28
这两天，想必大伙一定被两则地震消息给刷屏了，一个是 08 月 08 日 21 时 19 分发生在四川阿坝州九寨沟县发生 7.0 级地震；另一个是 8 月 9 日 7 时 27 分，在新疆博尔塔拉州精河县发生 6.6 级地震。有网友疑问，为什么地震仪不能提前预测并大幅度减少伤亡呢？地震仪的技术到底发展到什么程度了？
今天的《方案馆》，与非小编就和大伙说一说关于地震仪的故事。
发展史
说到地震仪，不知道大伙是不是和小编一样，“张衡”两个字瞬间跳到眼前。张衡是我国东汉时代的科学家在公元 132 年就制成了世界上最早的“地震仪”，准确的说是地动仪。此仪器据说能判定地震发生的方位，那个没有电子仪器的年代，这玩意当真有用吗？
地动仪的核心部件就是一个青铜的圆柱子， 地震发生前，这根圆柱子会朝某一个方向倾倒，砸中那个方向上的龙吐出珠子，被底下的蛤蟆接住。因此，从力学原理上来看，这圆柱子在地震来临之时倾倒，这就是利用了所谓“共振”的物理原理。
然而，据专业人士试验，铜柱子的倒塌方向是随机的，不一定会朝地震发生的那个方向倒塌。
第一台真正意义上的地震仪由意大利科学家卢伊吉·帕尔米里于 1855 年发明，它具有复杂的机械系统。这台机器使用装满水银的圆管并且装有电磁装置。当震动使水银发生晃动时，电磁装置会触发一个内设的记录地壳移动的设备，粗略地显示出地震发生的时间和强度。
第一台精确的地震仪，于 1880 年由英国地理学家约翰·米尔恩在日本发明，他也被誉为“地震仪之父”，约翰·米尔恩发明出多种检测地震波的装置，其中一种是水平摆地震波检测仪。这个精妙的装置有一根加重的小棒，在受到震动作用时会移动一个有光缝（一个可以通过光线的细长缝）的金属板。金属板的移动使得一束反射回来的光线穿过板上的光缝，同时穿过在这块板下面的另外一个静止的光缝，落到一张高度感光的纸上，光线随后会将地震的移动“记录”下来。
1906 年俄国王子鲍里斯·格里芩发明了第一台电磁地震仪，在这台机器的设计中，他利用了 19 世纪由英国物理学家迈克尔·法拉第提出的电磁感应原理。法拉第的感应原理认为磁铁磁力线密度的改变可以产生电荷。在此基础上，格里芩制造出一种仪器，可以在感受到震动时将一个线圈穿过磁场，产生电流并将电流导入检流计中，检流计可以测量并直接记录电流。电流随后移动一面镜子，如同米尔恩所制作的引导光线的金属板一样。
20 世纪 40~50 年代广泛使用的是 51 型仪器，这款地震仪是模拟光点记录地震仪的典型代表，其采用光点记录的方式在照相纸上每道记录一个反射地震信号。
其后，为了解决光点记录的不可重复利用的缺陷而发明的磁带记录仪在一定程度上改善了上一代地震仪的性能。
随后便是数字磁带地震仪，主要产品有美国德克萨斯公司的 DFS 系列，法国舍赛尔公司的 SN338 型，还有西部地球物理公司的 COBA 系列等，这一代地震仪的特点在于将采集到的地震信号先进行前置放大和瞬时浮点放大，再经过模数转换成数字信号后记录在磁带上．
当发展到第四、第五代的遥测数字地震仪，其引入了计算机处理技术，将原先的磁带记录改为直接送入计算机进行数据采集和处理，可以由多个采集站构成一个采集网络，通过地面主控计算机实施远程控制采集。
如今，最新发展起来的全数字地震仪则对地震仪的产业和标准提出了革命性的挑战，其突出特点在于数字地震检波器的应用． 基于 MEMS 技术制造的数字传感器，完全颠覆了传统模拟传感器只能输出模拟量的限制，将传感器、信号转换等电路集成到一片芯片中，传感器的输出信号即为数字量。
然而，我国的地震仪发展则稍晚于国外 ，第一台国产近代地震仪——霓式（Ⅰ型）水平向地震仪，于 1943 年在重庆研制成功，算是开启了国产地震仪的大门。
在此地震仪的基础上，我国先后经历了 51 地震仪、581 型微震仪、65 型地震仪（最早走出国门的国产地震仪）、763 型地震仪、768 型大位移长周期地震计。目前各地震台在使用的国产地震仪型号主要有：768 型、BBVS—60 型、BBVS—120 型、DD—1 型、DD—2 型、FBS—3 型、JCZ—1 型等系列地震仪[1]。
晕晕乎乎一场历史课过后，下面我们进入更晕乎的一步，到底怎么可以做出一款地震仪。
方案馆
1，地震数据采集系统设计
本方案是来自于《中国测试》杂志的一篇文章[2]。
地震数据采集系统主要完成地震数据的采集、存储和传输。本采集系统主要由模拟滤波网络、模拟开关、信号调理电路、24 位 A/D 转换电路、测试信号发生电路、以太网通信电路以及 FPGA 主控系统等组成。
主控系统基于半导体 Microsemi 公司低功耗 FPGA 芯片实现，内置高效运算处理能力的 ARM Cortex-M3 处理器，配有片内 Flash 尧片内 RAM 及以太网 MAC 控制器 IP 核，同时可在 SOPC 嵌入式系统中开发同步数据采集模块。
