2月6日23時(shí)50分，臺灣花蓮縣附近海域發(fā)生6.5級地震，震源深度11公里。截至7日24時(shí)，已有7人在地震中遇難，260人受傷，67人仍處于失聯(lián)中。
人類(lèi)可以飛到月球上，將探測器發(fā)送到太陽(yáng)系邊緣及以外的地方，但是，卻只能深入到地球深處數千米。為了探索行星內部，我們需要依賴(lài)間接方法。
地震學(xué)出自希臘語(yǔ)seismós，意思是大地的震顫，對于地球內部所發(fā)生的一切都可以從它的傳播中找到答案，就像使用超聲波觀(guān)察胎兒一樣。
不用儀器就能感覺(jué)到的地震相對容易測量，因為它們的震感強烈，而且信號清晰，用靈敏度較低的傳感器就能記錄下來(lái)。
傳統地震儀示意圖
但是，當震感非常小的時(shí)候，探測難度就會(huì )加大，例如世界各地發(fā)生的弱地震，都能在海上產(chǎn)生波濤。
對于這種情況，構造簡(jiǎn)單的傳統地震儀束手無(wú)策，其結構通常包含一個(gè)重物擺錘，通過(guò)一根彈簧懸垂下來(lái)。重物上帶有一根針，在發(fā)生震動(dòng)時(shí)，可以在一卷連續的紙帶上繪制曲線(xiàn)。偏移的幅度代表震動(dòng)的強度，但以紙卷的邊界為限。
從另一方面看，靈敏度還受到針尖厚度的限制：小于繪制線(xiàn)條寬度的小幅偏移就無(wú)法清晰識別，這相當于60dB的動(dòng)態(tài)響應。
顛覆傳統地震儀
為了克服這一限制，大約在35年前，有志成為地理學(xué)家的Gunar Streckeisen發(fā)明了一種被稱(chēng)為STS-1的寬頻帶地震儀。
之后，他創(chuàng )立了Streckeisen集團，以生產(chǎn)這些裝置，并將它們銷(xiāo)往全球。這標志著(zhù)傳統地震儀的時(shí)代結束了，Erhard Wielandt是當今現代地震測量技術(shù)的奠基人。
動(dòng)態(tài)響應速度更快
寬頻帶地震儀與傳統地震儀唯一區別就是擺錘，用于反映外界的作用力。它不再需要針，同時(shí)能達到極高動(dòng)態(tài)響應，其奧妙在于它的電磁反饋系統能保證擺錘始終處于既定的平衡位置。
擺錘保持在平衡位置
Streckeisen公司的常務(wù)總監Robert Freudenmann介紹說(shuō)：“它的工作原理類(lèi)似于電子天平，跟蹤軌跡所需要的糾正信號同時(shí)也是輸出信號。作用在儀器上的力越大，信號就越強，因而擺錘能始終處在中間位置。”
運用這種測量原理可以達到145dB的動(dòng)態(tài)響應，相當于18 km寬紙帶。
為了記錄地球的三維運動(dòng)，每臺地震儀都有3個(gè)擺錘。它們位于同一個(gè)圓周上，略有偏斜，彼此之間呈120°分布，同時(shí)根據作用力方向作出不同反應，并計算出空間偏差的三維圖像。
十年校衡一次
一旦完成安裝，高精度的機電裝置就能自動(dòng)工作，并且很長(cháng)時(shí)間都不需要人為操作。開(kāi)始運行之前，地震儀的精確調整和擺錘的平衡極其重要。
對心過(guò)程結束后，調整砝碼的齒就保持在螺釘的夾片之間，而且與之不產(chǎn)生接觸。
對心過(guò)程結束后，調整砝碼的齒使其處于螺釘夾片之間，且不與之接觸。
Robert Freudenmann介紹說(shuō)：“傳統上，地震儀總要朝向東面。為了調整擺錘的平衡，就要調整擺錘上的移動(dòng)砝碼，直至達到精確的平衡。這個(gè)移動(dòng)砝碼是一個(gè)帶齒的環(huán)，可以通過(guò)旋轉在軸線(xiàn)方向前后移動(dòng)，通過(guò)與之成直角的螺釘來(lái)運動(dòng)。齒環(huán)和螺釘之間有細微間隙。當達到精確平衡后，調整砝碼的齒環(huán)便能保持在螺釘的夾片之間，因此擺錘可以自由移動(dòng)。”
