地震预测中的地震计监测过程及相关传感器原理

2019年5月12日,是5.12汶川地震11周年纪念日,也是是全国防灾减灾日。在我国地震预测工作中,采用加速度计等传感器原理合和技术的地震计,作为一种常见的地震实时观测仪器,被广泛用于各类地震台站的日常监测工作中。

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  2019年5月12日,是5.12汶川地震11周年纪念日,也是一年一度的全国防灾减灾日。随着监测手段不断升级,国内地震自动速报平均用时从2017年的3分钟缩短到2分钟,正式测报平均用时从2017年的15分钟缩短到10分钟。在江苏,地震速报时间甚至缩至1分钟。

位于南京基准地震台的摆墩

位于南京基准地震台的摆墩

  据悉,在江苏南京,坐落着我国自行筹建最早的现代地球物理观象台之一的南京基准地震台。目前,该台站承担着江苏以及全球的地震速报、地震前兆监测任务。作为能测定全球范围内地震的重点台站,南京基准地震台配备有十多套测震、形变、电磁等学科观测仪器。

  我们知道,地震台是通过地震计(即地震传感器)、数据采集器、数据记录器等协同工作来记录地震的。在南京基准地震台测震摆房,有四个正方形水泥铸摆墩,与地壳基岩相连接。而监测地震的关键性设备地震计,就被罩在其中。

  地震计预测地震的原理

  地震计分为东西、南北、垂直三个维度,可监测地震信号。当地震发生时,地震波会以每秒5到7公里的速度传向地震计。紧接着,地震计会将检测到的机械信号转化为电信号,并通过模拟数字信号转换器传输到数据采集室测报员的电脑上。

常见的地震计及内部构造

常见的地震计及内部构造

  测报员在第一时间接收到信号后,可通过专业软件对信号进行放大及模数转换,约只需要1分多钟,实时分析出时间、地点、震级三要素,同时,在电子显示器上显示震动记录波形,也就是地震波形图。借此,根据捕捉到的地震波信息,科学家便可计算出地震台到震源的距离、方位角,确定震中位置。

  具体来说,通过分析地震波形图记录的横轴-时间轴,就可以得到识别出各种地震波到达的时间,如P波(地震纵波)和S波(地震横波)的到达的时间,由此也可得出地震发生的时间和地震发生的地点。而通过分析记录图的纵轴-振幅轴,就可以计算出地震的震级。

地震计监测得出的地震波形图

地震波形图,资料图

  比如,5月7日5时许,在巴布亚新几内发生了一次7.1级地震,从地震发生,南京台地震计受到感应,再到工作人员计算出地震要素,整个过程只需要1到2分钟。

  地震计相关传感器原理

  以前,老式地震监测设备采用的是速度型地震计。这种地震计采用的是电磁感应原理,即在封闭的磁场内放置一个线圈,摆体的相对运动速度与其线圈输出呈正比。不过,速度型地震计只能检测到相对而言比较大的运动量,目前,面对监测范围和精度的提升需求,新式地震加速度计应用而生。

地震计内部构造示意图

地震计内部构造示意图,图中左、右分别为地震计水平、垂直分向摆体

  究其原因,是因为与速度型检波器相比,在内部摆体完全静止时,速度型地震计基本不会有响应,加速度计却能够检测到摆体的某些运动倾向,也就是加速度状态。因此,速度型检波器只能检测到相对而言比较大的运动量,而加速度计可以检测到极其微小的运动量。

  目前,伺服加速度传感器被广泛的应用在地震计当中,因具备线性响应好、工作状态稳定等优点,这种地震加速度传感器测量的位移在低频的时候也会非常灵敏,而这也是目前应用广泛的宽频带和甚宽频地震计的核心工作原理。

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