運用高中物理，你也能做出美國設計的AS-1 地震儀

本文與 威力暘電子 合作，泛科學企劃執行。

想像一下，當你每天啟動汽車時，啟動的不再只是一台車，而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機，後果會有多嚴重？方向盤可能瞬間失靈，安全氣囊無法啟動，整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情，而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天，我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟，汽車的「大腦」—電子控制單元（ECU），是如何從單一功能，暴增至上百個獨立系統？而全球頂尖的工程師們，又為何正傾盡全力，試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化？

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代，當時的汽車工程師們面臨一項重要任務：如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力？「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現，關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間：火星塞的點火時機，也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內，這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一！引擎效率就能提升整整一成！這不僅意味著車子開起來更順暢，還能直接省下一成的油耗。那麼，要如何跨過這道門檻？答案就是：「電腦」的加入！

工程師們引入了「微控制器」（Microcontroller），你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法，在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內，精準計算出最佳的點火角度，並立刻執行。

從此，引擎的性能表現大躍進，油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元（ECU）的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」（Engine Control Unit）。

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功，在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像：「這 ECU 這麼好用，其他地方是不是也能用？」於是，ECU 的應用範圍不再僅限於點火，燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車，甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而，問題來了：這麼多「小電腦」，它們之間該如何有效溝通？

為了解決這個問題，1986 年，德國的博世（Bosch）公司推出了一項劃時代的發明：控制器區域網路（CAN Bus）。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上，就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是，CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如，煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息，絕對能搶先通過，避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題，但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線，並連接各種感測器和致動器。結果就是，一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里，總重量更高達 50 到 60 公斤，等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面，大量的 ECU 與錯綜複雜的線路，也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束，簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障，無疑讓人一個頭兩個大。

汽車電子革命：從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代，汽車電子架構迎來一場大改革，「分區架構（Zonal Architecture）」搭配「中央高效能運算（HPC）」逐漸成為主流。簡單來說，這就像在車內建立「地方政府＋中央政府」的管理系統。

可以想像，整輛車被劃分為幾個大型區域，像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙，就像數個「大都會」。每個區域控制單元（ZCU）就像「市政府」，負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合，並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理，就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台（HPC）擔任，統籌負責更複雜的運算任務，例如先進駕駛輔助系統（ADAS）所需的環境感知、物體辨識，或是車載娛樂系統、導航功能，甚至是未來自動駕駛的決策，通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中， 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子，便精準地切入了這個趨勢，致力於開發整合 ECU 與區域控制器（Domain Controller）功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢，威力暘提供的解決方案，就像是將好幾個「分區管理員」的職責，甚至一部分「超級大腦」的功能，都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力，可同時支援 ADAS 與車載娛樂，還能兼容多種通訊協定，大幅簡化車內網路架構。如此一來，車廠在追求輕量化和高效率的同時，也能顧及穩定性與安全性。

萬無一失的「汽車大腦」：威力暘的四大策略

然而，「做出來」與「做好」之間，還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯？具體來說，威力暘電子憑藉以下四大策略，築起其產品的可靠性與安全性：

1. AUTOSAR ： 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層（RTE）和基礎軟體層（BSW）。就像在玩「樂高積木」，ECU 開發者能靈活組合模組，專注在核心功能開發，從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
   
2. V-Model 開發流程：這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般，左側從上而下逐步執行，右側則由下而上層層檢驗，確保每個階段的安全要求都確實落實。
   
3. 基於模型的設計 MBD（Model-Based Design）： 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具，把整個 ECU 要控制的系統(如煞車)，用數學模型搭建起來，然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前，就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷，，並驗證安全機制是否有效。
   
4. Automotive SPICE (ASPICE) ： ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」，它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性，而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」，也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化，並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作，其能否正常運作，自然被視為最優先項目。為此，威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準：ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統（特別是 ECU）的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」，從概念、設計、測試到生產和報廢，都詳細規範了每個安全要求和驗證方法，唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略，威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準，才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而，ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡，「大腦」變得更集中、更強大後，汽車產業又迎來了新一波革命：「軟體定義汽車」（Software-Defined Vehicle, SDV）。

