漫话地震仪与地震观测%28二%29.pdf
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1、58城市与减灾CITY AND DISASTER REDUCTION现代地震仪特点:数字化、低噪声、大动态范围、宽频带在前文里我们主要关注的是地震仪如何拾取地面运动过程,即传感器部分,行业上称为“地震计”,它的主要作用是将地面运动“感觉”出来直接或者换能后输出。为了把地震计的输出记录下来供后续分析研究,还需要一套“数据记录仪”,地震计和数据记录仪一起构成一套完整的地震仪。在 20 世纪 70 年代以前,数据记录主要采用纸式、光学照相和磁带记录几种方式。以电磁换能设计为例,地震计输出电流驱动机械笔头、光笔或者磁头将模拟信号输出“画”在纸或者胶卷上。在后续研究中为了读取这些数据,需要以人工方式采用
2、机械尺等工具在记录纸或者胶卷上进行度量,人为数字化后再进行计算,整个过程非常烦琐耗时并且测量精度也受到严重影响。20 世纪 70 年代初,随着现代电子技术发展,地震观测也逐渐进入“数字化”时代。模数转换采集设备出现,使得数据采集系统能够记录的信号范围有了质的提升,同时由于现代电子计算机的广泛应用,数字化记录使得地震数据的存储、传输、交换、处理等方式发生革命性改变,工作效率大幅提高。“力平衡负反馈”以及“差分电容换能”等技术的采用使得地震计的频带宽度、动态范围等核心指标也大幅度提高,现代地震仪进入了“低噪声、大动态范围、宽频带”的数字化时代,这些技术仍是我们今天研发宽频带地震仪用到的主要技术。如
3、图 12 所示分别是 20 世纪80 年代瑞士 Streckeisen 公司生产的 STS-1 和STS-2 型地震计,是现代高性能地震计的典型代许卫卫,中国地震局地球物理研究所研究员,主要从事流动地震台阵观测技术、地震仪器研制及测试等工作。主持过国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、中国数字地震网络工程子课题等项目。以第一作者在 BSSA、SRL、中国科学等学术刊物发表论文 11 篇。漫话地震仪与地震观测(二)许卫卫郭心59POPULARIZATION OF SCIENCE FOR DISASTER REDUCTION 减灾科普表,即使放在今天这两种地震计在性能上仍然是一流水平,在
4、一些国家和地区的固定地震台站上有部分设备目前仍在服役。这里对现代地震计中采用的两项主要技术“力平衡负反馈”和“差分电容换能”做一简要解释。首先来看“力平衡负反馈”(图 13),仍以最简单的垂向悬垂弹簧式地震仪为例。在没有“力平衡负反馈”的传统设计中(图13 上),质量块的输出直接反映了地动量的大小,我们称为“开环”设计。在“开环”基础上,用一个机电转换把质量块输出信号经过一些电路处理后,再连接到输入端形成一个回路(图13 下),通过控制这个反馈回路的参数确保质量块一直处于静止状态,那么反馈回路提供的反馈力实际上就反映了地动量的大小,相应地我们称为“闭环”设计,通过闭环里的“负反馈”来实现质量块
5、的“力平衡”。这么做有两个好处:首先就是由于质量块的运动会非常小,系统的线性度将提高很多,记录准确性大幅提高;其次由于反馈回路的引入,在机械部分不容易实现的性能可以通过电路部分得到补偿。加入反馈回路以后系统的性能由开环的机械部分和闭环中的电路部分共同决定,以固有周期为例,机械部分的固有周期如果比较小,通过电路部分就可以把整个系统的固有周期变大,即所谓拓频的概念。我们再来看另外一项重要技术“差分电容换能”(图14)。在这项技术出现之前地震仪主要采用的是前面提到的伽利津式电磁换能方式(图 14 左),利用质量块运动速度正比于输出电流,实现把地动量转换为电流输出。当在地震仪中采用“力平衡负反馈”技术
6、以后,因为质量块的输出位移非常小,如果还采用电磁换能精度上就不太够,所以出现了图 14 右所示的“差分电容换能”方式。可以看到这个换能器主要由三块电容板构成,中间一块电容板的静态位置正好位于两边两块电容板中间,形成一个“半桥”式结构,中间电容板上下微弱的位移变化可以被这个“半桥”拾取到,检图12现代地震计“STS-1”(左)和“STS-2”(右)图13“力平衡负反馈”技术原理(来自Bormannetal.,2013,NMSOP)惯性力无反馈的地震计力平衡反馈地震计微小机械位移电流位移换能电压电信号位移或速度换能电信号大位移引起非线性惯性力反馈力60城市与减灾CITY AND DISASTER
7、REDUCTION测能力可达到皮米(pm)量级(1 pm=1.010-12 m)。设计的时候可以选择把中间电容板或者两边电容板和质量块连接在一起,剩下的作为仪器固定部分,这是现代宽频带地震计中采用的主要设计方式。地震仪发展到现在种类繁多,比如我们常听到的短周期、宽频带、强震仪、检波器等,每一个种类也有众多生产厂家,我们如何来区别这些设备?又如何根据需求选择合适的观测仪器?这个问题比较复杂,因为仪器的稳定性、耐候性以及功耗等指标均是需要考虑的因素。但从本质上讲,地震仪是一种测量设备,那么它能够测量的地面运动量的范围就是其最重要的一项指标。图 15 中横轴表示地面运动量的周期,纵轴表示地面运动量的
8、幅度,每一种地震仪在这幅图上的测量范围对应一个区域,每一种地面运动信号也对应一个区域,所以仪器选择的基本准则就是根据位于图中不同区域的地面运动信号来选择测量区域较为契合的观测仪器。由于地面运动量的周期和幅度均超过 10 个数量级,用一种仪器满足所有观测需求是不现实的。宽频带仪器(Broadband)可以最高精度记录微弱的地面震动,但如果地面运动过于强烈,仪器记录将发生饱和,称为“限幅”。通过将位移或者速度记录转换为加速度记录(Accelerometer,或称强震仪),可以避免这种情况,但所谓有一利必有一弊,强震仪在强震时不会限幅,但是对于微弱地动量的检测能力却和宽频带设备相差甚远。在同一地点协
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