Transcript 捕震網創意動動腦

第三屆數位化科學實驗研討會
自然領域數位化科學實驗演示教學
地震的數位量測
捕震網創意動動腦
日期： 103年11月29日(星期六)
地點：東吳大學第一教研大樓源流講堂
蕭先雄________________________
地震的數位量測
捕震網 Quake-Catcher Network(QCN)
捕震網(QCN, Quake Catcher Network)是一
個「志工型」的地震觀測網，由美國的史丹佛大
學 (Stanford University) 以 及 加 州 大 學 溪 邊 分 校
(U.C. Riverside)兩位年輕學者共同發起，希望藉
由日漸普及的筆電內建加速度計和簡易且低價的
Elisabeth S.
Cochran
Jesse F. Lawren
ce
小型USB微機電(MEMS)強震
儀，搭配連上網路的電腦，建
立一個世界最大、造價卻很便
宜的強震觀測網。除了研究和
教育用途之外，也可用於即時
警報和地震減災上。
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地震的數位量測
「台灣地震科學雲端學習平台」
 中央研究院物理所網格計算團隊及地球科學所參與美國的
QCN計劃, 在國內合作共同建置.
http://qcn.twgrid.org
 規劃成立「校園捕震網」(Quake Catcher Network, QCN)
http://qcntw.earth.sinica.edu.tw
• 在校園安裝小型微機電地震儀作為研究用途，
• 可提供地震科學教育平台，可以即時親身體驗該校地表振動
的情形，啟發學生的探究的本能
• 利用捕震網結合志工及學校參與地震監測，透過課程設計與
雲端科技將防災教育生活化、平民化。
地震的數位量測
Palert即時地震震度
Wu et al., 2013
Liang et al., 2013
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地震的數位量測
捕震網 Quake-Catcher Network
http://qcn.twgrid.org
｢捕震網｣仰賴網路
志工的協助，透過
開放式網路計算平
台的調配，將各地
的地表振動訊息送
達台灣｢捕震網｣雲
端系統，這些資訊
可與所有志工分享。
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地震的數位量測
台灣捕震網線上波形互動系統
QcnLive
P
S
PGA
地震的數位量測
捕震網創意動動腦
 利用加速度計測得地震的強度
 加速度計：
問題 1: 是什麼? 加速度是什麼?
加速度的單位是 長度除以時間的平方,
例如: 公尺/秒/秒(m/s2)(m/s/s),
公分/秒/秒(cm/s2)(m/s/s),
或 g(=9.8m/s/s/)
問題 2: 與地震強度的關係
http://www.iris.edu/hq/resource/seismac_activity_2
地震的數位量測
先回答問題2： 與地震強度
的關係.
3-Axis Accelerometer(3D-BTA)
accuracy +- 0.5m/s^2(0.05g)
resolution : 12-bit 0.037m/s^2
加速度, 強度,與震源相隔距離的關係
地震的數位量測
問題1：
電容性微機電線性加速度計的結構(MEMS)
http://www.doc88.com/p-671609173303.html
地震的數位量測
結構與原理 I
類似彈簧的彈性結構(成指叉狀或梳子狀)
地震的數位量測
結構與原理 II
a=
m
----x
k
地震的數位量測
結構與原理 III
• 兩個電容,c1, cc,為一組, 共有三個
電極板, 分接+V0, -V0與基板.
• 基板輸出電壓, 也是彈簧與慣性體的合體,
會隨加速度而有位移
• +V0, -V0 電極板為固定, 不會位移.
• ADXL05一共有46個電容組, 而d~1.3μm
• 全部電容分成兩大組(+V0, -V0)互相並聯,
• 圖中的x1 = d – x, x2 = d + x ; x是加速度所
造成的位移 .
地震的數位量測
結構與原理 IV
C2 - C1 x
Vx = V0
= V0
C2 + C1 d
地震的數位量測
方向垂直的三個加速度計組合成最
後的測震儀: ax , ay , az
 力產生加速度計x, y, z方向的位移
地震的數位量測
 但是此力有兩種:
重力(重量)：
在地球表面是垂直地面(z)的方向.
用力之一
萬有引力, 與加速度無關. 屬於自然界的4種基本作
慣性力： 與加速度有關.
 由結構來看, 實際上微機電測震儀或”加速度計”測到的是以上兩種力的
和.
 地震造成測量儀器的運動狀態改變,
位置
速度
加速度(測)
 因此要扣掉重力對加速度計的影響, 才是我們要的結果.
地震的數位量測
 如何扣掉重力(重量)?
 在地球上,重力(重量)與質量成正比: 重量= 質量x重力加
速度值, w = mg, 在地球表面g是一定值 9.8m/s/s.
 因此將加速度計得到的結果扣掉此值就是來自地震的效
應, 由對應表就能得地震強度.
地震的數位量測
NASA U.S.A. 微重力計劃
C-98拋物線飛行軌跡
地震的數位量測
每次進行拋體飛行可以提供的重力環境與時間:
負g(-0.1地表g): 15秒
零g: 25秒
月球g(1/6 地表g): 40秒
火星g(1/3 地表g) : 30 秒
地震的數位量測
地震的數位量測
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開始
地震的數位量測
動動腦第一項
超小電腦--- Raspberry Pi
 Raspberry Pi是一款700MHz/512MB ，功能完整、大小如
信用卡的電腦。
 相合的作業系統是 Debian/Linux，5V/1A電源輸入、兩個
USB埠、HDMI/Video/顯示輸出、一個音源輸出、一個SD
卡插口、一個網路埠、26pin的GPIO，價格35美金。
 時代週刊選取2012年每種十大， Raspberry Pi獲選為其
一。
 Raspberry Pi的發明人Eben Upton，獲得MIT 的TR35獎。
蕭先雄
2013/1/14
地震的數位量測
8台Raspberry Pi架成8個台灣捕震網的監測站
候風地動儀(1912)
地震的數位量測
小電腦--- 便宜 功能完整
 QCN raspberrypi的狀態監控，用了ganglia這個軟體來監控並
統計資料。
 它還可用web server看即時的狀態，可以連到這網頁：
http://140.109.98.198/ganglia/
 當跳板的raspberrypi IP是140.109.98.145
 用ssh登入後，然後利用ssh [email protected] -p 2001
 再連線到另外七台在實驗室的機器，此處2001為編號一號機
器，另外六台依序為2002到2007。
再動動腦
兩個實做項目
地震的數位量測
 利用qcn-感測器+QcnLive或小電腦量測擺動的鐵尺
上某一點的加速度(ax, ay, az )：
ay
ax
電腦模擬(請在網站觀看:
https://vimeo.com/113133473)
 遙控車= 2台Raspberry Pi + qcn感測器 +
webcam+2個電動馬達 + 2個NPN3極體+4 雙向電子
開關
地震的數位量測
實作
地震的數位量測
請在網站觀看:
https://vimeo.com/113078461
raspberry pi 的應用
請在網站觀看:
 相簿:
https://vimeo.com/album/2561303
 遙控車
https://vimeo.com/album/2561303/video/72402578
地震的數位量測