據(jù)國(guó)家地震臺(tái)網(wǎng)微博消息，中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)正式測(cè)定：2月10日15時(shí)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(jí)地震，震源深度12千米。
我們每天瀏覽國(guó)內(nèi)外新聞，時(shí)有報(bào)道某地發(fā)生地震。強(qiáng)烈的地震對(duì)人類的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和人身安全造成傷害威脅。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，地震檢測(cè)能力和應(yīng)用也在不斷革新。地震檢測(cè)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(jī)電傳感器。這些傳感器的設(shè)計(jì)進(jìn)步產(chǎn)生了具有不同工作頻率范圍、檢測(cè)機(jī)制和測(cè)量不同地震動(dòng)參數(shù)的儀器。
今天我們來(lái)討論一下主要的地動(dòng)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(jiǎn)單地介紹一下幾個(gè)現(xiàn)代地震儀和地震動(dòng)傳感器。
1.應(yīng)變地震儀
歷史上的地震儀器只能記錄地動(dòng)位移。技術(shù)的進(jìn)步使得通過(guò)不同機(jī)制來(lái)測(cè)量地動(dòng)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(cè)量?jī)蓚€(gè)地面點(diǎn)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(shí)心桿。桿通常注入石英和其他對(duì)長(zhǎng)度和應(yīng)變變化高度敏感的材料。長(zhǎng)度的變化歸因于地動(dòng)引起的小位移。另一種實(shí)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(huì)引起液位變化，再通過(guò)電壓位移傳感器轉(zhuǎn)換為地動(dòng)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(zhǎng)邁克爾遜干涉儀相同的原理，一點(diǎn)是傳感器、激光源和短臂，另一點(diǎn)是反射器，該反射器位于一定距離之外。設(shè)備將反射器運(yùn)動(dòng)引起的干涉條紋變化轉(zhuǎn)換為地動(dòng)位移。這種位移測(cè)量方法的靈敏度和精度與測(cè)量距離的長(zhǎng)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(cè)量斷層運(yùn)動(dòng)和火山活動(dòng)引起的地球變形或地殼運(yùn)動(dòng)。它們可以測(cè)量頻率非常低的地震波信號(hào)。但是，與懸吊質(zhì)量塊相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)相比，應(yīng)變儀的差分地面運(yùn)動(dòng)非常小。因此，不建議使用應(yīng)變儀來(lái)檢測(cè)地震引起的地面運(yùn)動(dòng)。
2.慣性地震儀
慣性地震儀確定相對(duì)于慣性參考的地動(dòng)參數(shù)，慣性參考通常是一個(gè)懸吊質(zhì)量塊。具體來(lái)說(shuō)，地震動(dòng)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(dòng)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(jì)。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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。控制運(yùn)動(dòng)的機(jī)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(jī)械懸架是慣性地震儀的兩個(gè)主要組成部分。為這兩個(gè)部分開(kāi)發(fā)精密儀器是現(xiàn)代慣性地震儀的主要設(shè)計(jì)工作。
3.力平衡加速度計(jì)
機(jī)械懸架需要一個(gè)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(qiáng)地震運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的大加速度作用于懸吊質(zhì)量塊時(shí)，較小恢復(fù)力將無(wú)法平衡所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。因此，被動(dòng)機(jī)械懸架的精度和靈敏度只適用于有限范圍的地震動(dòng)加速度。力平衡加速度計(jì)(FBA)通過(guò)向機(jī)械懸架增加負(fù)反饋環(huán)路來(lái)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(bǔ)償力。該位置由位移傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，信號(hào)隨后通過(guò)一個(gè)積分器模塊，產(chǎn)生與地震動(dòng)加速度成比例的輸出電壓。FBA的動(dòng)態(tài)范圍明顯大于采用被動(dòng)機(jī)械懸架的地震儀。因此，該設(shè)備通常用于強(qiáng)地震應(yīng)用。但是，反饋環(huán)路引起的延遲會(huì)限制設(shè)備的帶寬。
4.速度寬帶(VBB)地震儀
車輛運(yùn)動(dòng)和人為擾動(dòng)(例如采礦)引起的地震波具有高頻地震動(dòng)加速度。在非常低的頻率下，地動(dòng)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(dòng)加速度的地震儀的帶寬以具體帶通響應(yīng)為限。地震動(dòng)加速度的帶通響應(yīng)等效于地震動(dòng)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(hào)是以地震動(dòng)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(duì)于更廣泛的作用力，其靈敏度和精度不會(huì)降低。
5.地震檢波器和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)
加速度計(jì)日益增多的地震應(yīng)用的趨勢(shì)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(cè)、石油勘探和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方面。地震儀的實(shí)施、屏蔽和安裝是這些應(yīng)用的三個(gè)常見(jiàn)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(gè)常見(jiàn)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(cè)地震動(dòng)；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(dòng)速度傳感器，其重量輕，堅(jiān)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(gè)線圈包圍。線圈被彈簧懸掛起來(lái)，可以在磁體上移動(dòng)。此運(yùn)動(dòng)相對(duì)于磁鐵的速度會(huì)感生一個(gè)輸出電壓信號(hào)。