儀器是怎樣檢測到地震的？傳感器告訴你！

　　【儀表網(wǎng) 儀表產(chǎn)業(yè)】據(jù)國家地震臺網(wǎng)官方微博消息，中國地震臺網(wǎng)正式測定：2月10日15時36分在云南大理州大理市(北緯25.56度，東經(jīng)100.04度)發(fā)生4.1級地震，震源深度12千米。
 

　　我們每天瀏覽國內(nèi)外新聞，時有報道某地發(fā)生地震。強烈的地震對人類的經(jīng)濟活動和人身安全造成傷害威脅。隨著現(xiàn)代科技的進步，地震檢測能力和應(yīng)用也在不斷革新。地震檢測設(shè)備通常稱為地震儀，已經(jīng)從使用傳統(tǒng)的筆和擺錘發(fā)展到使用電子和機電傳感器。這些傳感器的設(shè)計進步產(chǎn)生了具有不同工作頻率范圍、檢測機制和測量不同地震動參數(shù)的儀器。
 

　　今天我們來討論一下主要的地動傳感器及其物理原理，以及現(xiàn)代地震傳感器的使用標(biāo)準(zhǔn)。首先，簡單地介紹一下幾個現(xiàn)代地震儀和地震動傳感器。
 

　　1. 應(yīng)變地震儀
 

　　歷史上的地震儀器只能記錄地動位移。技術(shù)的進步使得通過不同機制來測量地動位移成為可能。應(yīng)變地震儀或應(yīng)變儀一般是指記錄和測量兩個地面點之間位移的儀器。傳統(tǒng)模型使用埋入或安裝在鉆孔中的實心桿。桿通常注入石英和其他對長度和應(yīng)變變化高度敏感的材料。長度的變化歸因于地動引起的小位移。另一種實現(xiàn)方式稱為體積應(yīng)變儀，它使用帶有充液管的安裝在鉆孔中的圓柱體。容器體積的變形會引起液位變化，再通過電壓位移傳感器轉(zhuǎn)換為地動位移。由于不需要傳統(tǒng)模型所需的特殊材料，體積應(yīng)變儀在該領(lǐng)域得到了更廣泛的應(yīng)用。激光技術(shù)的最新發(fā)展使得人們制作出了激光干涉儀，它大大提高了應(yīng)變儀的精度。此類應(yīng)變儀使用與不等臂長邁克爾遜干涉儀相同的原理，一點是傳感器、激光源和短臂，另一點是反射器，該反射器位于一定距離之外。設(shè)備將反射器運動引起的干涉條紋變化轉(zhuǎn)換為地動位移。這種位移測量方法的靈敏度和精度與測量距離的長度成正比。因此，激光應(yīng)變儀需要非常深的地下設(shè)施。應(yīng)變儀的精度可以達(dá)到十億分之一。這些設(shè)備通常用于測量斷層運動和火山活動引起的地球變形或地殼運動。它們可以測量頻率非常低的地震波信號。但是，與懸吊質(zhì)量塊相對于地面的運動相比，應(yīng)變儀的差分地面運動非常小。因此，不建議使用應(yīng)變儀來檢測地震引起的地面運動。
 

　　2. 慣性地震儀
 

　　慣性地震儀確定相對于慣性參考的地動參數(shù)，慣性參考通常是一個懸吊質(zhì)量塊。具體來說，地震動參數(shù)指的是懸吊質(zhì)量塊的線速度和位移。雖然合成的地震動包括線性和角度分量，但地震波的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)可以忽略不計。這些速度和位移值是從傳感器獲得的，傳感器將懸吊質(zhì)量塊的運動轉(zhuǎn)換為電信號。控制運動的機械懸架與作用在懸吊質(zhì)量塊上的慣性力相關(guān)。速度和位移傳感器與機械懸架是慣性地震儀的兩個主要組成部分。為這兩個部分開發(fā)精密儀器是現(xiàn)代慣性地震儀的主要設(shè)計工作。
 

　　3. 力平衡加速度計
 

　　機械懸架需要一個較小的恢復(fù)力以提高靈敏度，這樣較小的加速度也能在懸吊質(zhì)量塊上產(chǎn)生較大位移。但是，當(dāng)強地震運動產(chǎn)生的大加速度作用于懸吊質(zhì)量塊時，較小恢復(fù)力將無法平衡所產(chǎn)生的運動。因此，被動機械懸架的精度和靈敏度只適用于有限范圍的地震動加速度。力平衡加速度計(FBA)通過向機械懸架增加負(fù)反饋環(huán)路來消除此限制。電磁傳感器根據(jù)懸吊質(zhì)量塊的位置產(chǎn)生補償力。該位置由位移傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，信號隨后通過一個積分器模塊，產(chǎn)生與地震動加速度成比例的輸出電壓。FBA的動態(tài)范圍明顯大于采用被動機械懸架的地震儀。因此，該設(shè)備通常用于強地震應(yīng)用。但是，反饋環(huán)路引起的延遲會限制設(shè)備的帶寬。
 

　　4. 速度寬帶(VBB)地震儀
 

　　車輛運動和人為擾動(例如采礦)引起的地震波具有高頻地震動加速度。在非常低的頻率下，地動加速度以不平衡的懸架、地面傾斜和熱效應(yīng)為主。因此，使用地震動加速度的地震儀的帶寬以具體帶通響應(yīng)為限。地震動加速度的帶通響應(yīng)等效于地震動速度的高通響應(yīng)。因此，為了獲得更寬的地震儀帶寬，地震信號是以地震動速度記錄的。VBB地震儀基于FBA，但不是將懸吊質(zhì)量塊的加速度作為反饋，而是使用其速度和位置。該設(shè)備的響應(yīng)與傳統(tǒng)慣性地震儀的理論響應(yīng)非常相似，但是對于更廣泛的作用力，其靈敏度和精度不會降低。
 

　　5. 地震檢波器和微機電系統(tǒng)(MEMS)
 

　　加速度計日益增多的地震應(yīng)用的趨勢是發(fā)展地震儀或地震傳感器網(wǎng)絡(luò)和陣列，例如用于地震監(jiān)測、石油勘探和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面。地震儀的實施、屏蔽和安裝是這些應(yīng)用的三個常見約束條件。設(shè)備的規(guī)模生產(chǎn)和快速部署能夠直接克服這三個常見限制，為此要求地震儀的尺寸和成本相應(yīng)地縮減。當(dāng)前有兩類傳感器技術(shù)能夠檢測地震動；與FBA和VBB相比，它們的尺寸非常小，而且成本低。
 

　　6. 地震檢波器
 

　　地震檢波器是一種地震動速度傳感器，其重量輕，堅固耐用，不需要任何電源即可工作。現(xiàn)代地震檢波器的外殼上固定有一塊磁鐵，并被一個線圈包圍。線圈被彈簧懸掛起來，可以在磁體上移動。此運動相對于磁鐵的速度會感生一個輸出電壓信號。
 

　　資料來源：亞德諾半導(dǎo)體、中國新聞網(wǎng)