利用MEMS地震儀提高預警準確度

作者 : Hideyuki Maekoba,Coventor資深應用工程師

由於地震感測器網路分佈較少,地震事件的表徵和監測之間可能發生延遲。為此,基於MEMS的地震感測器能補強傳統的感測器網路,提高地震監測能力...

無論哪是一年,全世界大約都會發生16次大規模的地震,其中15次是7級以及1次是8級或8級以上的地震。因此,地震早期預警(Earthquake Early Warning;EEW)系統的需求量很大。由日本氣象廳(Japanese Meteorological Agency;JMA)管理的國家級EEW系統從2006年開始運行,由1,000個間隔20至25公里的地震台組成龐大的地震監測網路。

2011年發生日本東北9.1級大地震之後,日本氣象廳收集了關於EEW系統的反饋:人們表示逐漸熟悉地震預警系統,也瞭解到該系統的效用;參與者對於實施JMA EEW系統普遍給予正面反饋,即使偶有誤報,出乎意料地,大家的反應也很積極正面。調查對象們都表示熟悉早期預警系統的技術限制,並認為即便是偶而會出現錯誤警報的系統,也比完全沒有任何預警而真的發生地震來得好。

遺憾的是,由於地震感測器網路分佈較少(或有限),地震事件的表徵和監測之間可能發生延遲。解決這一問題的方法之一是使用基於MEMS的地震感測器,以補強傳統的感測器網路。MEMS感測器體積小、價格實惠,適用於局部監測,也可以部署用於提高地震監測能力。

利用MEMS技術和物聯網(IoT),業界已經開發或部署了一些有趣的地震感測器技術,作為早期地震預警系統的一部份。例如,美國加州的MyShake專案使用智慧型手機提供地震警報。而在台灣的三個EEW系統之一——即台灣大學(National Taiwan University;NTU)開發的P-alert系統,採用MEMS感測器更快速地提供現場的地震警告。

Coventor與日本早稻田大學(Waseda University)合作,共同設計了一種sub-1 Hz諧振頻率的MEMS諧振器,可用於密集的地震儀網路。該裝置的低諧振頻率是利用具有超小彈簧常數的電調諧彈簧實現的。為了進行微調,Coventeor提出了一種多步驟電調諧方法(如圖1)。該地震儀結構如圖2(a)所示,MEMS+模擬模型的俯視圖如圖2(b)所示。不過設計中所需的小彈簧常數降低了地震儀的抗衝擊能力和動態範圍。

為了改善地震儀的抗衝擊能力和動態範圍,Coventor並採用一種力平衡方法,將其中的質量位移用反饋力抵消(如圖3)。這種創新設計已經在MEMS+中進行了模擬,而其設計使用高度緊湊的外形,可以準確地監測輸入的加速度(代替地震活動)。

Fig. 1. The basic principle of multi-step electrical tuning. Courtesy of Waseda University, Professor Ikehashi laboratory.

圖1:多步驟電調諧的基本原理。(日本早稻田大學Ikehashi教授實驗室)

Fig. 2. (a) Schematic of seismometer structure; (b) Top view of the MEMS+ model central structure of the seismometer. Courtesy of Waseda University, Professor Ikehashi laboratory.

圖2:(a) 地震儀結構示意圖;(b) MEMS+地震儀模型中心結構俯視圖。(日本早稻田大學Ikehashi教授實驗室)

Fig. 3. Block diagram of the multi-domain simulation. Courtesy of Waseda University, Professor Ikehashi laboratory.

圖3:多區模擬方塊圖。(日本早稻田大學Ikehashi教授實驗室)

本研究的目標在於開發一種靈敏、可靠的MEMS地震儀,可廣泛應用於EEW地震預警系統。這種基於MEMS的地震儀可以提供更準確的地震監測、更少的錯誤警報,從而有助於挽救生命。預期在不久的將來,這種創新的地震儀將部署到先進的地震預警系統中。

本文原刊登於EDN China網站,夏菲編譯

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