軟體定義汽車 SDV：你的愛車也能「升級」！

未來的汽車，會越來越像你手中的智慧型手機。過去，車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」，想升級？多半只能換車。但在軟體定義汽車（SDV）時代，汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」，能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA（Over-the-Air）技術，車廠能像推送 App 更新一樣，遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過，這種美好願景也將帶來全新的挑戰：資安風險。當汽車連上網路，就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭，輕則個資外洩，重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV，業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略，確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程，到安全認證，這些努力，讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新，也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力，威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota，以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈，更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴，以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈，並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產，驗證其流程與品質。

毫無疑問，未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷，交由電腦判斷，比交由人類駕駛還要安全的那一天，離我們不遠了。而人類的角色，將從操作者轉為監督者，負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全，人類甘願當一個「最弱兵器」，其實也不錯！

本文由 交通部中央氣象署 委託，泛科學企劃執行。

• 文／陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動，到我們的手機響起國家級警報，大約需要多少時間？

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站；1999 年臺灣爆發了 921 大地震，當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位；2014 年正式對公眾推播強震即時警報；到了 2020 年 4 月，隨著技術不斷革新，當時交通部中央氣象局地震測報中心（以下簡稱為地震中心）僅需 10 秒，就可以發出地震預警訊息！

然而，地震中心並未因此而自滿，而是持續擴建地震觀測網，開發新技術。近年來，地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」，預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元！

連上網路吧！用建設與技術，換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」，該計畫致力於跨部會、跨單位合作，由 11 個執行單位共同策畫，致力於優化我國環境與防災治理，並建置資料開放平台。

看到這裡，或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網（Internet of Things，IoT）有什麼關係，嘿嘿，那可大有關係啦！

當我們將各種實體物品透過網路連結起來，建立彼此與裝置的通訊後，成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中，即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統，並進行運算，實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站，但能夠和地震中心即時連線的，只有其中 500 個，藉由這項計畫，地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量，並優化原有強震監測站的聯網品質。

在地震中心的評估中，可以連線的強震監測站大約可在 113 年時，從原有的 500 個增加至 600 個，並且更新現有監測站的軟體與硬體設備，藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知，倘若地震儀沒有了聯網的功能，我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後，有什麼好處？

除了加強地震儀的聯網功能外，把地震儀「放到地下」，也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下？用日常生活來比喻的話，就像是買屋子時，要選擇鬧中取靜的社區，才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂；看星星時，要選擇光害比較不嚴重的山區，才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

地表有太多、太多的環境雜訊了，因此當地震儀被安裝在地表時，想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波，就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難，無論是電腦或研究人員，都需要花費比較多的時間，才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的？基本上，只要是你想得到的人為震動，對地震儀來說，都有可能是「噪音」！

當地震儀靠近工地或馬路時，一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站，是噪音；大稻埕夏日節放起絢麗的煙火，隨著煙花在天空上一個一個的炸開，也是噪音；台北捷運行經軌道的摩擦與震動，那也是噪音；有好奇的路人經過測站，推了推踢了下測站時，那也是不可忽視的噪音。

因此，井下地震儀（Borehole seismometer）的主要目的，就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」，記錄到更清楚、雜訊更少的地震波！​無論是微震、強震，還是來自遠方的地震，井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動，根據不同測站底下的地質條件，​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外，站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池，讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大，為什麼無法大規模建造測站呢？簡單來說，這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井，然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本，因此，即使井下地震儀的訊號再好，若非有國家建設計畫的支援，也難以大量建置。

人口聚集，震災好嚴重？建立「客製化」的地震預警系統！

臺灣人口主要聚集於西半部，然而此區的震源深度較淺，再加上密集的人口與建築，容易造成相當重大的災害。

許多都會區的建築老舊且密集，當屋齡超過 50 歲時，它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的，若是超過 25 年左右的房屋，也有可能不符合最新的耐震規範，並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀：

