18
?
這兩天，想必大伙一定被兩則地震消息給刷屏了，一個是 08 月 08 日 21 時 19 分發(fā)生在四川阿壩州九寨溝縣發(fā)生 7.0 級地震；另一個是 8 月 9 日 7 時 27 分，在新疆博爾塔拉州精河縣發(fā)生 6.6 級地震。有網(wǎng)友疑問，為什么地震儀不能提前預測并大幅度減少傷亡呢？地震儀的技術到底發(fā)展到什么程度了？
今天的《方案館》，與非小編就和大伙說一說關于地震儀的故事。
發(fā)展史
說到地震儀，不知道大伙是不是和小編一樣，“張衡”兩個字瞬間跳到眼前。張衡是我國東漢時代的科學家在公元 132 年就制成了世界上最早的“地震儀”，準確的說是地動儀。此儀器據(jù)說能判定地震發(fā)生的方位，那個沒有電子儀器的年代，這玩意當真有用嗎？
地動儀的核心部件就是一個青銅的圓柱子， 地震發(fā)生前，這根圓柱子會朝某一個方向傾倒，砸中那個方向上的龍吐出珠子，被底下的蛤蟆接住。因此，從力學原理上來看，這圓柱子在地震來臨之時傾倒，這就是利用了所謂“共振”的物理原理。
然而，據(jù)專業(yè)人士試驗，銅柱子的倒塌方向是隨機的，不一定會朝地震發(fā)生的那個方向倒塌。
第一臺真正意義上的地震儀由意大利科學家盧伊吉·帕爾米里于 1855 年發(fā)明，它具有復雜的機械系統(tǒng)。這臺機器使用裝滿水銀的圓管并且裝有電磁裝置。當震動使水銀發(fā)生晃動時，電磁裝置會觸發(fā)一個內(nèi)設的記錄地殼移動的設備，粗略地顯示出地震發(fā)生的時間和強度。
第一臺精確的地震儀，于 1880 年由英國地理學家約翰·米爾恩在日本發(fā)明，他也被譽為“地震儀之父”，約翰·米爾恩發(fā)明出多種檢測地震波的裝置，其中一種是水平擺地震波檢測儀。這個精妙的裝置有一根加重的小棒，在受到震動作用時會移動一個有光縫（一個可以通過光線的細長縫）的金屬板。金屬板的移動使得一束反射回來的光線穿過板上的光縫，同時穿過在這塊板下面的另外一個靜止的光縫，落到一張高度感光的紙上，光線隨后會將地震的移動“記錄”下來。
1906 年俄國王子鮑里斯·格里芩發(fā)明了第一臺電磁地震儀，在這臺機器的設計中，他利用了 19 世紀由英國物理學家邁克爾·法拉第提出的電磁感應原理。法拉第的感應原理認為磁鐵磁力線密度的改變可以產(chǎn)生電荷。在此基礎上，格里芩制造出一種儀器，可以在感受到震動時將一個線圈穿過磁場，產(chǎn)生電流并將電流導入檢流計中，檢流計可以測量并直接記錄電流。電流隨后移動一面鏡子，如同米爾恩所制作的引導光線的金屬板一樣。
20 世紀 40~50 年代廣泛使用的是 51 型儀器，這款地震儀是模擬光點記錄地震儀的典型代表，其采用光點記錄的方式在照相紙上每道記錄一個反射地震信號。
其后，為了解決光點記錄的不可重復利用的缺陷而發(fā)明的磁帶記錄儀在一定程度上改善了上一代地震儀的性能。
隨后便是數(shù)字磁帶地震儀，主要產(chǎn)品有美國德克薩斯公司的 DFS 系列，法國舍賽爾公司的 SN338 型，還有西部地球物理公司的 COBA 系列等，這一代地震儀的特點在于將采集到的地震信號先進行前置放大和瞬時浮點放大，再經(jīng)過模數(shù)轉換成數(shù)字信號后記錄在磁帶上．
當發(fā)展到第四、第五代的遙測數(shù)字地震儀，其引入了計算機處理技術，將原先的磁帶記錄改為直接送入計算機進行數(shù)據(jù)采集和處理，可以由多個采集站構成一個采集網(wǎng)絡，通過地面主控計算機實施遠程控制采集。
如今，最新發(fā)展起來的全數(shù)字地震儀則對地震儀的產(chǎn)業(yè)和標準提出了革命性的挑戰(zhàn)，其突出特點在于數(shù)字地震檢波器的應用． 基于 MEMS 技術制造的數(shù)字傳感器，完全顛覆了傳統(tǒng)模擬傳感器只能輸出模擬量的限制，將傳感器、信號轉換等電路集成到一片芯片中，傳感器的輸出信號即為數(shù)字量。
