2月6日23時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，已有7人在地震中遇難，260人受傷，67人仍處于失聯(lián)中。
人類可以飛到月球上，將探測器發(fā)送到太陽系邊緣及以外的地方，但是，卻只能深入到地球深處數(shù)千米。為了探索行星內(nèi)部，我們需要依賴間接方法。
地震學(xué)出自希臘語seismós，意思是大地的震顫，對于地球內(nèi)部所發(fā)生的一切都可以從它的傳播中找到答案，就像使用超聲波觀察胎兒一樣。
不用儀器就能感覺到的地震相對容易測量，因為它們的震感強(qiáng)烈，而且信號清晰，用靈敏度較低的傳感器就能記錄下來。
傳統(tǒng)地震儀示意圖
但是，當(dāng)震感非常小的時候，探測難度就會加大，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(gòu)造簡單的傳統(tǒng)地震儀束手無策，其結(jié)構(gòu)通常包含一個重物擺錘，通過一根彈簧懸垂下來。重物上帶有一根針，在發(fā)生震動時，可以在一卷連續(xù)的紙帶上繪制曲線。偏移的幅度代表震動的強(qiáng)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：小于繪制線條寬度的小幅偏移就無法清晰識別，這相當(dāng)于60dB的動態(tài)響應(yīng)。
顛覆傳統(tǒng)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)明了一種被稱為STS-1的寬頻帶地震儀。
之后，他創(chuàng)立了Streckeisen集團(tuán)，以生產(chǎn)這些裝置，并將它們銷往全球。這標(biāo)志著傳統(tǒng)地震儀的時代結(jié)束了，Erhard Wielandt是當(dāng)今現(xiàn)代地震測量技術(shù)的奠基人。
動態(tài)響應(yīng)速度更快
寬頻帶地震儀與傳統(tǒng)地震儀唯一區(qū)別就是擺錘，用于反映外界的作用力。它不再需要針，同時能達(dá)到極高動態(tài)響應(yīng)，其奧妙在于它的電磁反饋系統(tǒng)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(jiān)Robert Freudenmann介紹說：“它的工作原理類似于電子天平，跟蹤軌跡所需要的糾正信號同時也是輸出信號。作用在儀器上的力越大，信號就越強(qiáng)，因而擺錘能始終處在中間位置�！�
運(yùn)用這種測量原理可以達(dá)到145dB的動態(tài)響應(yīng)，相當(dāng)于18 km寬紙帶。
為了記錄地球的三維運(yùn)動，每臺地震儀都有3個擺錘。它們位于同一個圓周上，略有偏斜，彼此之間呈120°分布，同時根據(jù)作用力方向作出不同反應(yīng)，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(jī)電裝置就能自動工作，并且很長時間都不需要人為操作。開始運(yùn)行之前，地震儀的精確調(diào)整和擺錘的平衡極其重要。
對心過程結(jié)束后，調(diào)整砝碼的齒就保持在螺釘?shù)膴A片之間，而且與之不產(chǎn)生接觸。
對心過程結(jié)束后，調(diào)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：“傳統(tǒng)上，地震儀總要朝向東面。為了調(diào)整擺錘的平衡，就要調(diào)整擺錘上的移動砝碼，直至達(dá)到精確的平衡。這個移動砝碼是一個帶齒的環(huán)，可以通過旋轉(zhuǎn)在軸線方向前后移動，通過與之成直角的螺釘來運(yùn)動。齒環(huán)和螺釘之間有細(xì)微間隙。當(dāng)達(dá)到精確平衡后，調(diào)整砝碼的齒環(huán)便能保持在螺釘?shù)膴A片之間，因此擺錘可以自由移動�！�
長期運(yùn)行 穩(wěn)定可靠
這一過程被專業(yè)人員稱為“對中”，它通過FAULHABER提供的配有16:1行星齒輪傳動裝置的AM0820來驅(qū)動。
該裝置必須滿足這一精密用途的一系列要求：體積和電流消耗要小；運(yùn)動精度高；耐低溫，因為在阿拉斯加北部和南極附近都會用到Streckeisen的設(shè)備，但最重要的是，它必須長期保持穩(wěn)定。
Robert Freudenmann說道：“為了進(jìn)行長期測量，測量位置就要選在環(huán)境條件非常穩(wěn)定的地方。在極端情況下，擺錘的第一次校衡是在設(shè)備投入使用之前，而第二次校衡可能在十年后。這樣的話，電機(jī)就必須在長時間運(yùn)行后能馬上重新啟動并精確地完成校衡任務(wù)。而FAULHABER的電機(jī)成為了最理想的選擇�！�
周密檢測 精密出色
并非所有的設(shè)備都被用來進(jìn)行長期測量，在陣列測量中，大量的地震儀會呈網(wǎng)狀分布在特定區(qū)域，以記錄該區(qū)域地底的活動情況。在數(shù)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(zhuǎn)移到下個測量地點。比如，美國各個州就是按照這種方式來逐個完成測量。
不過，在運(yùn)輸過程中無法避免的是運(yùn)動會對靈敏度高的傳感器造成影響。為了防止受損，就要用運(yùn)輸鎖止裝置將運(yùn)動部件固定。這項任務(wù)由Streckeisen地震儀中的0816P006S直流微電機(jī)來完成。
Robert Freudenmann強(qiáng)調(diào)說：“FAULHABER既能為我們提供步進(jìn)電機(jī)，也能提供微電機(jī)，實踐證明，它們的品質(zhì)都極其出色。”
與第一代產(chǎn)品相比，Streckeisen現(xiàn)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(xì)的人工操作來完成，在安裝到位之前，部件之間相互配合的精度是無法校核的。因此，每個傳感器都要在防空洞中進(jìn)行大量測試，以確保其不會受到氣壓波動的影響，這最為關(guān)鍵。我們通過通風(fēng)機(jī)將空氣吹入混凝土制成的艙內(nèi)，并不斷進(jìn)行“充氣”。
設(shè)在南極洲極點處的GSN地震觀測站QSPA。該站的設(shè)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觀測站（離南極點約5英里）進(jìn)行冰上鉆孔作業(yè)。
Robert Freudenmann介紹說：“也許大家難以置信，氣壓的升高會改變艙內(nèi)的測量條件，哪怕僅升高幾納米。我們的設(shè)備能檢測出這些變化。如果設(shè)備沒有完全密閉，我們會收到偏移信號。通過這類檢測手段，我們能保證所交付的地震儀功能完美無缺，并能精確記錄地球內(nèi)部發(fā)生的變化�！�
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