震计的结构纵向A-A剖面示意图。

图3是本发明一种刚性单向力偶垂直摆拾震器的地球整体颤振地震计的结构横向B-B剖面示意图。

图4是本发明一种刚性单向力偶垂直摆拾震器的地球整体颤振地震计的刚性单向力偶垂直摆拾震器结构示意图。

图1、图2、图3、图4中：1、容器，2、液体，3、外壳，4、支撑杆，5、支撑框架，6、力偶摆杆，7、组合板，8、拉簧，9、支撑模块，10、顶板，11、定位锥，12、支撑轴，13、力矩摆杆，14、力偶摆杆砝码螺丝，15、力偶摆杆调整砝码，16、方位传感器节点，17、拾震器，18、方位传感器电池，19、电池架，20、支撑台，21、阻力板、22、液体阀门，23、底座，24、力矩摆杆调整砝码，25、浮桶固定螺母，26、密封圈，27、浮桶固定螺丝，28、力矩摆杆砝码螺丝，29、加速度传感器电池，30、加速度传感器节点，31、支撑脚，32、浮桶，33、计算机，34、无线网关，35、数据线。

具体实施方式

下面结合附图通过实施例对本发明作进一步说明：如图1、图2、图3、图4所示，底座(23)的下端面边缘按平均角度分别与若干根支撑脚 (31)的上端固定连接，底座(23)的中心孔与容器(1)底部中心孔同心相对，底座(23)的上端面与容器(1)的底部下端面由环氧树脂粘合连接，底座(23)的中心孔内置放密封圈(26)，密封圈(26)的内径由下而上穿过一个浮桶固定螺丝(27)，容器(1)的外径下部圆孔内固定连接一个液体阀门(22)，容器(1)无上端面盖，容器(1)内注入液体(2)，液体(2)的液面漂浮一个浮桶(32)，浮桶(32)底部下端面按平均角度垂直固定连接若干个阻力板(21)，浮桶(32)底部中心与浮桶固定螺母(25)上端同心并由环氧树脂粘合连接，浮桶(32)上端面中心与支撑台(20)同心并由环氧树脂粘合连接，支撑台(20)的上端面边缘按均等角度分别与若干根支撑杆(4)下端内径的螺丝紧固连接，若干根支撑杆(4)的上端内径分别固定连接一根螺丝，4根支撑杆(4)的上端内径螺丝分别穿过顶板(10)四边角的圆孔并由螺丝帽紧固连接，顶板(10)的中心孔悬挂拉簧(8)，拉簧(8)下端悬挂支撑框架(5)，支撑框架(5)的下边框内侧上部中心孔与支撑轴(12)的外径下部螺丝固定连接，支撑轴(12)上端与定位锥(11)的底部同心固定连接，定位锥(11)的锥尖与支撑模块(9)下端面中心凹点活动点接触定位，支撑模块(9)的外径与组合板(7)的中心孔固定连接，组合板(7)的4边角分别钻1个孔，4个孔内分别固定连接一根伸出组合板(7)上、下端面的螺丝，组合板(7)上端面的4根螺丝分别与4根力偶摆杆(6)的短杆段端头内径紧固连接，力偶摆杆(6)的横杆段垂直于短杆外弯，力偶摆杆(6)的长杆段垂直于横杆下弯，4根力偶摆杆(6)的长杆段端头垂直向下并低于定位锥(11)的锥尖，4根力偶摆杆(6)的长杆段端头内径分别与一个力偶摆杆砝码螺丝(14)的上部外径紧固连接，4根力偶摆杆砝码螺丝(14)的外径螺纹分别旋入一个力偶摆杆调整砝码(15)，组合板(7)下端面的4根螺丝分别与4根力矩摆杆(13)的上端内径紧固连接，4根力矩摆杆(13)垂直向下，4根力矩摆杆(13)的下端内径分别由螺丝与拾震器(17)的四边角紧固连接，拾震器(17)上端面固定连接一个加速度传感器节点(30)和一个方位传感器节点(16)，拾震器(17)下端面由螺丝固定连接一个电池架(19)，电池架(19)上端面固定连接一个加速度传感器电池(29)和一个方位传感器电池(18)，电池架(19)的中心孔与力矩摆杆砝码螺丝(28)上部外径固定连接，力矩摆杆砝码螺丝(28)外径螺纹旋入一个力矩摆杆调整砝码(24)，外壳(3)是一个有盖无底的圆桶，外壳(3)的下端与底座(23)的上端面边缘由螺丝紧固连接，计算机(33)置放在距离底座(23)＜10m的空间位置中，计算机(33)硬盘内安装加速度传感器(30)、方位传感器(16)的信号数据处理软件和GIS地理信息处理软件以及地球内部能量聚集及传递的数学计算分析软件，无线网关(34)置放在距离底座(23)＜10m的空 间位置中，无线网关(34)与计算机(33)之间由数据线(35)联接，若干个支撑脚(31)竖直置放在地球某一板块较稳定积岩上部的地壳表面。