長(cháng)期運行 穩定可靠
這一過(guò)程被專(zhuān)業(yè)人員稱(chēng)為“對中”，它通過(guò)FAULHABER提供的配有16:1行星齒輪傳動(dòng)裝置的AM0820來(lái)驅動(dòng)。
該裝置必須滿(mǎn)足這一精密用途的一系列要求：體積和電流消耗要小；運動(dòng)精度高；耐低溫，因為在阿拉斯加北部和南極附近都會(huì )用到Streckeisen的設備，但最重要的是，它必須長(cháng)期保持穩定。
Robert Freudenmann說(shuō)道：“為了進(jìn)行長(cháng)期測量，測量位置就要選在環(huán)境條件非常穩定的地方。在極端情況下，擺錘的第一次校衡是在設備投入使用之前，而第二次校衡可能在十年后。這樣的話(huà)，電機就必須在長(cháng)時(shí)間運行后能馬上重新啟動(dòng)并精確地完成校衡任務(wù)。而FAULHABER的電機成為了最理想的選擇。”
周密檢測 精密出色
并非所有的設備都被用來(lái)進(jìn)行長(cháng)期測量，在陣列測量中，大量的地震儀會(huì )呈網(wǎng)狀分布在特定區域，以記錄該區域地底的活動(dòng)情況。在數月或者若干年后，這些測量工作一旦完成，測量網(wǎng)將被移除，并轉移到下個(gè)測量地點(diǎn)。比如，美國各個(gè)州就是按照這種方式來(lái)逐個(gè)完成測量。
不過(guò)，在運輸過(guò)程中無(wú)法避免的是運動(dòng)會(huì )對靈敏度高的傳感器造成影響。為了防止受損，就要用運輸鎖止裝置將運動(dòng)部件固定。這項任務(wù)由Streckeisen地震儀中的0816P006S直流微電機來(lái)完成。
Robert Freudenmann強調說(shuō)：“FAULHABER既能為我們提供步進(jìn)電機，也能提供微電機，實(shí)踐證明，它們的品質(zhì)都極其出色。”
與第一代產(chǎn)品相比，Streckeisen現在所生產(chǎn)的地震儀體積更小，安裝也更方便，帶有管狀外殼的新型號產(chǎn)品還可置入鉆孔中。
其安裝仍需要靠精細的人工操作來(lái)完成，在安裝到位之前，部件之間相互配合的精度是無(wú)法校核的。因此，每個(gè)傳感器都要在防空洞中進(jìn)行大量測試，以確保其不會(huì )受到氣壓波動(dòng)的影響，這最為關(guān)鍵。我們通過(guò)通風(fēng)機將空氣吹入混凝土制成的艙內，并不斷進(jìn)行“充氣”。
設在南極洲極點(diǎn)處的GSN地震觀(guān)測站QSPA。該站的設計需在冰上鉆出深度約300米的鉆孔。圖中為NSF聘請的施工單位正在QSPA觀(guān)測站（離南極點(diǎn)約5英里）進(jìn)行冰上鉆孔作業(yè)。
Robert Freudenmann介紹說(shuō)：“也許大家難以置信，氣壓的升高會(huì )改變艙內的測量條件，哪怕僅升高幾納米。我們的設備能檢測出這些變化。如果設備沒(méi)有完全密閉，我們會(huì )收到偏移信號。通過(guò)這類(lèi)檢測手段，我們能保證所交付的地震儀功能完美無(wú)缺，并能精確記錄地球內部發(fā)生的變化。”
以上內容由西安西瑪電機網(wǎng)絡(luò )部收集整理發(fā)布，僅為傳播更多電機相資訊、電機知識供讀者參考之用，不代表西瑪集團同意或默認以上內容的正確性和有效性。讀者根據本文內容所進(jìn)行的任何商業(yè)行為，西瑪集團不承擔任何連帶責任。如果以上內容不實(shí)或侵犯了您的知識產(chǎn)權，請及時(shí)與我們聯(lián)系，西瑪電機網(wǎng)絡(luò )部將及時(shí)予以修正或刪除相關(guān)信息。
西安西瑪電機集團網(wǎng)站： www.viptest.net |