然而，我國的地震儀發(fā)展則稍晚于國外 ，第一臺國產(chǎn)近代地震儀——霓式（Ⅰ型）水平向地震儀，于 1943 年在重慶研制成功，算是開啟了國產(chǎn)地震儀的大門。
在此地震儀的基礎上，我國先后經(jīng)歷了 51 地震儀、581 型微震儀、65 型地震儀（最早走出國門的國產(chǎn)地震儀）、763 型地震儀、768 型大位移長周期地震計。目前各地震臺在使用的國產(chǎn)地震儀型號主要有：768 型、BBVS—60 型、BBVS—120 型、DD—1 型、DD—2 型、FBS—3 型、JCZ—1 型等系列地震儀[1]。
暈暈乎乎一場歷史課過后，下面我們進入更暈乎的一步，到底怎么可以做出一款地震儀。
?
方案館
1，地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計
本方案是來自于《中國測試》雜志的一篇文章[2]。
地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成地震數(shù)據(jù)的采集、存儲和傳輸。本采集系統(tǒng)主要由模擬濾波網(wǎng)絡、模擬開關、信號調(diào)理電路、24 位 A/D 轉換電路、測試信號發(fā)生電路、以太網(wǎng)通信電路以及 FPGA 主控系統(tǒng)等組成。
主控系統(tǒng)基于半導體 Microsemi 公司低功耗 FPGA 芯片實現(xiàn)，內(nèi)置高效運算處理能力的 ARM Cortex-M3 處理器，配有片內(nèi) Flash 堯片內(nèi) RAM 及以太網(wǎng) MAC 控制器 IP 核，同時可在 SOPC 嵌入式系統(tǒng)中開發(fā)同步數(shù)據(jù)采集模塊。
工作流程如下圖：
2，礦用地震儀[3]
這款地震儀主要針對煤礦井下這種特殊場所，選用 Cirrus Logic 公司的地震勘探芯片組作為采集系統(tǒng)的核心部件。
該系統(tǒng)采用 32 位 ARM 芯片、結合 24 位 A/D、SD 卡海量存儲技術等構建嵌入式硬件平臺，利用開源嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)，完成系統(tǒng)功能配置、數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)回收等功能。該儀器可實現(xiàn)單站 3 通道信號采集，各儀器之間利用 GPS 信號以及高精度時鐘芯片實現(xiàn)時間的精確同步。
系統(tǒng)總體圖如下：
總的來說，該儀器具有便攜防爆的特點，采用先進的 ARM9 嵌入式處理器，集成了 GPS 對時、大容量數(shù)據(jù)存儲功能，儀器的各項性能指標均達到設計目標。具體設計思路請參考文末的引用文獻。
3，小型化地震儀主機[4]
該系統(tǒng)采用集成多種通用外設的高配置 ARM 處理器，加載實時的 Windows CE 操作系統(tǒng)，是一款具有小型化、低功耗的地震儀主機。
該主機還擴展了 7 寸觸摸屏、256 M 的 RAM、512 M 的 Flash、USB_HUB、SD 卡接口、鼠標鍵盤接口、實時時鐘以及相應的外部通信接口，如下圖。
控制主機另外一個重要功能是對外的通信接口，為了提高主機的兼容性，集成了以太網(wǎng)和無線射頻通信兩種接口。
在 Windows CE 系統(tǒng)下采集控制軟件的實現(xiàn)，包括地震波形的快速顯示、預處理、質(zhì)量控制等關鍵技術點的處理方式。實際野外測試顯示其性能完全滿足地震勘探需求，尤其是其高度集成化的設計及簡便的操作界面大大提高了施工效率。（具體內(nèi)容請自行搜索文末的引用文獻）