本发明一种刚性单向力偶垂直摆拾震器的地球整体颤振地震计实施例只对地球整体同步颤振频段向应。仪器中的拾震器(28)需要与地球表面的地壳充分的耦合。因此，本发明实施例的4根支撑脚(31)竖直置放在地球某一板块较稳定积岩上部的地壳表面。4根支撑脚(31)是外径为30mm、内径为25mm、长度为80mm的金属管或碳纤维管，4根支撑脚(31)的上端与底座(23)的下端面边缘按90°角的间隔分别固定连接。底座(23)为金属材料或碳纤维材料制成的圆盘，外直径300mm，中心孔直径30mm，厚度10mm，其作用是支撑容器(1)。

容器(1)是一个有底无盖的圆桶，外径262mm，内径260mm，桶高450mm。容器(1)的底部中心孔直径30mm，与底座(23)的中心孔相对，底座(23)的上端面与容器(1)的底部由环氧树脂粘合连接。底座(23)的中心孔内置放密封圈(26)，密封圈(26)的外径30mm，密封圈(26)的内径18mm，密封圈(26)的内径穿过一根直径为20mm的浮桶固定螺丝(27)。容器(1)的外径下部钻一个直径20mm的孔，孔内固定连接一个液体阀门(22)。容器(1)内注入的液体(2)是不易挥发的油脂液体。以往的研究发现，地面最低噪声曲线大约在0.00278Hz(360Sec)，由最小的地噪声到大地震动态的地表脉动，其范围能达到200dB以上。在此动态范围内，一些干扰信号与地球整体同步颤振信号叠加在一起难以区分。因而，液体(2)的作用就是要对一切干扰信号进行过滤。同时，液体(2)还要对浮桶(32)起到支撑作用。

浮桶(32)漂浮在液体(2)中，液体(2)的液面高度为380mm。浮桶(32)是外径为220mm、内径为219mm、高度为250mm的两端有端面盖的密封桶，浮桶(32)的浮力为7.5kg。浮桶(32)底部按平均角度垂直横向固定连接的若干个阻力板(21)为40mm×40mm×2mm的金属板，阻力板(21)的总质量为80g。浮桶固定螺母(25)内径为20mm、外径为100mm，高为100mm，质量为5kg。浮桶(32)设计为上轻下重的结构形式，使其在液体(2)中产生不倒翁效应，以保证浮桶(32)上端面支撑台(20)上端面固定的支撑杆(4)不会发生大的倾斜。

浮桶(32)上端面中心与支撑台(20)同心并由环氧树脂粘合连接，支撑台(20)是直径为220mm、厚为10mm的碳纤维圆盘。支撑台(20)的上端面边缘部位按均等角度钻4个直径为10mm的孔，孔内径有螺纹，4个孔分别与4根支撑杆(4)下端内径的螺丝紧固连接。4根支撑杆(4)垂直向上，4根支撑杆(4)是外直径为14mm、内径为10mm、长度为1200mm的碳纤维管，4根支撑杆(4)的上端内径分别固定连接一根10mm螺丝。4 根支撑杆(4)的上端内径螺丝分别穿过顶板(10)4边角的4个孔，并且由螺丝帽紧固连接。顶板(10)是200mm×200mm×2mm的正方形碳纤维板。顶板(10)的中心孔悬挂一根拉簧(8)，拉簧(8)的拉力为3kg。拉簧(8)下端悬挂支撑框架(5)。支撑框架(5)是纵向悬挂的长方形碳纤维型材框架，碳纤维型材横截面为25mm×25mm，长方形框架长300mm，宽250mm。支撑框架(5)的下边框内侧上部中心孔与支撑轴(12)的外径下部螺丝固定连接，支撑轴(12)上端同心固定连接定位锥(11)，支撑轴(12)是直径为10mm、长为40mm的金属。定位锥(11)上端圆锥体锥尖镶嵌新疆和田软玉，新疆和田软玉的硬度为6.5度，研磨硬度为9度，软玉锥尖角度为45度。定位锥(11)与支撑模块(9)下端面中心凹点活动点接触定位。支撑模块(9)是一个直径为15mm、高为20mm的圆柱体形金属，支撑模块(9)的下端面中心孔镶嵌一颗直径为5mm、高为3mm的蓝宝石，蓝宝石的摩氏硬度为9度。蓝宝石下端面中心研磨圆锥体形凹点，凹点的深度为1mm，凹点的角度为120度。支撑模块(9)的外径与一块组合板(7)的中心孔固定连接，组合板(7)是100mm×100mm×2mm的正方形碳纤维板，组合板(7)的4边角钻4个直径为10mm的孔，4个孔内分别固定连接一根伸出组合板(7)上、下端面的螺丝，螺丝的直径为10mm、长为30mm。伸出组合板(7)上端面的4根螺丝分别与4根力偶摆杆(6)的短杆段端头内径紧固连接，力偶摆杆(6)是外直径为12mm、内直径为10mm、总长度为500mm的碳纤维管，总质量m＝146g。其短杆段长度为50mm，其横杆段长度为50mm，其长杆段长度为400mm。4根力偶摆杆(6)的长杆段端头反向垂直向下并低于定位锥(11)的锥尖，4根力偶摆杆(6)的长杆段端头内径分别与一根力偶摆杆砝码螺丝(14)的上端外径紧固连接，每一根力偶摆杆砝码螺丝(14)的质量为50g，每一根力偶摆杆砝码螺丝(14)的外径螺纹旋入一个力偶摆杆调整砝码(15)。每一个力偶摆杆调整砝码(15)的质量为200g。

