2月6日23時(shí)50分，臺(tái)灣花蓮縣附近海域發(fā)生6.5級(jí)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。
人類可以飛到月球上，將探測(cè)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(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(yǔ)seismós，意思是大地的震顫，對(duì)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(jué)到的地震相對(duì)容易測(cè)量，因?yàn)樗鼈兊恼鸶袕?qiáng)烈，而且信號(hào)清晰，用靈敏度較低的傳感器就能記錄下來(lái)。
傳統(tǒng)地震儀示意圖
但是，當(dāng)震感非常小的時(shí)候，探測(cè)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(duì)于這種情況，構(gòu)造簡(jiǎn)單的傳統(tǒng)地震儀束手無(wú)策，其結(jié)構(gòu)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(xù)的紙帶上繪制曲線。偏移的幅度代表震動(dòng)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(wú)法清晰識(shí)別，這相當(dāng)于60dB的動(dòng)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(shí)代結(jié)束了，Erhard Wielandt是當(dāng)今現(xiàn)代地震測(cè)量技術(shù)的奠基人。
動(dòng)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(shí)能達(dá)到極高動(dòng)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(shuō)：“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(hào)同時(shí)也是輸出信號(hào)。作用在儀器上的力越大，信號(hào)就越強(qiáng)，因而擺錘能始終處在中間位置。”
運(yùn)用這種測(cè)量原理可以達(dá)到145dB的動(dòng)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(dòng)，每臺(tái)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(jù)作用力方向作出不同反應(yīng)，并計(jì)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(dòng)工作，并且很長(zhǎng)時(shí)間都不需要人為操作。開(kāi)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(duì)心過(guò)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(duì)心過(guò)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(shuō)：“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(dòng)砝碼，直至達(dá)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(zhuǎn)在軸線方向前后移動(dòng)，通過(guò)與之成直角的螺釘來(lái)運(yùn)動(dòng)。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(dòng)�！�
長(zhǎng)期運(yùn)行 穩(wěn)定可靠
這一過(guò)程被專業(yè)人員稱為“對(duì)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(qū)動(dòng)。
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�。贿\(yùn)動(dòng)精度高；耐低溫，因?yàn)樵诎⒗辜颖辈亢湍蠘O附近都會(huì)用到Streckeisen的設(shè)備，但最重要的是，它必須長(zhǎng)期保持穩(wěn)定。
Robert Freudenmann說(shuō)道：“為了進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)量，測(cè)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)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(jī)成為了最理想的選擇�！�
周密檢測(cè) 精密出色
并非所有的設(shè)備都被用來(lái)進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)量，在陣列測(cè)量中，大量的地震儀會(huì)呈網(wǎng)狀分布在特定區(qū)域，以記錄該區(qū)域地底的活動(dòng)情況。在數(shù)月或者若干年后，這些測(cè)量工作一旦完成，測(cè)量網(wǎng)將被移除，并轉(zhuǎn)移到下個(gè)測(cè)量地點(diǎn)。比如，美國(guó)各個(gè)州就是按照這種方式來(lái)逐個(gè)完成測(cè)量。
不過(guò)，在運(yùn)輸過(guò)程中無(wú)法避免的是運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)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(dòng)部件固定。這項(xiàng)任務(wù)由Streckeisen地震儀中的0816P006S直流微電機(jī)來(lái)完成。
Robert Freudenmann強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“FAULHABER既能為我們提供步進(jìn)電機(jī)，也能提供微電機(jī)，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(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(hào)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(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(cè)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(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(diǎn)處的GSN地震觀測(cè)站QSPA。該站的設(shè)計(jì)需在冰上鉆出深度約300米的鉆孔。圖中為NSF聘請(qǐng)的施工單位正在QSPA觀測(cè)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(nèi)的測(cè)量條件，哪怕僅升高幾納米。我們的設(shè)備能檢測(cè)出這些變化。如果設(shè)備沒(méi)有完全密閉，我們會(huì)收到偏移信號(hào)。通過(guò)這類檢測(cè)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(nèi)部發(fā)生的變化�！�
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