构建地震运动检测器有多种技术。本文介绍的方法会使用一个简单的振动传感器、一个信号放大系统和一个Arduino R4，不过也可以根据需要用其他等效器件替换嵌入式器件。
该设备并不是要取代地质研究所使用的精密专业仪器，也不是说能够对地震现象进行精确测量。它的设计初衷是作为一种实验性和业余性的辅助设备，可用于被动检测局部地震的存在，而无需进行进一步的详细分析。它只是一个振动探测器，应该放置在远离城市的底层封闭场所。
该探测器会告知用户发生了地震，但不会提供地震的距离或强度。它不可能替代专家的工作，而是一种专用于实验和研究的工具。其主要目的是探测4Hz以上高频的当地的地面振动，因此适用于识别附近的地震事件。
地面振动检测仪器的特点是手工制作、部件易获得。如图1所示，它依次由以下元件组成：
组装过程虽然简单，但必须干净、精确。对于传感器线圈，您需要使用一个没有空气隙的变压器，只需使用一个线圈，即包含最多铁线圈的线圈，通常是初级线圈。该线圈将放置在钕磁铁附近。
从图中可以看出，地震检波器的固有频率约为4Hz，最大振动时信号幅度(未放大)为400mVpp。请记住，磁传感器的信号与其频率成正比，因此这种类型的传感器不适用于检测远距离地震，而仅适用于当地的现象。
特别值得一提的是弹簧，它可以在家里制作，但必须在弹性和硬度之间取得适当的平衡。在这个原型中，使用了一根吉他弦，它缠绕的能量很大，当然也可以在商店购买。在发生振动时，钕磁铁会长时间振荡，为了抑制这些振荡(尾部)，我们使用了一小块顺磁性铝。
图1：振动检测器及其信号波形图和频谱图
为了使检波器的小信号更清晰，建议将其放大为电压信号。在非常小的振动的情况下，信号极低，电路的后续阶段将无法检测到它。为了尽量减少装配和设计操作，我们使用了现成的放大器模块。如图2所示，它是一个模拟信号放大器模块，放大倍数高达100倍，使用LM358集成电路。它配备了一个用于电源指示的LED，可以使用多圈微调器调整放大倍数。
电源电压在5VDC和12VDC之间，非常适合我们的项目。模块的尺寸极小，约为33x14mm。得益于其多功能性，该模块可广泛应用于所有模拟电路，无论是在音频领域还是在电气测量领域。放大调节微调器为10kOhm。模块的外部连接如下：
图2：现成的放大器模块使用LM358 IC
出于教学和简化的原因，电路图被保持在最简单的程度，读者可以根据需要添加其他组件。如图3所示，从框图和实际电路图中都可以看出，本地地震检测系统由一些基本组件组成：
电源为嵌入式系统和信号放大器提供电压。它可以是电池、直流(DC)电源或其他电源，具体取决于能源需求，并要确保所有组件正常运行而不中断，能保持特定的电压和电流。在这种情况下，电由嵌入式系统提供，而嵌入式系统的电又由个人计算机提供。
上一节已深入讨论了运动传感器，它通过提供非常微弱的信号来监测可能的地面震动，信号放大器的下一级会增加来自运动传感器的微弱信号的幅度，使其强度足以被嵌入式系统处理。保持输入信号的完整性并且不产生失真至关重要。
在我们的案例中，嵌入式系统的代表是Arduino R4，它通过ADC处理从传感器收集的数据，对其进行处理后控制整个系统。它是电路的“大脑”，执行主要的操作，例如处理来自传感器的数据和控制响应。最后，前端将处理后的数据传送给操作员，它可以是一个图形或基于文本的用户界面，通过各种可视界面显示结果。
所有这些组件虽然非常简单，但却共同构成了一个用于监测、处理和交流信息的完整系统。地震检波器项目的嵌入式系统以Arduino R4代表，但经过适当的修改，也可以用其他解决方案代替。
图3：框图和电路图
去耦电容器(或隔直耦合电容)的作用是隔离两个级之间的连续信号，例如传感器和放大器之间的连续信号，防止信号中不需要的成分从一个元件传输到另一个元件。必须根据要管理的频率仔细计算去耦电容器，因为其电容电抗会显著影响传输的信号量。
去耦电容器的作用是阻断来自传感器信号中的直流(DC)分量，允许交流(AC)分量通过，交流(AC)分量代表要放大的有用信号。换句话说，电容器就像一个滤波器，只允许所需频率(AC)信号通过，保护放大器免受直流电压的影响，因为直流电压可能会干扰放大器的工作，或在极端情况下将放大器接地(即损坏放大器或限制其正确放大信号的能力)。项目中使用的是47uF电容器，它可以阻断直流，但同时允许交流分量(要放大的信号)传递到放大器。