伸出组合板(7)下端面的4根螺丝分别与4根力矩摆杆(13)的上端头内径紧固连接。4根力矩摆杆(13)是外径为12mm、内径为10mm、长为500mm的碳纤维管，总质量m＝146g。其下端头内径螺丝分别与拾震器(17)的4边角圆孔紧固连接。拾震器(17)是100mm×100mm×2mm的正方形碳纤维板，其质量为50g。拾震器(17)上端面固定置放一个加速度传感器节点(30)和一个方位传感器节点(16)，拾震器(17)下端面由螺丝固定连接一个电池架(19)。电池架(19)是100mm×100mm×2mm的正方形碳纤维板，其质量为50g。电池架(19)上端面固定置放加速度传感器电池(29)和方位传感器电池(18)，总质量m＝430g。电池架(19)下端面的中心孔与力矩摆杆砝码螺丝(28)上部外径固定连接。力矩摆杆砝码螺丝(28)的质量为50g。力矩摆杆调整砝码(24)的质量为226g。

组合成的刚性单向力偶垂直摆拾震器(17)质量块装置由支撑轴(12)支撑后，组合板(7)需要达到水平状态。若未达到水平状态，应调整4个力偶摆杆调整砝码(15)的上、下位置使组合板(7)达到水平状态。继而，还要在其中1个力偶摆杆调整砝码(15)的最低点实加一个水平方向上的拉力使力偶摆杆调整砝码(15)水平位移5cm，并用电子计量器记录拉力数值。然后，在力矩摆杆调整砝码(24)的最低点实加一个水平方向上的拉力作用力矩摆杆调整砝码(24)水平位移5cm，并且用电子计量器记录拉力数值。两个数值不相等，可调整力矩摆杆调整砝码(24)在力矩摆杆砝码螺丝(28)的上、下位置，调整到两个拉力数值相等，刚性单向力偶垂直摆总力矩的重力场阻尼数值即等于零。刚性单向力偶垂直摆拾震器装置的力矩数值为1kg·m。此时，刚性单向力偶垂直摆拾震器装置调试标定合格。

本发明实施例垂直向摆体由拉簧(8)下端悬挂的支撑框架(5)及支撑轴(12)支撑的刚性单向力偶垂直摆拾震器(17)质量块装置构成。此摆体弹性系统能够对来自于空间声波振动引起的干扰信号进行机械减震过滤，同时扩展拾震器(17)在垂直方向上位移的自由度。拾震器(17)质量块装置可围绕拉簧(8)构成的虚轴上、下垂直位移，采用高精度加速度传感器节点(30)和方位传感器节点(16)可检测摆体相对于地震计底座(23)的垂直向微位移速率数值。

本发明实施例水平向摆体采用了″门式″结构，并且在力矩摆杆(13)的反方向上附加了反方向的力偶摆杆(6)，力偶摆杆(6)和力矩摆杆(13)的长度数值相等，并且，力偶摆杆(6)和力矩摆杆(13)对支撑模块(9)的扭动方向相同。因此，组合成的刚性单向力偶垂直摆拾震器在地球颤振惯性力作用下能够围绕支撑轴(12)构成的虚轴在水平面内360°任一方向上水平移动。采用高精度加速度传感器节点(30)和方位传感器节点(16)可检测摆体相对于地震计底座(23)的水平向微位移速率数值。