4，基于 STM32 芯片的地震儀[5]
該地震儀實現(xiàn)了單站單通道無纜存儲式地震儀的硬件平臺：包括電源、網(wǎng)絡芯片、STM32、SD 卡、GPS 模塊、狀態(tài)燈、調(diào)試串口、JTAG 接口、信號預處理單元和 AD 十部分。
實物圖
硬件部分：以 STM32 為核心搭建的最小系統(tǒng)作為系統(tǒng)的主控單元；利用模擬開關 ADG201、RC 濾波網(wǎng)絡和全差分放大器 THS4521 組成信號預處理電路，負責信號切換，系統(tǒng)濾波和信號調(diào)理；以 ADS1281 為核心設計信號采集電路，可以完成高精度、高保真、采樣率可調(diào)的數(shù)據(jù)采集；以四線 SDIO 接口驅動 SD 卡，完成高速的地震數(shù)據(jù)傳送、本地存儲；利用 GPS 模塊提供 GPS 同步授時服務，解決分布式地震儀的同步采集問題；為了實現(xiàn)網(wǎng)絡通信功能，系統(tǒng)中集成了網(wǎng)卡芯片 DP83848 作為物理層芯片。
經(jīng)過一系列測試，作者也表示此系統(tǒng)是一款滿足地震儀性能要求的小型化、低成本地震儀。（具體內(nèi)容請自行搜索文末的引用文獻）
5，DIY 地震儀
此款地震儀是順德均安職業(yè)技術學校師生研發(fā)的，看下面圖片，你會覺得這是一個古怪的儀器，渾身上下都是電線和銅線纏繞。
儀器頂端安裝太空電離反射接收天線，性質(zhì)等同于衛(wèi)星天線，接收地電場變化的短波；頂端往下是四匝銅線，“總共 170 公斤電線，里面纏了 24.1 千米長”用以接收地響產(chǎn)生的次聲波；儀器中間是鋼架，里面吊著一吊墜，專門測試重力的變化；儀器的底部是大量的磁針，專門為檢測地磁場波動而設。
設計者表示，4 部分被聯(lián)通到電腦上，數(shù)據(jù)直接通過電腦分析。理想狀態(tài)下，將電線放入地下 180 米處，儀器可檢測到方圓 250 至 300 公里的區(qū)域，“震級在 2.5 以上才有反應，震級太小，儀器無法檢測出?！?/p>
該地震儀還測出過一次 4.8 級地震，而且是在震前 13 分鐘。
在自然災害面前，人類往往顯得非常渺小，在未來，我們有機會用科技“征服”自然嗎？
文獻引用：
[1] 陳瑛, 宋俊磊 . 地震儀的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀綜述[J]. 地球物理學進展, 2013, 28(3):1311-1319.
[2] 孫富津, 張林行, 曹家銘,等 . 基于 SOPC 的 8 通道地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J]. 中國測試, 2016, 42(3):73-76.
[3] 吳海, 江浩 . Cirrus 芯片在礦用地震儀中的應用[J]. 電子科技, 2013, 26(8):96.
[4] 李懷良, 庹先國, 劉勇,等 . ARM 與 Windows CE 平臺下小型化地震儀主機設計[J]. 科技通報, 2016, 32(10):121-124.
[5] 趙金龍 . 基于 STM32 的單通道無纜存儲式地震儀設計與實現(xiàn)[D]. 吉林大學, 2016.
與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容，未經(jīng)許可，不得轉載！
往期經(jīng)典回顧：
六大智能音箱方案，聯(lián)發(fā)科藐視全志 / 瑞芯微 / 高通找回牌面？
智能插座、智能風扇、安防監(jiān)測全都有，這六大智能家居方案讓你擁有更酷的家
電子螢火蟲、LED 餐桌、虛擬鍵盤，這些“把妹”神技還不趕緊來學