如果不使用去耦电容，放大器输入可能会接地，从而导致其无法正常工作。从图4中的图表可以看出，电容电抗(用Xc表示)是电容器对电路中交流电通过造成的一种阻力，与在所有频率下都恒定起作用的纯电阻不同，电容电抗取决于交流电的频率和电容器的电容。它用以下公式计算：
其中：
不过，该值并不重要，用户也可以选择略有不同的值模型，但一定要考虑到其截止和滤波曲线。
图4：项目中使用的47uF电容器的电抗与频率的关系图
要加载到Arduino上的固件已减少到最低限度，它是进一步改进和后续实施的基础。源代码列表如下：
long lettura1;
void setup() {
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
lettura1=0;
for(int i=1;i<=1000;i++) {
lettura1=lettura1+(analogRead(A0));
}
lettura1=lettura1/1000;
Serial.println(lettura1);
}
这个Arduino sketch旨在从输入A0读取模拟信号，并计算1000个读数的平均值。这样，系统每秒可产生约43个采样点，足以描述约4Hz的输入信号。变量“reading1”被声明为长整数(long类型)，用于存储模拟读数的总和，然后计算它们的平均值。
当Arduino开启或重置时，setup()函数会执行一次，并在其中通过Serial.begin(9600)函数初始化串行通信，速度为9600bps，这是将数据从微控制器发送到计算机或其他设备所必需的。loop()函数以无限循环执行，并通过超级采样获取放大传感器的模拟信号。最后，使用Serial.println(reading1)函数将得到的平均值发送到串行监视器。对于那些想要更高分辨率信号的人，可在Arduino R4中使用以下函数对12位ADC进行编程：
analogReadResolution(12);
插入到setup()函数中。这样，根据更有限的10位分辨率，采集的信号的动态范围将介于0到4095之间，而不是0到1023之间。
测试相当简单，不需要任何校准。如果sketch已正确加载并且接线正确，系统应能立即工作。如果发生局部地震冲击，即使人类无法察觉，系统也会检测到地震产生的信号。为Arduino供电后，信号已在处理过程中，设计人员可以采用不同的解决方案对其进行可视化和分析。
图5显示了一些可视化地震检波器产生的电信号的解决方案。该图分别显示了使用“Better Serial Plotter”软件进行的记录，然后是使用定制软件，最后是将信号的文本数据导入电子表格(例如Excel或Calc)。可用于信号处理的选项有很多，还包括有前端的图形变体，如：
图5：地面振动测量的一些示例
然而，最好的方法是生成一个文本LOG文件，并通过各种计算应用程序处理其中包含的数据。本文提出的解决方案非常简单，目的是建立一个实用的功能基础，读者可以在此基础上进一步深入了解和改进。例如，在sketch中，可以实现一个警报系统，当信号超过特定阈值时，就会启动执行器。
本文介绍的设备是检测地面振动的第一步。为了确保更高的测量精度，建议将其安装在远离市区的农村地区，最好安装在底层。应避免将其安装在容易振动的建筑物上层，这样可以减少因当地和人类活动而造成误报的风险。
理想的定位位置是地下室。不过，为了获得更精确的地震测量结果，有必要开发调谐到低频的摆锤，这样既能探测P波和L波，还能计算与震中的距离。此外，可以在软件层面配置当前设备，以便在振动超过预设阈值时发送警报消息。
(原文刊登于EDN姊妹网站Embedded，参考链接：Geophone With Arduino R4，由Ricardo Xie编译。)
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