虽然，液体柔性过滤和机械减震过滤的设计似乎让人感觉本发明实施例的拾震器(17)与地球表面的耦合有点不够稳定。其实不然，拾震器(17)只有在这种似稳非稳的耦合状态中才能对地球在三维空间中向任一方向瞬间单向加速度位移引起的整体颤振灵敏响应。

加速度传感器节点(30)和方位传感器节点(16)的敏感轴线有箭头标出方向(垂直方向敏感轴线垂直地面)，信号传输通道按照其所标出的垂直向和水平向标线确定。

加速度传感器节点(30)是购买嘉兴振恒电子科技有限公司生产的5842无线三轴加速度传感器节点，是无线通讯传输数值信号的传感器。其性能参数见表1：

表1 5842型无线加速度传感器节点性能参数表

方位传感器节点(16)是购买北京友科莱科技有限公司生产的LPMS-B型九轴数据无线传输型姿势传感器。该产品基于MEMS小型传感器而设计，它输出的脉冲密度数字信号，在扩展型卡尔曼滤波器算法对姿态信息进行高精度计算以及Windows，Linux，Android等操作系统的软件编程后，能够通过蓝牙与计算机无线对接。其性能参数见表2：

表2 LPMS-B型九轴数据无线传输型姿势传感器性能参数表

LPMS-B型九轴数据无线传输型姿势传感器与计算机(33)的无线联接由蓝牙适配器实现。蓝牙适配器的型号为2.1+EDR，2.412-2.484GHz。蓝牙适配器的接口为USB，具有即插即用的特点。

外壳(3)是一个无底有盖的碳纤维桶，外直径300mm、内直径296mm、长度1600mm，外壳(3)下端与底座(23)的上端面的边缘固定连接。

无线网关(34)置放在距离底座(23)＜10m的空间位置中。无线网关(34)是购买嘉兴振恒电子科技有限公司生产的1803USB型无线通讯接收数值信号的信号储存处理器。无线网关(34)与计算机(33)之间由数据线(35)联接，数据线(35)的接口为miniUSB。计算机(33)置放在距离底座(23)＜10m的空间位置中，计算机(33)是戴尔T1700型，电脑安装的系统是Windows7。计算机(33)的USB接口与蓝牙适配器联接，计算机(33)硬盘内安装加速度传感器节点(30)和方位传感器节点(16)的信号数据处理软件和GIS地理信息处理软件以及地球内部能量聚集 及传递的数学计算分析软件。

GIS地理信息处理软件是购买中国科学院遥感应用研究所研发的河图----全球三维可视化系统RiverMap-3DGlobe 1000经二次开发填图制作的。针对天体系统力源地震监测行业，其中输入了地球内部以及日地恒星行星动力系统的三维动态运行图，提供了宏观地球和地球地质多比例尺空间数据与非空间数据处理发布服务与程序。可输出具备三维仿真动态图像和动态物理数值的地震前兆信息。

地球内部能量聚集及传递的数学计算分析软件是嘉兴禾工能源科技有限公司设计研发的。其输入的有关地球整体颤振的天文学原理计算公式是日地恒星行星动力系统运行的质心数学模型[2]：

太阳和地球之间在万有引力作用下共同绕质心c运动，其系统内有两个转动分量。一个是地球m_d的角动量p_d，另一个则是太阳m_t的角动量p_t。日地恒星行星动力系统的总角动量p_z和总动能E_z等于太阳和地球二者的角动量和动能的总和

P_z＝G>d>d²ω_d+G>tr_t²ω_t>

E_z＝G>dr_d²ω_d²+G>tr_t²ω_t²>

(式中m_t和m_d分别表示太阳和地球的质量，r_t和r_d分别为太阳和地球到它们的质心c的距离，ω_t和ω_d分别是太阳和地球绕着质心c运动的角速度，G是引力常数，因为太阳和地球整体在太空运动只受到万有引力的作用，因此，式中引入G)。

如果用r表示地球与太阳之间的距离，那么

r＝r_t+r_d>

根据质心的定义，可得

r_d＝m_t/(m_d+m_t)×r>

r_t＝m_d/(m_d+m_t)×r>

按照角动量守恒定律，这两个角动量的数值应该是相等的，即

p_d＝p_t>

或G>d>d²ω_d＝G>t>t²ω_t>

地球内部能量聚集及传递的数学计算分析软件输入的地球内部实体物质存在形式与分布数据是目前国际地球物理学界公认的地球内部实体物质结构层次的数据。详细数据如表3所示[3]。

