يمكن لمقياس الزلازل الذي يمكنك صنعه بنفسك أن يكتشف الزلازل البعيدة

في سبتمبر من عام 2023، لقد كتبت في هذه الصفحات حول استخدام مقياس الزلازل المستند إلى Raspberry Pi – أ هزة التوت— لتسجيل الزلازل. ولكن مع مرور الوقت، وجدت النتائج مخيبة للآمال. عندما أنظر إلى الماضي، أدرك أن إبداعي كان يكافح من أجل التغلب على عقبة أساسية.

أنا أعيش على الساحل الشرقي للولايات المتحدة المستقر تكتونيًا، وبالتالي فإن الزلازل الوحيدة التي أتمنى اكتشافها هي تلك التي تحدث بعيدًا. ولسوء الحظ، فإن الإشارات الصادرة عن الزلازل البعيدة لها ترددات اهتزازية منخفضة نسبيًا، كما أن مستشعر الجيوفون المدمج في Raspberry Shake مخصص للترددات الأعلى.

كنت قد فكرت في البداية في استخدام أنواع أخرى من أجهزة قياس الزلازل التي يمكن صنعها بنفسك، وقد شعرت بالذهول من حجمها الكبير والصعب. لكن خيبة أملي تجاه Raspberry Shake دفعتني إلى إنشاء مقياس زلازل يمثل حلاً وسطًا جيدًا: إنه ليس كبيرًا جدًا (حوالي 60 سم عرضًا)، وتردد الرنين الخاص به (حوالي 0.2 هرتز) منخفض بما يكفي لجعله أفضل في استشعار الزلازل البعيدة. .

تصميمي الجديد هو مقياس الزلازل ذو البندول الأفقي، والذي يحتوي على بندول يتأرجح أفقيًا – أو تقريبًا، حيث يميل قليلاً فقط. فكر في بوابة سياج بمفصلاتها غير محاذية عموديًا تمامًا. تتمتع بوضعية مستقرة في المنتصف، ولكن عندما يتم دفعها، تكون قوة الاستعادة ضعيفة للغاية، وبالتالي فإن البوابة تحدث اهتزازات بطيئة ذهابًا وإيابًا.

العمود الفقري لجهاز قياس الزلازل الخاص بي هو أ سحب ألومنيوم بطول 60 سم. أو ربما ينبغي أن أسميه العارضة، حيث أن مقياس الزلازل هذا يحتوي أيضًا على ما يمكن أن أصفه بالصاري، وهو قطعة أخرى من الألمنيوم يبلغ طولها حوالي 25 سم، متصلة بنهاية العارضة وتلتصق بشكل مستقيم للأعلى. يوجد أسفل الصاري ومثبت في الجزء السفلي من العارضة قطعة عرضية من الألومنيوم، مما يمنع جهاز قياس الزلازل من الانقلاب.

البندول – دعنا نسميه طفرة، للالتزام بتشبيهاتي البحرية – عبارة عن قضيب يبلغ طوله 60 سم مقطوعًا من مخزون الألومنيوم بمساحة 0.375 بوصة مربعة. في نهاية واحدة، أرفقت وزن الرصاص 2 رطل (واحد مخصص لحزام الغوص)، باستخدام روابط الكابلات البلاستيكية.

للسماح لذراع الرافعة بالتأرجح دون احتكاك لا داعي له، قمت بحفر ثقب في الطرف غير الموزون وإدخاله الطرف المصنوع من الفولاذ الكربيدي لأداة الكتابة. يرتكز هذا الطرف الحاد على نقرة ضحلة في لوحة فولاذية صغيرة مثبتة بمسامير في الصاري. لدعم ذراع الرافعة، استخدمت بعض كابلات ناقل الحركة من دراجة، وتم ربطها عن طريق تمريرها عبر اثنين من الثقوب المحفورة بشكل استراتيجي ثم قفل الأشياء باستخدام الأكمام المعدنية معقوص على أطراف الكابل.

تحديد استجابة مقياس الزلازل للاهتزازات هو دور الوزن النهائي [top left] والمغناطيس المخفف [top right]. يتم استخدام المغناطيس أيضًا مع مستشعر تأثير Hall [middle right] التي يتم قراءتها بواسطة متحكم دقيق [middle left]. يتم تخزين البيانات على لوحة تسجيل مع ساعة في الوقت الحقيقي [bottom]. جيمس بروفوست

لقد قمت بتصنيع عدد قليل من الأجزاء المادية الصغيرة الأخرى، بما في ذلك أقدام التسوية وقوس على شكل حرف U لمنع ذراع الرافعة من التأرجح بعيدًا عن التوازن. لكن التحديات الرئيسية كانت تتلخص في كيفية استشعار حركات الطفرة الناجمة عن الزلزال وكيفية منعها من التذبذب إلى ما لا نهاية.

