毫微级运动 | 微电机颠覆传统地震仪探测技术

• 关键词：微电机,福尔哈贝,Faulhaber
• 摘要：2月6日23时50分，台湾花莲县附近海域发生6.5级地震，震源深度11公里。截至7日24时，已有7人在地震中遇难，260人受伤，67人仍处于失联中。人类可以飞到月球上，将探测器发送到太阳系边缘及以外的地方，但是，却只能深入到地球深处数千米。为了探索行星内部，我们需要依赖间接方法。

2月6日23时50分，台湾花莲县附近海域发生6.5级地震，震源深度11公里。截至7日24时，已有7人在地震中遇难，260人受伤，67人仍处于失联中。

人类可以飞到月球上，将探测器发送到太阳系边缘及以外的地方，但是，却只能深入到地球深处数千米。为了探索行星内部，我们需要依赖间接方法。

地震学出自希腊语seismós，意思是大地的震颤，对于地球内部所发生的一切都可以从它的传播中找到答案，就像使用超声波观察胎儿一样。

不用仪器就能感觉到的地震相对容易测量，因为它们的震感强烈，而且信号清晰，用灵敏度较低的传感器就能记录下来。

传统地震仪示意图

但是，当震感非常小的时候，探测难度就会加大，例如世界各地发生的弱地震，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束手无策，其结构通常包含一个重物摆锤，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。

颠覆传统地震仪

为了克服这一限制，大约在35年前，有志成为地理学家的Gunar Streckeisen发明了一种被称为STS-1的宽频带地震仪。

之后，他创立了Streckeisen集团，以生产这些装置，并将它们销往全球。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。

动态响应速度更快

宽频带地震仪与传统地震仪唯一区别就是摆锤，用于反映外界的作用力。它不再需要针，同时能达到极高动态响应，其奥妙在于它的电磁反馈系统能保证摆锤始终处于既定的平衡位置。

摆锤保持在平衡位置

Streckeisen公司的常务总监Robert Freudenmann介绍说：“它的工作原理类似于电子天平，跟踪轨迹所需要的纠正信号同时也是输出信号。作用在仪器上的力越大，信号就越强，因而摆锤能始终处在中间位置。”

运用这种测量原理可以达到145dB的动态响应，相当于18 km宽纸带。

为了记录地球的三维运动，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，同时根据作用力方向作出不同反应，并计算出空间偏差的三维图像。

十年校衡一次

一旦完成安装，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为操作。开始运行之前，地震仪的精确调整和摆锤的平衡极其重要。

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。

对心过程结束后，调整砝码的齿使其处于螺钉夹片之间，且不与之接触。

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，通过与之成直角的螺钉来运动。齿环和螺钉之间有细微间隙。当达到精确平衡后，调整砝码的齿环便能保持在螺钉的夹片之间，因此摆锤可以自由移动。”

长期运行 稳定可靠

这一过程被专业人员称为“对中”，它通过FAULHABER提供的配有16:1行星齿轮传动装置的AM0820来驱动。

该装置必须满足这一精密用途的一系列要求：体积和电流消耗要小；运动精度高；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，它必须长期保持稳定。

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。这样的话，电机就必须在长时间运行后能马上重新启动并精确地完成校衡任务。而FAULHABER的电机成为了最理想的选择。”

周密检测 精密出色

并非所有的设备都被用来进行长期测量，在阵列测量中，大量的地震仪会呈网状分布在特定区域，以记录该区域地底的活动情况。在数月或者若干年后，这些测量工作一旦完成，测量网将被移除，并转移到下个测量地点。比如，美国各个州就是按照这种方式来逐个完成测量。

不过，在运输过程中无法避免的是运动会对灵敏度高的传感器造成影响。为了防止受损，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，带有管状外壳的新型号产品还可置入钻孔中。

其安装仍需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，每个传感器都要在防空洞中进行大量测试，以确保其不会受到气压波动的影响，这最为关键。我们通过通风机将空气吹入混凝土制成的舱内，并不断进行“充气”。

设在南极洲极点处的GSN地震观测站QSPA。该站的设计需在冰上钻出深度约300米的钻孔。图中为NSF聘请的施工单位正在QSPA观测站（离南极点约5英里）进行冰上钻孔作业。

Robert Freudenmann介绍说：“也许大家难以置信，气压的升高会改变舱内的测量条件，哪怕仅升高几纳米。我们的设备能检测出这些变化。如果设备没有完全密闭，我们会收到偏移信号。通过这类检测手段，我们能保证所交付的地震仪功能完美无缺，并能精确记录地球内部发生的变化。”