表3 地球内部实体物质结构层次分布数据表

地球内部能量聚集及传递的数学计算分析软件输入的地球内部引力场物质结构层次的分布数据，是嘉兴禾工能源科技有限公司的工程师依据：“地球内部仍然存在引力场的物质，因地球内部引力场分布不均匀，地心至地球球面各点不遵循引力的距离平方反比定律，地球表面至地心，引力场场强不是逐渐加强，而是逐渐减弱，直至地心等于零。并且，地球内部引力场仍然参与实体物质相对运动的能量传递与交换”的客观实际计算得到的数据。详细数据如表4所示。

表4 地球内部各个物质圈层深度的地球引力场场强数据表

输入的各地层引力场场强g_d的计算公式为：

F＝m_dg_d(r/R)>

g_d＝F/m_d(r/R)>

(式中r是地层边界至地心的距离，R是地球半径)。

地球内部能量聚集及传递的数学计算分析软件输入的地球内部各层次物质的惯性离心力f_d分布数据，是嘉兴禾工能源科技有限公司的工程师依据：“地球存在自转机制，地球内部各层次物质必然会产生惯性离心力，并且，分布在地球内部各个结构层次的实体物质没有相对地球惯性坐标系运动，其跟随地球整体相对银河惯性坐标系运动只受到万有引力的作用”的客观现实，将引力常数G引入计算公式计算得到的数据。

地球内部每1kg质量实物体m_d-1在各个边界层深度的惯性离心力f_d-1的计算公式

f_d-1＝G>d-1v²/r>

(式中G是引力常数，r是地层边界至地心的距离)

按照地球赤道线速度465m/s计算得到的f_d-1数据如表5所示。

表5 各个边界层深度范围每1kg实物体的惯性离心力f_d-1数值表

地球内部能量聚集及传递的数学计算分析软件输入的地核外核、内核物质存在形式的物理概念和外核、内核的质量m_d1、m_d2及体积m_dv1、m_dv2数据，是嘉兴禾工能源科技有限公司的工程师依据表5给出的各个边界层深度范围每1kg实物体的惯性离心力f_d-1数值分析得到的。

基于表5，可以知道，在5149-6371km深度范围每1kg实体物质的惯性离心力f_d-1数值为0.043×10^-11N。而在5149-6371km深度范围地球指向地心方向的重力加速度g_d的数值却是1.88m·s^-2。每1kg实体物质受到的指向地心方向的重力为1.88N。由于1.88N大于0.043×10^-11N若干个数量级，因此，在2891-6371km深度范围的外核和内核中的热融 流体的硅、铁等物质不可能被f_d-1所分离。

查物质密度数据表，铁的密度系数为7.8，硅的密度系数为2.8。这样，密度系数大的铁受到1.88N重力的作用与硅等物质分离，最终集中在地球地核内核。而密度系数小的硅等物质受到1.88N重力的作用，最终集中在地球地核外核。

事实上，在5149-5371km深度范围的区域不存在指向地球中心的巨大压力。因此，在5149-6371km深度范围的地球内核中的物质凝结成为固态内核的物理机制不存在。

其实，丹麦女地震学家莱曼(Inge lehmann 1888-1993)发现的某些P波反弹发生偏离反射“阴影”的资料是1929年新西兰布勒(biLLcr)地震时的瞬间资料。其并没有拿出该区域地震前、后的地球内部观测资料进行对比，仅凭地震瞬间的某些P波反弹发生偏离反射“阴影”的数据就确定地球内核是固态核的理由是不充分的。并且，莱曼没有考虑到地球内部物质应该是包括实体物质和引力场物质叠加分布的情况。因此，认定地球内核是固态核的理论不能够成立。

实际上，外核与内核的物质成分不同，某些P波也会发生反弹偏离反射出“阴影”。

因此，地球内部能量聚集及传递的数学计算分析软件输入的地球外核与内核物质存在形式的物理概念应为：“地球的外核和内核都是热融的流体”。

所输入的外核与内核体积V计算公式：

V＝4/3Л R³>

(式中R是球体半径)

