宽频段地震仪探测毫微级运动

想象一下,有一根棒子从苏黎世一直延伸到东京,长度超过1万千米。此时有个人在东京拿着一张纸在它的下方滑动。 在苏黎世一端的地震仪之后会有反应,并精确指示倾斜角度的极小变动。这种难以想象的精度通过瑞士企业Streckeisen生产的装置就能实现,这家企业的名字就是专业级高性能地震仪的同义词。地震仪中用了4只FAULHABER电机,使高灵敏度传感器能够可靠工作。

人类可以飞到月球上,并将探测器发送到太阳系的边缘和以外的地方。但是,人类只能深入地球深处数千米。为了探索行星的内部,我们就要依赖间接的方法。地震学–出自希腊语seismós,意思是大地的震颤–该学科主要研究由大陆板块的运动所引起的震动。对于地球内部所发生的一切可以从它们的传播中找到答案,就像使用超声波来观察胎儿一样。不用仪器就能感觉到的“适度的”地震相对较容易测量。它们的震动强烈,而且信号较为清晰,用灵敏度较低的传感器就能记录下来。

当运动强度很小时,记录难度就会加大,例如全世界各个地方所发生的弱地震,都能在海上产生波涛。 对于这种情况,构造简单的传统地震仪毫无办法。它的组成通常包含一个重物–摆锤,它通过一根弹簧悬垂下来。重物上带有一根针,在发生震动时,可以在一卷连续的纸带上绘制曲线。偏移的幅度代表震动的强度–但以纸卷的边界为限。从另一方面看,灵敏度还受到针尖厚度的限制:小于绘制线条宽度的小幅偏移就无法清晰识别。这相当于60dB的动态响应。

一张有18千米宽的纸

为了克服这种限制,大约35年前,在苏黎世的ETH准备论文期间,有志成为地球物理学家的Gunar Streckeisen在Erhard Wielandt的指导之下,发明了一种被称为STS-1的宽频带地震仪。之后,他在Winterthur 创立了Streckeisen AG,以生产这些装置,并将它们销售到全世界。这标志着传统地震仪的时代结束了。Erhard Wielandt是当今现代地震测量技术的奠基人。

对心过程结束后,调整砝码的齿就保持在螺钉的夹片之间,而且与之不产生接触。

摆锤保持在平衡位置

宽频带地震仪与传统地震仪唯一相同的地方就是摆锤,它用于反映外界的作用力。针已不再需要,尤其是因为它总在画直线。Streckeisen的地震仪能够达到极高动态响应的奥妙在于,它的电磁反馈系统能够保证摆锤始终保持在一个既定的平衡位置。Streckeisen 公司的常务总监Robert Freudenmann介绍说:“它的工作原理类似一台电子天平,跟踪轨迹所需要的纠 正信号同时也是输出信号。运动作用在仪器上的力越大,信号就越强,因而摆锤就始终处在中间位置。” 运用这种测量原理可以达到145dB的动态响应,相当于纸带有18 km宽。

为了记录地球在全部三个维度方向的运动,每台地震仪都有3个摆锤。它们位于同一个圆周上,略有偏斜,彼此之间呈120°分布。它们会根据作用力的方向作出不同反应,从这些差别中,就能计算出空间偏差的三维图像。

十年校衡一次

一旦安装完成后,高精度的机电装置就能自动工作,并且很长时间都不需要人去干预。开始运行之前,地震仪的精确调整和摆锤的平衡极其重要。Robert Freudenmann介绍说:“传统上,地震仪总要朝向东面。为了调整摆锤的平衡,就要调整摆 锤上的移动砝码,直至达到精确的平衡。这个移动砝码是一个带齿的环,可以通过旋转,在轴线方向前后移动。它通过一个与之成直角的螺钉来运动。带齿环和螺钉之间有一个细微的游隙。达到精确平衡后,调整砝码的齿便保持在螺钉的夹片之间,即摆锤可以自由移动。”

长期可靠

这一过程被专业人员称为“对中”,它是通过由FAULHABER提供的一台配备了16:1行星齿轮传动装置的AM0820。它必须满足这种精密用途的一系列要求:体积和电流消耗要小;运动精确;耐低温,因为在阿拉斯加北部和南极附近都会用到Streckeisen的设备。但最重要的是,它要能够长期保持稳定。Robert Freudenmann说道:“为了进行长期测量,测量位置 就要选在环境条件非常稳定的地方。在极端情况下,摆锤的第一次校衡是在设备投入使用之前,而第二次校衡可能在十年后才会进行。这样的话,电机就必须在长时间没有动作的情况下,能够马上重新启动并精确地完成任务。我们知道,这对FAULHABER的电机来说不在话下。”

充气混凝土舱

并非所有设备都被用来进行长期测量。在所谓的阵列测量中,大量的地震仪就会呈网状分布在特定地区,以记录该地点地下的特殊活动情况。数月或者若干年后,这种测量工作一旦完成,将会将这个测量网移除,并将这些设备转移到下一个测量地点。比如,美国的各个州就是按照这种方式来逐个测量的。不过,在运输过程中无法避免的运动对灵敏的传感器来说不是什么好事。为防止受损,就要用运输锁止装置将运动部件固定。这项任务由Streckeisen地震仪中的第四台电机- 0816P006S直流微电机来完成。Robert Freudenmann强调说:“FAULHABER既能为我们提供步进电机,也能提供微电机,实践证明,它们的品质都极其出色。”

与第一代产品相比,Streckeisen现在所生产的地震仪体积更小,安装也更方便。一种带有管状外壳的新型号可以被放入钻孔中。它的安装仍要靠精细的人工操作来完成。在安装到位之前,部件之间相互配合的精度是无法校核的。因此,每一个传感器都要在防空洞中进行大量的测试,以确保其不会受气压波动的影响,这是最关键的一点。风扇将空气吹入四壁都是混凝土舱内,对其进行“充气”。Robert Freudenmann介绍说:“说来很难相信,但气压的升高确实会改变了舱内的测量条件,哪怕只升高几个纳米。我们的设备能够检测出这个变化。如果设备没有完全密闭,我们就能收到偏移信号。通过这类检测手段,我们就能保证所交付的地震仪的功能完美无缺,并能精确记录地球内部所发生的变化。”

摆锤保持在平衡位置