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title: "地震仪怎样从机壳里的运动读出地面"
description: "质量块并非总是静止。沿着弹簧、线圈和力反馈，看清地震仪记录什么，以及恢复地面运动为何需要频带。"
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last_modified: "2026-10-28"
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[物理仪器怎样测量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/)

走进仪器

# 地震仪怎样从机壳里的运动读出地面

地震仪先量机壳里的相对运动，再借助标定把它换成地面运动。机壳随地面摇，弹簧上的质量块靠惯性落后；但地面摇得足够慢，质量块也会被弹簧带着走。同一台仪器，对快摇和慢摇会留下很不一样的信号。

Sandbox Physics · 2026-10-28

## 慢摇时，弹簧会把质量块带走

把一个装有弹簧和质量块的盒子放在桌上，再沿水平方向来回推。盒子刚开始加速时，质量块来不及跟上，弹簧被拉长或压短。盒内出现的这一点间隙变化，给了我们测量的机会。惯性说的就是物体抵抗运动状态改变的性质。

如果每次推拉都很慢，弹簧有足够时间把质量块带到新的位置。盒子和质量块几乎一起动，间隙反而变化很小。把质量块想成永远钉在空间里的固定点，会漏掉这部分运动。仪器需要比较的是它与盒子之间的距离。

$$
q=x-y
$$

式中三个量从左到右，依次是相对位移、质量块位移与基座位移。后两者相对同一个外部参考测量，向右取正；电学拾取器从相对运动产生信号。

来源：[1]

## 摇动的快慢进入了仪器响应

弹簧和质量块本来就有一种偏爱的摆动快慢。不计阻尼时，弹簧和质量决定的摆动频率叫固有频率。阻尼器会让自由摆动的幅度逐渐减小，也会改变它的频率；地面摇动接近仪器容易响应的节奏时，阻尼还会抑制共振放大。

一个教学例子能看出差别：把固有频率设为每秒一次，基座振幅保持零点八毫米。阻尼比用来表示阻尼强弱，这里取零点七。每四秒摇一次时，相对位移振幅只有约零点零五毫米；每秒摇四次时，相对位移约为零点八毫米。输入振幅没有改变，盒内的信号却相差十几倍。

以磁体固定在机壳、线圈跟着质量块的一种布置为例：两者相对运动时，线圈产生感应电压。它对相对速度敏感：线圈相对机壳到达转向点时暂时停下，电压也经过零；相对运动经过中间位置时速度较大，电压更大。把这种电压直接标成地面位移，就把弹簧的响应和线圈的转换都跳过去了。厂家给出的灵敏度因此带有速度单位。

来源：[1] [3]

## 用力把质量块压在中心附近

还可以换一种测法。先用位移拾取器看质量块偏离了机壳中的平衡位置多少，再让另一只线圈施力，把它拉回这个位置附近。控制电路不断重复这件事，这就是力反馈。质量块的间隙变小了，维持这个小间隙所需的力却留下另一种读数。

在环路有效且没有超出施力范围时，质量块几乎跟随机壳加速。执行器实际施力除以质量，就近似给出地面加速度。仪器也可以在电路中继续变换这个信号，提供速度输出。输出插口的名称和标定，决定该怎样理解那条曲线。

真实电路总要花时间检测和施力。提高反馈增益也需要处理延迟，否则拉回中心的动作可能变成新的振荡。Güralp 的仪器说明书把位置检测、反馈补偿和不同输出分别画出；理解这些环节，才能明白很小的内部位移为何仍能对应清楚的地面信号。

来源：[2]

## 标定以后，仍要选一个能恢复的频带

标定就是给仪器一个已知的运动或作用，看电压的振幅，以及峰值比参考运动提前或落后多少。对不同快慢分别测过，便得到仪器响应：每一种地面摆动怎样变成电信号。要把电压换算成地面位移，就按这些幅值和时序关系把转换倒回去，再限定能恢复的频带。

补偿也会放大噪声。如果某种很慢的地面摆动只能产生极小电压，把它放大几百倍，原来混在电压里的微小杂声也会一起变大。实际恢复因此选择有用的频带，逐渐压低边缘，并限制弱响应处的放大。最后的曲线应连同这个频带一起读；它给出的是仪器在这些快慢范围内能够辨认的地面运动。

来源：[2] [3]

## [比较质量块跟随与落后](https://sandboxphysics.com/zh/labs/inertial-seismometer/)

先慢摇再快摇，切换线圈与反馈力读出，再比较保存的恢复曲线。

单轴线性振子与有限带宽施力环路共用同一组动力学状态，保存电信号后按独立标定做带限恢复。

## 来源与延伸阅读

1. [USGS · Seismometers, seismographs, seismograms — how do they work?](https://www.usgs.gov/faqs/seismometers-seismographs-seismograms-whats-difference-how-do-they-work)

   解释固定在地面的机壳、悬挂质量块、惯性，以及产生记录的相对运动。

2. [Güralp 3T Operator’s Guide · MAN-030-0001 Issue V · February 2026](https://www.guralp.com/documents/MAN-030-0001.pdf)

   第24–27页说明响应标定与传递函数；第45–47页解释电容位移检测、力反馈、有限环路补偿及速度与加速度输出。

3. [Sercel · Geophones Specifications 01/26](https://www.sercel.com/sites/default/files/2026-01/geophones_specifications_sercel_en.pdf)

   第1–4页用伏每米每秒给出动圈灵敏度，并区分开路与并联负载下的灵敏度和阻尼。

[游标怎样读出毫米的零头](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/length-metrology/) [空气也会托住天平上的物体](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/precision-balance/) [Cavendish 怎样量出两个球的引力](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/cavendish-balance/) [液柱究竟在量哪一边的压强](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/manometer/) [杯子也在吸热，怎样量出样品的比热](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/calorimeter/) [转得更费劲，液体就更黏吗？](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/rotational-rheometer/) [管口外的空气怎样改变共振](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/resonance-tube/) [电表接上以后，电压为什么变了？](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/electrical-meters/) [检流计归零时，电阻怎样显出读数](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/resistance-bridges/) [电容为什么也会像电感](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/lcr-impedance/) [示波器上的慢波是怎样冒出来的](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/digital-oscilloscope/) [锁相放大器怎样找出埋在噪声里的信号](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/lock-in-amplifier/) [频谱里的小峰会从哪里来](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/spectrum-analyzer/) [网络分析仪怎样把电缆和器件分开](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/vector-network-analyzer/)