计算地球地核m_dv

因为地核体积m_dv＝4/3ЛR³

所以

m_dv＝4/3ЛR³＝1.33×3.1416×(3.48×10⁶m)³＝1.761×10²⁰m³

由于地核m_dv包含外核体积m_dv1和内核体积m_dv2

所以，

地球外核的体积m_dv1＝m_dv-m_dv2，

m_dv1＝1.761×10²⁰m³-1.33×3.1416×(1.222×10⁶m)³

＝1.761×10²⁰m³-7.63×10¹⁸m³＝9.98×10¹⁹m³

地球内核的体积m_dv2＝m_dv-m_dv1，

m_dv2＝1.761×10²⁰m³-9.98×10¹⁹m³＝7.63×10¹⁸m³

查物质密度数据表，铁的密度系数为7.8，硅密度系数为2.8。于是，地球外核质量m_dw

m_dw＝9.98×10¹⁹m³×2.8×1000＝2.79×10²³kg

地球内核质量m_dn

m_dn＝7.63×10¹⁸m³×7.8×1000＝5.95×10²²kg

得到了地球外核和内核流体物质质量分布的数学模型，并且，考虑到地球整体在太空运动只受到万有引力的作用的情况，因此，地球整体颤振瞬间的能量E_g：

E_g＝G·1/2m_d>2>

(式中G是引力常数，式中引入G，是因为地球整体在太空运动只受到万有引力的作用)。

如果，地球表面地层发生某一轻微振动，本发明实施例的浮桶(32)中的液体(2)以及拉簧(8)能够吸收地球表面地层振动的能量，使刚性单向力偶垂直摆的拾震器(17)对地球表面轻微振动不响应。

如果，空间声波动振动，本发明实施例的拉簧(8)能够吸收空间声波振动的能量，使刚性单向力偶垂直摆的拾震器(17)对空间声波动振动不响应。

如果，地球表面地层发生强烈地震振动，本发明实施例的浮桶(32)中的液体(2)以及拉簧(8)不能够完全吸收地球表面地层振动的能量，刚性单向力偶垂直摆的拾震器(17)对地球表面地层强烈地震振动响应。但由于地球表面地层强烈地震振动是连续振动，加速度传感器节点(30)和方位传感器节点(16)按照连续振动不触发的设定，不记录其振动数值。

如果，在某一时刻，因日地恒星行星动力系统内部平衡机制的原因地球调整角动量发生整体颤振，全世界各地区分布的地震仪也跟随地球一起同步在太空发生整体颤振。依据运动的相对性原理，全世界所有的地震仪都无法真实、准确记录到地球整体颤振单脉冲信号中的时间、速率、方向等物理数值。然而，本发明一种刚性单向力偶垂直摆拾震器的地球整体颤振地震计虽然也跟随地球一起同步在太空发生整体颤振，但是，因其内部是由支撑轴(12)上端的定位锥(11)锥尖向上与支撑模块(9)下端中心的凹点活动点接触定位，垂直悬挂的刚性单向力偶垂直摆的拾震器(17)不但能抵消重力场对拾震器的垂直重力阻力作用，而且还将拾震器(17)与地球表面的摩擦力减小到近似于零。其结果是，拾震器(17)对地球在三维空间中向任一方向瞬间单向加速度位移引起的整体颤振都能够灵敏响应。所以，地球在太空发生整体颤振停止的瞬间，本发明实施例中的刚性单向力偶垂直摆拾震器由于惯性的作用，可以在360°的任一水平方向上以及垂直方向上与地球同步颤振。从而，拾震器(17)上端面固定连接的加速度传感器节点(30)和方位传感器节点(16)中的电子元件就能够记录到地球整体颤振单脉冲信号中包含的时间、速率、方向等物理数值，并经无线网关(34)无线通讯将物理数 值传输到计算机(33)。

如果，全球各地区安装的本发明一种刚性单向力偶垂直摆拾震器的地球整体颤振地震计在同一时刻都记录到一个加速度α＝80m/s²的单脉冲信号：

首先，本发明地震计监测员应记录单脉冲信号发生的准确时间，记录的初始时间的物理数值应精确到秒。

其次，本发明地震计监测员应启动计算机(33)中的GIS地理信息处理软件，从三维玻璃地球的球面数字化地形图查找单脉冲信号发生的瞬间地球相对日地恒星行星动力系统质心c距离最近的地点，也就是当日太阳光线直射的地点。不但要准确记录这个地点的经、纬度数值，还要依据全球各板块上安装的本发明地震计中拾震器(17)的颤振矢量方向对这个地点的经、纬度数值进行核对。有3台以上的本发明地震计中的拾震器(17)颤振矢量方向都指向这个经、纬度区域，这个经、纬度区域就可以确定为即将发生大地震主震的区域。如果，有3台以上的本发明地震计中的拾震器(17)颤振矢量方向都指向这个经、纬度区域的反方向，那么，即将发生大地震主震的区域就是与这个经、纬度区域直线相对的地球背面的地区。地球背面的地区应作为初始方向的物理数值准确记录下来。以地球背面的经、纬度点为中心的直径大约为20km----200km的区域就是即将发生大地震主震的区域。该地点应确定为可能发生地震的A号区域。