工作流程如下图：
2，矿用地震仪[3]
这款地震仪主要针对煤矿井下这种特殊场所，选用 Cirrus Logic 公司的地震勘探芯片组作为采集系统的核心部件。
该系统采用 32 位 ARM 芯片、结合 24 位 A/D、SD 卡海量存储技术等构建嵌入式硬件平台，利用开源嵌入式 Linux 操作系统，完成系统功能配置、数据采集以及数据回收等功能。该仪器可实现单站 3 通道信号采集，各仪器之间利用 GPS 信号以及高精度时钟芯片实现时间的精确同步。
系统总体图如下：
总的来说，该仪器具有便携防爆的特点，采用先进的 ARM9 嵌入式处理器，集成了 GPS 对时、大容量数据存储功能，仪器的各项性能指标均达到设计目标。具体设计思路请参考文末的引用文献。
3，小型化地震仪主机[4]
该系统采用集成多种通用外设的高配置 ARM 处理器，加载实时的 Windows CE 操作系统，是一款具有小型化、低功耗的地震仪主机。
该主机还扩展了 7 寸触摸屏、256 M 的 RAM、512 M 的 Flash、USB_HUB、SD 卡接口、鼠标键盘接口、实时时钟以及相应的外部通信接口，如下图。
控制主机另外一个重要功能是对外的通信接口，为了提高主机的兼容性，集成了以太网和无线射频通信两种接口。
在 Windows CE 系统下采集控制软件的实现，包括地震波形的快速显示、预处理、质量控制等关键技术点的处理方式。实际野外测试显示其性能完全满足地震勘探需求，尤其是其高度集成化的设计及简便的操作界面大大提高了施工效率。（具体内容请自行搜索文末的引用文献）
4，基于 STM32 芯片的地震仪[5]
该地震仪实现了单站单通道无缆存储式地震仪的硬件平台：包括电源、网络芯片、STM32、SD 卡、GPS 模块、状态灯、调试串口、JTAG 接口、信号预处理单元和 AD 十部分。
实物图
硬件部分：以 STM32 为核心搭建的最小系统作为系统的主控单元；利用模拟开关 ADG201、RC 滤波网络和全差分放大器 THS4521 组成信号预处理电路，负责信号切换，系统滤波和信号调理；以 ADS1281 为核心设计信号采集电路，可以完成高精度、高保真、采样率可调的数据采集；以四线 SDIO 接口驱动 SD 卡，完成高速的地震数据传送、本地存储；利用 GPS 模块提供 GPS 同步授时服务，解决分布式地震仪的同步采集问题；为了实现网络通信功能，系统中集成了网卡芯片 DP83848 作为物理层芯片。
经过一系列测试，作者也表示此系统是一款满足地震仪性能要求的小型化、低成本地震仪。（具体内容请自行搜索文末的引用文献）
5，DIY 地震仪
此款地震仪是顺德均安职业技术学校师生研发的，看下面图片，你会觉得这是一个古怪的仪器，浑身上下都是电线和铜线缠绕。
仪器顶端安装太空电离反射接收天线，性质等同于卫星天线，接收地电场变化的短波；顶端往下是四匝铜线，“总共 170 公斤电线，里面缠了 24.1 千米长”用以接收地响产生的次声波；仪器中间是钢架，里面吊着一吊坠，专门测试重力的变化；仪器的底部是大量的磁针，专门为检测地磁场波动而设。
设计者表示，4 部分被联通到电脑上，数据直接通过电脑分析。理想状态下，将电线放入地下 180 米处，仪器可检测到方圆 250 至 300 公里的区域，“震级在 2.5 以上才有反应，震级太小，仪器无法检测出。”
该地震仪还测出过一次 4.8 级地震，而且是在震前 13 分钟。
在自然灾害面前，人类往往显得非常渺小，在未来，我们有机会用科技“征服”自然吗？
文献引用：
[1] 陈瑛, 宋俊磊 . 地震仪的发展历史及现状综述[J]. 地球物理学进展, 2013, 28(3):1311-1319.
[2] 孙富津, 张林行, 曹家铭,等 . 基于 SOPC 的 8 通道地震数据采集系统设计[J]. 中国测试, 2016, 42(3):73-76.
[3] 吴海, 江浩 . Cirrus 芯片在矿用地震仪中的应用[J]. 电子科技, 2013, 26(8):96.
[4] 李怀良, 庹先国, 刘勇,等 . ARM 与 Windows CE 平台下小型化地震仪主机设计[J]. 科技通报, 2016, 32(10):121-124.
[5] 赵金龙 . 基于 STM32 的单通道无缆存储式地震仪设计与实现[D]. 吉林大学, 2016.
与非网原创内容，未经许可，不得转载！
往期经典回顾：
六大智能音箱方案，联发科藐视全志 / 瑞芯微 / 高通找回牌面？
智能插座、智能风扇、安防监测全都有，这六大智能家居方案让你拥有更酷的家
电子萤火虫、LED 餐桌、虚拟键盘，这些“把妹”神技还不赶紧来学
下载ECAD模型
