摘要
地震對密集的商業和住宅區以及所有類型的建筑物構成了重大威脅。隨著這些區域越來越大，建筑物越來越多，地震監測需要實現一個廣泛的傳感器網絡。由于成本高且復雜，傳統儀器不能勝任。使用微機電系統（MEMS）加速度計和堅固耐用的小型地震檢波器，可以開發低成本物聯網（IoT）解決方案。有源元器件和轉換器的最新技術使這些傳感器能夠達到現代儀器標準。ADI公司為地震傳感器網絡應用提供簡單但可靠的儀器設計解決方案。
簡介
隨著世界相互聯系和相互依存的程度越來越高，中型和大型地震可能會造成重大的經濟破壞和損失。發生在任何脆弱城市中心地區的大地震，都會對中心地區的國民經濟及其企業提供服務和全球參與的能力產生連鎖反應1。應認識到地震風險是一個全球性問題，提高地震監測能力以減輕這種風險是至關重要的責任。
改進地震監測的一個關鍵因素是地震傳感器網絡的實現，這需要廣泛部署地震儀器并將其互連2。然而，安裝大量傳統地震儀器的成本和復雜性均很高3 。集成物聯網技術可提供低成本解決方案，同時維持標準地震數據質量4。本文討論地震和地動傳感器的物理原理、遵循的現代儀器標準以及它們提取的特征。此外，針對不同地震傳感器網絡應用，我們開發了一個采用ADI解決方案的系統設計。
地震
地震是由構造板塊的運動和碰撞引發的事件。碰撞產生的能量以地震波的形式在地球內部表面周圍傳播。這些波有多個方向，分為體波和面波。
體波有兩種類型：縱波（P波）和橫波（S波）。P波以一系列壓縮波和稀疏波的形式沿傳播方向行進。由于其傳播的性質，P波呈球面發散。雖然其波能衰減在所有類型的波中是最大的，但其速度最快，介于 5 km／s 至 8 km／s 之間。快速能量衰減也使其成為破壞性最小的一類波。P波不僅可以通過表面傳播，還可以通過水或流體傳播。
S波也稱為剪切波，緊隨P波之后到達。其沿地球表面傳播的速度約為P波的60％至70％。此類波垂直于傳播方向和地球表面行進。S波的能量衰減較少，比P波更具破壞性。P波和S波統稱為體波。
圖1．地震波的類型：（a） 縱波；（b） 橫波；（c） 勒夫波；（d） 瑞利波5
面波比體波慢10％，但破壞力最大。值得注意的是，地震波的傳播速度與其經過的土壤類型有很大關系6。面波由瑞利波和勒夫波組成。瑞利波是一種以紋波形式在地表附近傳播的面波，它會引起順行（沿傳播方向）或逆行（與傳播方向相反）旋轉。由于其運動性質，它也被稱為地滾波。勒夫波的行進方向與傳播方向正交，但與地球表面平行。圖1顯示了不同類型的波及其對地球本體的影響。
震級、強度和頻譜強度
地震震級和地震強度常常被相互混淆。二者有一定的相關性，但卻是兩個不同地震參數的量度。
地震強度
地震強度（簡稱強度）在很大程度上取決于測量位置的特性。它描述地震對特定區域的影響，在世界范圍內普遍使用，是一種量化振動方式和破壞程度的傳統方法。因此，地震強度沒有一個真實的值。地震強度值遵循修正的Mercalli強度量表（1至12）或Rossi－Forel量表（1至10）。不過，修正的Mercalli強度（MMI）現已成為世界的主導標準。表1列出了美國地質調查局（USGS）提供的修正Mercalli量表中的強度值及其相應的影響描述。
表1．簡易版修正Mercalli強度量表
MMI | 影響描述 |
I | 基本無感，只有極少數人在特別有利的條件下才會感覺到。 |
II | 只有少數人休息時會感覺到，尤其是在建筑物的較高樓層。 |
III | 室內的人，尤其是建筑物較高樓層中的人們，感覺相當明顯。許多人不會意識到這是地震。靜止的汽車可能會輕微搖晃。振動類似于卡車通過引起的振動。持續時間預計很短。 |
IV | 若在白天，室內會有很多人感覺到，室外感覺到的人較少。若在晚上，會有人驚醒。盤子、窗、門會受到擾動；墻壁發出撕裂聲。感覺像重型卡車撞擊建筑物。靜止的汽車搖晃明顯。 |
V | 幾乎每個人都感覺到；許多人被驚醒。一些盤子、窗戶破裂。不穩定的物體被掀翻。擺鐘可能會停止。 |
VI | 所有人都感覺到，許多人感到驚恐。一些重型家具發生移動；會有一些石膏掉落。損壞輕微。 |
VII | 設計和建造良好的建筑物中的損壞可忽略不計；精心建造的普通建筑物受到輕微至中等的損壞；建造不良或設計不良的結構受到相當大的損壞；一些煙道斷裂。 |
VIII | 特別設計的結構受到輕微損壞；普通的堅固建筑物受到相當大的損壞，部分坍塌。建造不良的建筑物受到重大破壞。煙道、工廠煙囪、圓柱、紀念碑和墻壁倒塌。重型家具被掀翻。 |
IX | 特別設計的結構受到相當大的損壞；精心設計的框架結構發生傾斜。堅固建筑物損壞嚴重，部分坍塌。建筑物偏離地基。 |
X | 一些精心建造的木質結構被損毀；大多數磚石和框架結構連同基礎被損毀。鐵軌扭曲。 |
XI | 幾乎沒有（磚石）結構保留下來。橋梁被毀。鐵軌扭曲嚴重。 |
XII | 全面破壞。視線和水平線變形。物體被拋到空中。 |