继而，将记录到的地球整体颤振速率α＝80m/s²的数值作为初始的能量运移速率物理数值输入计算机(33)内的地球内部能量聚集及传递的数学计算分析软件。α＝80m/s²达到分析系统软件设定的触发数值(α＝10m/s²)计算分析软件启动计算程序。

计算分析软件按照程序计算分析，地球在某一时刻调整p_d以80m/s²的速率向系统质心c的反方向位移，并在p_d数值调整到位时突然停止位移，将引起地球整体颤振。这是太阳通过系统质心c瞬间运移传递给地球动能E_g的物理过程。地球获得的动能E_g

因为有

E_g＝G·1/2m_dv²>

所以

E_g＝G·1/2m_d²＝6.67×10^-11×0.5×5.976×10²⁴×(80/s)²

＝1.276×10¹⁸j

(式中G是引力常数，式中引入G，是因为地球整体在太空运动只受到万有引力的作用)。

地球接受太阳传递的动能E_g后，E_g首先传递到地球质心。由于地球的质心在地核内核，于是，E_g迅速传递进入地球内核。如果地核内核、外核 都是固态物质，那么，E_g在找不到释放载体的情况下会均匀分布在整个地球质量之中。然而，事实上，地球外核和内核都是热融的流体物质。这样，E_g就必然找到地球内核中一部分流体物质m_dy作为释放的承载体。E_g向m_dy释放而作功，其效果是驱动m_dy相对运移。

m_dy的质量数值，因为有

E_g＝G·1/2m_dyv²

所以

m_dy＝E_g/1/2v²>

＝1.276×10¹⁸j/0.5×(80/s)²

＝3.98×10¹⁴kg

(式中取消G，是因为m_dy的运移相对地球内部引力场物质位移，其已经进入地球惯性系)

通过反复计算发现，无论地球整体颤振的速率数值如何变化，利用公式(1-12)、(1-13)计算m_dy，m_dy的数值都等于3.98×10¹⁴kg。

计算结果显示，地球如同一个制砖机的胚子制作体积相同的砖头一样从内核抛移出质量数值相等的热融铁流体球m_dy。这是一个非显而易见的、真实存在于地球内部的地球物理自然现象。

继而，计算m_dy的体积m_dyv数值，因为有

m_dyv＝m_dy/1000/7.8

所以

m_dyv＝3.98×10¹⁴kg/1000/7.8

＝5.1×10¹⁰m³

计算得到，m_dyv为510亿立方米。形象的说，就是大约3720m边长的立方体。也可以说，是一个长江三峡大坝蓄水总库容(393亿立方米)和两个刘家峡水库蓄水总库容(114亿立方米)的总和。

510亿立方米的m_dy在被地球内核抛出后即形成一个水滴形状的热融铁流体球。当其启动位移后，即受到m_d1的热融硅流体在其四周围阻挡挤压，这就迫使其变形成为一个圆柱体形状的、具有圆锥体头部的热融铁流体圆柱。按其立方体边长估算，这个圆柱体形的m_dy的端面直径大约为1km，长度大约为66.2km。

客观的讲，由于地球自转轴在南北方向上，日地恒星行星动力系统质心c总是在地球东西方向上。因此，m_dy绝对不会向地球的南极、北极的方向运移。这个圆柱体形的m_dy在启动之时就确定指向2891km的内地幔边界的某一点并连线到日地恒星行星动力系统质心c的方向运移。或者，由于地球可能远离日地恒星行星动力系统质心c调整角动量，m_dy在启动之时就确定指向2891km的内地幔边界的某一点并连线到日地恒星行星动力系统质心c的反方向运移。

当然，m_dy以80m·s^-1的速率由边界5149km深度位置穿越地核外核向地幔的内边界2891km深度位置运移必然与地球引力场发生相互作用。由于在5149-2891km深度范围的地球引力场场强系数为0.546，其位移的实际动能E_dy数值，因为有

E_dy＝1/2m_dyv²×0.546>

所以

E_dy＝1/2×3.98×10¹⁴kg×(80m·s^-1)²×0.546

＝1.99×10¹⁴kg×6400m·s²×0.546＝6.953×10¹⁷j

E_dy驱动一个相当于长江三峡水库和两个刘家峡水库总蓄水的热熔铁流体以80m·s^-1的速度(288km/h)在地球外核的热融硅流体中航行，堪比中国高铁的运行速度，其在地球内部的情景必定是汹涌澎湃、波澜壮阔的。其排山倒海的能量比8级大地震的能量还大10倍！但这并不是数学计算出现了失误，而是由于宇宙中时空分布的不均匀性造成的必然结果。实际上，地球引力场空间的引力分布密度比银河系引力场空间的引力分布密度在数值上大11个数量级。因此，m_dy由银河系引力场空间瞬间转入地球引力场空间实现了时空跃迁变化，正是因为地球内部存在物质突然变换时空相对运动的物理机制，地球内部才能瞬间接受和聚集数值巨大的由太阳传递过来的系统动能！这就是人们所说的宇宙空间中恒星行星动力系统内的“蝴蝶效应”。