تستخدم معظم أجهزة قياس الزلازل التي تصنعها بنفسك مغناطيسًا وملفًا لاستشعار الحركة حيث يقوم المغناطيس المتحرك بإحداث تيار في الملف الثابت. يعد هذا اقتراحًا صعبًا في مقياس الزلازل طويل الأمد، لأن الحركة النسبية للمغناطيس بطيئة جدًا بحيث لا يتم تحفيز سوى إشارات كهربائية ضعيفة جدًا في الملف. واحد من تصاميم أكثر تطورا رأيت عبر الإنترنت استدعاءً لـ LVDT (المحول التفاضلي المتغير الخطي)، ولكن يبدو من الصعب الحصول على مثل هذه الأجهزة. بدلاً من ذلك، اعتمدت استراتيجية لم أرها مستخدمة في أي مقياس زلازل محلي آخر: استخدام مقياس المغناطيسية ذو تأثير هول لاستشعار الموقع. كل ما احتاجه هو مغناطيس نيوديميوم صغير متصل بذراع الرافعة و لوحة استشعار غير مكلفة بتأثير Hall وضعه تحته. لقد عملت بشكل رائع.

اعتقدت أن الرحلات الهائلة يجب أن تعكس نوعًا من الخلل الجسيم!

كان التحدي الأخير هو التخميد. وبدون ذلك، فإن البندول، بمجرد إثارةه، سوف يتأرجح لفترة طويلة جدًا. كان الحل الأولي الذي اقترحته هو توصيل ذراع الرافعة بريش من الألومنيوم مغمورة في سائل لزج (أي الزيت). لقد نجح ذلك، لكني تمكنت من رؤية الانسكابات النفطية الفوضوية قادمة.

لذلك سلكت الاتجاه الآخر وقمت ببناء مخمد مغناطيسي، والذي يعمل عن طريق جعل ريشة الألومنيوم تمر عبر مجال مغناطيسي قوي. يؤدي هذا إلى إحداث تيارات دوامية في الريشة تعارض حركتها. إلى العين، يبدو أن المعدن عالق في سائل لزج. التحدي هنا هو خلق مجال مغناطيسي قوي. من أجل ذلك، قمت بجمع كل مغناطيسات النيوديميوم التي كانت بحوزتي، وجمعت معًا إطارًا فولاذيًا على شكل حرف U، وربطت المغناطيس بالإطار، لمحاكاة مغناطيس حدوة الحصان. لقد نجح هذا الأمر بشكل جيد، على الرغم من أن مقياس الزلازل الخاص بي لا يزال ضعيفًا إلى حد ما.

بالمقارنة مع الميكانيكا الصعبة، كانت الإلكترونيات سهلة البناء. لقد استخدمت 9 دولارات أمريكية لوحة تسجيل البيانات تم تصميمه لقبول Arduino Nano ويتضمن شريحة ساعة في الوقت الفعلي ومقبس بطاقة SD. سمح لي هذا بتسجيل الإخراج الرقمي لمستشعر Hall على فترات زمنية مدتها 0.1 ثانية وتخزين البيانات المختومة بالوقت على بطاقة microSD.

سجل مقياس الزلازل المنزلي الخاص بي أثر زلزال وقع على بعد حوالي 1500 كيلومتر، وبدأ حوالي الساعة 17:27 وانتهى عند الساعة 17:37.جيمس بروفوست

جاء الاختبار الجيد الأول في 10 نوفمبر 2024، عندما أ ضرب زلزال بقوة 6.8 درجة قبالة سواحل كوبا. استشارة العالمية مستودع بيانات Raspberry Shake المشتركةأستطيع أن أرى أن الوحدات في فلوريدا وكارولينا الجنوبية التقطت هذا الزلزال بسهولة. لكن المناطق الواقعة في أقصى الشمال، بما في ذلك واحدة قريبة من المكان الذي أعيش فيه في ولاية كارولينا الشمالية، لم تفعل ذلك.

ومع ذلك، لم يواجه مقياس الزلازل ذو البندول الأفقي الخاص بي أي مشكلة في تسجيل الزلزال الذي بلغت قوته 6.8 درجة. في الواقع، عندما نظرت لأول مرة إلى بياناتي، اعتقدت أن الرحلات الهائلة يجب أن تعكس نوعًا من الخلل الجسيم! ولكن المقارنة مع أثر مقياس الزلازل من الدرجة البحثية كشف مكان قريب أن الأمواج وصلت إلى مرآبي في نفس الوقت. يمكنني حتى أن أميز زلزالًا بقوة 5.9 قبل حوالي ساعة من وقوع الزلزال الكبير.

مقياس الزلازل الجديد الخاص بي ليس كبيرًا جدًا أو غير مريح، كما هو الحال مع العديد من الأجهزة طويلة المدى. كما أنها ليست صغيرة جدًا، مما يجعلها أقل حساسية للإشارات الزلزالية البعيدة. من وجهة نظري، تصميم Goldilocks هذا صحيح تمامًا.