我們每天瀏覽國內(nèi)外新聞,時有報道某地發(fā)生地震。強(qiáng)烈的地震對人類的經(jīng)濟(jì)活動和人身*造成傷害威脅。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步,地震檢測能力和應(yīng)用也在不斷革新。地震檢測設(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)計進(jìn)步產(chǎn)生了具有不同工作頻率范圍、檢測機(jī)制和測量不同地震動參數(shù)的儀器。*我們來討論一下主要的地動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,簡單地介紹一下幾個現(xiàn)代地震儀和地震動傳感器。
1.應(yīng)變地震儀
歷史上的地震儀器只能記錄地動位移。技術(shù)的進(jìn)步使得通過不同機(jī)制來測量地動位移成為可能。應(yīng)變地震儀或應(yīng)變儀一般是指記錄和測量兩個地面點(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長度和應(yīng)變變化高度敏感的材料。長度的變化歸因于地動引起的小位移。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。容器體積的變形會引起液位變化,再通過電壓位移傳感器轉(zhuǎn)換為地動位移。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*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)動引起的干涉條紋變化轉(zhuǎn)換為地動位移。這種位移測量方法的靈敏度和精度與測量距離的長度成正比。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)備通常用于測量斷層運(yùn)動和火山活動引起的地球變形或地殼運(yùn)動。它們可以測量頻率非常低的地震波信號。但是,與懸吊質(zhì)量塊相對于地面的運(yùn)動相比,應(yīng)變儀的差分地面運(yùn)動非常小。因此,不建議使用應(yīng)變儀來檢測地震引起的地面運(yùn)動。
2.慣性地震儀
慣性地震儀確定相對于慣性參考的地動參數(shù),慣性參考通常是一個懸吊質(zhì)量塊。具體來說,地震動參數(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。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)動轉(zhuǎn)換為電信號。控制運(yùn)動的機(jī)械縣架與作用在暴吊質(zhì)量塊上的慣性力相關(guān)。速度和位移傳感器與機(jī)械縣架是慣性地震儀的兩個主要組成部分。為這兩個部分開發(fā)精密儀器是現(xiàn)代慣性地震儀的主要設(shè)計工作。
3.力平衡加速度計
機(jī)械暴架需要一個較小的恢復(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)動產(chǎn)生的大加速度作用于懸吊質(zhì)量塊時,較小恢復(fù)力將無法平衡所產(chǎn)生的運(yùn)動。因此,被動機(jī)械懸架的精度和靈敏度只適用于有限范圍的地震動加速度。力平衡加速度計(FBA)通過向機(jī)械架增加負(fù)反饋環(huán)路來消除此限制。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,信號隨后通過一個積分器模塊,產(chǎn)生與地震動加速度成比例的輸出電壓。FBA的動態(tài)范圍明顯大于采用被動機(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)路引起的延遲會限制設(shè)備的帶寬。
4.速度寬帶(VBB)地震儀
車輛運(yùn)動和人為擾動(例如采礦)引起的地震波具有高頻地震動加速度。在非常低的頻率下,地動加速度以不平衡的懸架、地面傾斜和熱效應(yīng)為主。因此,使用地震動加速度的地震儀的帶寬以具體帶通響應(yīng)為限。地震動加速度的帶通響應(yīng)等效于地震動速度的高通響應(yīng)。因此,為了獲得更寬的地震儀帶寬,地震信號是以地震動速度記錄的。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,但是對于更廣泛的作用力,其靈敏度和精度不會降低。
5.地震檢波器和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)
加速度計日益增多的地震應(yīng)用的趨勢是發(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、石油勘探和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面。地震儀的實(shí)施、屏蔽和安裝是這些應(yīng)用的三個常見約束條件。設(shè)備的規(guī)模生產(chǎn)和快速部署能夠直接克服這三個常見限制,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)能夠檢測地震動;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?,F(xiàn)代地震檢波器的外殼上固定有一塊磁鐵,并被一個線圈包圍。線圈被彈簧暴掛起來,可以在磁體上移動。此運(yùn)動相對于磁鐵的速度會感生一個輸出電壓信號。
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