由于此时，地球内部没有任何物理机制阻挡m_dy的运移。因此，尽管地球的自转使m_dy的运移方向偏离了日地恒星行星动力系统质心c反方向的方向，但m_dy仍然会继续按启动时确定的2891km的内地幔边界的某一点运移。

m_dy要经过2258km的路程才能到达2891km的内地幔边界的某一点。从初速度80m·s^-1到停止位移速度等于0，其平均速度v_k因为有运动学公式

v_k＝v₁+v₂/2>

所以，m_dy的平均速度v_k

v_k＝80m·s^-1+0/2＝40m·s^-1

在此期间，m_dy可能需要消耗E_dy的50％能量，其位移2258km的路程所需的时间大约是

2.258×10⁶m/40m·s^-1＝16h>

在经过16h 8min 5s的时间之后，m_dy将碰撞到启动之时就确定指向2891km的内地幔边界的某一点。结果，m_dy在2891km的内地幔边界的某一点为中心形成流体堆积，m_dy的E_dy传递到地幔，并且作用2891km的内地幔边界向地球表面隆起。所隆起的高度可以达到数百毫米，地表隆起的区域可以大到数千平方公里。汶川地震区域的地面隆起高度就达到了数百毫米(据周友华等)。尽管，m_dy作用数千平方公里的岩石地层向地球表 面隆起可能又需要消耗E_dy的40％能量，E_dy剩下的10％能量大约是6.953×10¹⁶j。然而，6.953×10¹⁶j的能量仍然能够使地球表面岩石圈层结构强度相对弱的某一点发生破裂而形成震中发生主震。对照历次大地震释放能量为6.63×10¹⁶j的数值判定，能量数值为6.953×10¹⁶j的E_dy足以引起地球表面7级以上的主震和3次6级以上的余震。

地球内部能量聚集及传递的数学计算分析软件按程序计算得出；“地球即将在16h 8min 5s之后在A号区域发生7级以上的主震和3次6级以上的余震”的计算结果，即刻自动生成能量承载体运移三维仿真动态图像和动态物理数值的地震前兆数据信息。并且，随时间的流失，三维仿真动态图像和动态物理数值信息实时更新。从而，实现了对即将发生的地震提供能量、运移方向、速率、释放地点的物理数值信息的理想。

最终，本发明地震计监测员通过互联网和移动互联网向国家地震局提供监测到的地球整体颤振初始数据和计算得到的包含能量运移时间、速率、方向的三维仿真动态图像和动态物理数值信息。提请国家地震局尽早部署突发事件应急预案，以减少A号区域人员和财产的损失。

本发明一种刚性单向力偶垂直摆拾震器的地球整体颤振地震计的总质量m＜30kg。

本发明一种刚性单向力偶垂直摆拾震器的地球整体颤振地震计的缺点是经常需要停机更换电池。仪器系统升级时，可附加无线射频输电充电装置对蓄电池进行无线充电以减少停机。

本发明一种刚性单向力偶垂直摆拾震器的地球整体颤振地震计移动位置需要运输时，应该先拆下外壳(3)，并打开液体阀门(22)将容器(1)内的液体(2)放掉。继而将浮桶固定螺丝(27)旋转进入浮桶固定螺母(25)的下端内径并紧固。最终将支撑模块(9)与定位锥(11)锥尖分离固定后，方可以位移运输。

本发明一种刚性单向力偶垂直摆拾震器的地球整体颤振地震计在地球地壳板块稳定积岩的上部地表多点置放，若干数量的本发明地球整体颤振地震计通过互联网相互联通，可以多点、多方位的监测测量地球发生的整体颤振，采集记录的数据作为初始条件能够计算出即将发生大地震的区域、时刻、震级的物理数值，从而，可以作为天体系统力源地震长期监测和在互联网、移动互联网实时发布地震前兆动态物理数值信息的仪器。

参考文献：

[1]大尺度地层内的分层运动，许绍燮，《中国工程科学》，2006年，第8卷，第6期，14p-22p。

[2]董长军著，《宇宙能源新概念——负能》，内蒙古大学出版社，1998年7月，第58-88p。

[3]宋健主编，《现代科学技术基础知识》，科学出版社、中共中央党校出版社，1994年，第97p。