地震仪的原理是什么（了解地震仪——地震仪的原理）

前面我们知道了地震较为复杂而且影响巨大，如何来测量大地的振动呢？大家知道运动是相对的，要测量大地的动，最好要找一个相对大地不动的参考点。这个参考点在地面上是很难找到的。今天的我们可以在卫星上完成，但是在一两百年前，显然没有这样条件。而科学家们巧妙的利用了惯性检测的原理解决了问题。

惯性检测

我们都坐过车，知道对于一个绝对匀速行驶的车，坐在车上的人实际上感到车是静止的，什么时候感到车动了呢？刹车的时候最明显，这就是惯性。所以可以利用人的惯性状态的一个变化来感知车的运动状态的一个改变。

最简单的地震仪

了解了惯性检测原理以后。我们来看一个最简单的地震仪，如上图。要测量一个水平向的运动，我们在屋顶上挂一个单摆就可以实现，想象一下，当大地突然向左运动的时候，这个小球由于来不及运动它就会相对偏向右边，那么它偏向右边幅度的大小和大地向左运动的幅度大小有关，因此通过小球的相对运动，我们就实现了地面运动的一个检测。类似的垂直向我们可以用一个弹簧悬挂一个质量块，也就是图中的黑色小球实现。

为了把地面的运动完整的记录下来，我们需要对装置再做一个改进，如上图。我们在这个小球的末端可以拴上一支笔，然后再设计一个送纸器，让这个纸以垂直于小球运动的方向均匀送纸，地面运动就被完整的记录下来。我们实现了一个最简单的地震仪。现在这个仪器有什么缺点呢？还能在哪些方面改进呢？

我们以垂直向测震仪为例。我们想象当这个小球垂直向运动时，实际上没有办法保证它在水平向不运动，这就会对最后的记录产生了比较大的误差。

改进的地震仪

如上图，科学家们为此进行了改进，在左边增加了一个铰链（HINGE）巧妙的限制住了右边质量块(MASS)在水平方向的运动，可以让它专注于垂向记录。并且增加了两个功能，一个是阻尼部分，一个是信号检测放大和记录部分，为什么要增加这两个功能呢？我们一个一个来看。

阻尼示意图

首先来看阻尼。我们知道给质量块一个初动，在绝对理想的情况下，它的运动规律是一个标准的简谐运动，考虑到空气阻力机械摩擦等因素，这个简谐运动会呈现一个逐渐衰减状。我们来想象一下，当前一刻的地动已经停止了，而小球的运动一直持续着像左图中所示的运动，小球的运动还没有完全停止之前，下一刻突然又来了一个地动，很明显两个时刻地动引起的小球运动会互相混叠在一起。通过增加阻尼快速衰减小球由于前一刻地动引起的运动，就是一个很有效的解决方法。这里要注意的是阻尼选择大小一定要适中，太小了起不到阻尼的作用，太大了系统就会变得很迟钝，上图右下角就给出了欠阻尼（阻尼不够）、过阻尼（阻尼过大）及合适阻尼的一个例子。阻尼还有一个作用我们在后面结合周期还会讲到。

信号放大（灵敏度）

下面我们看一下信号检测放大的问题。我们来想象一下，当大地突然向上运动一个毫米，我们的记录幅度是多少呢？显然也是一个毫米。如果记录笔它能够检测的最高精度是一个毫米。我们对于地面运动的检测最高精度也只能是一个毫米。为了提高这个检测精度，我们必须解决信号放大的问题。对于放大最简单的方式是什么呢？我们都知道亚里士多德的那句名言——“给我一个杠杆，我能撬动地球”。利用杠杆确实可以放大，最初的地震仪也是这样设计的，一级放大不够就用多级放大。机械杠杆由于机械摩擦、放大倍数局限等等问题，后来人们又发展了光杠杆放大，再后来随着电子技术的发展，电子管放大、晶体管放大、逐渐被应用到地震仪中。到现在信号放大已经不是一个问题了。