在地震界有句名言「地震不會殺人，但建築物會」，因此，若建築物的結構不符合地震規範，地震發生時，在同一面積下越密集的老屋，有可能造成越多的傷亡。

因此，對於發生在都會區的直下型地震，預警時間的要求更高，需求也更迫切。

地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統，目標針對都會區直下型淺層地震，可以在「震後 7 秒內」發布地震警報，將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起，地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組，並開始上線測試，當前正致力於臺南市的模組，未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難，無法主動保護民眾的生命安全，若人民沒有搭配正確的防震防災觀念，即使地震警報再快，也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術，地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道，經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》，讓民眾了解正確的避難行為與應變作為，充分發揮地震警報的效果。

此外，雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒，研發新技術的腳步不會停止；未來，他們將應用 AI 技術，持續強化地震預警系統的效能，降低地震對臺灣人民的威脅程度，保障你我生命財產安全。

本文由 交通部氣象局 委託，泛科學企劃執行。

• 文／陳儀珈

臺灣是全世界地震測站密度最高的地方，然後呢？

臺灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊交界處，古往今來，從 1935 年新竹-臺中地震、1999 年集集大地震到 2016 年的高雄美濃地震，這座島嶼挺過無數次強震的襲擊，更催化出驚人的地震測報實力與研究能量。

自日治時期設置了全臺第一座地震儀至今（2022 年），在 120 多年內，現在的臺灣已經擁有全世界地震測站密度最高的地震觀測網：共超過 700 座測站，平均不到 10 公里就有 1 座，一年平均可偵測到超過 3 萬次的地震！

從預算籌措、技術研發、測站建置、通訊與電力接通、儀器維護到資料處理與信號監控等，每一座地震觀測站的背後，都耗費了無數地球科學家們的心力和血汗，他們辛勤地上山、下海、鑽井、拉線，投入大量的人力、時間和資金，就是為了挖掘更多地球的秘密。

每一分、每一秒，都有可觀的訊號湧入中央氣象局的儀器，然而，人們到底要怎麼做，才可以讓這些得來不易的寶貴資料發揮最大的效益呢？

中央氣象局的做法是——將它們全、數、公、開！把臺灣地震與地球物理的觀測資料，無償開放給全世界下載使用！

2008 年初試啼聲、2020 年脫胎換骨！

自 2005 年起，中央氣象局地震測報中心開始規劃這個整合型地震相關資料的開放平台計畫，並在 2008 年 8 月正式上線，命名為「地球物理資料管理系統（GDMS）」。

可惜的是，當年 GDMS 採取「會員制」，使用者需線上申請，經過審核方可啟用帳號，也限定僅有「國內」的相關學術人員才能成為會員。

此外，隨著上線時間一長，原系統的功能及資料服務已無法滿足所有使用者的需求，例如資料並未使用國際通用格式、更新不夠即時、儀器參數不完整等等問題。

有鑑於此，中央氣象局和中研院地球所攜手合作，建置了全新一代的「臺灣地震與地球物理資料管理系統（GDMS-2020）」，取消原先僅開放國內學術人員下載的限制，轉型為向全世界開放，所有人都能在此下載地震和地球物理的觀測資料。

新版的 GDMS 也針對資料管理進行全面優化，設計了標準化的流程，讓整體資料典藏變得更穩定更即時，資料品質更有保障。新增的詮釋資料（metadata）也讓使用者得以從原始資料（raw data）分析出更真實的物理量。

走向國際化的地震資料中心！

在地球科學界中，美國 IRIS、歐盟 ORFEUS、日本 NIED 是公認的三大資料服務中心，負責提供即時、高品質的地震與地物資料。

無論是資料格式，還是系統管理，臺灣的 GDMS 也向這幾個單位看齊，藉由向全球研究人員開放地震與地球物理資料，不僅能夠促進整體地球科學的發展，也讓臺灣在地球科學界的能見度更高，展現我國在地震領域的研究和技術能量。​

現在，無論你是地球科學的學術人員，或是對地球科學研究有熱情的愛好者，只要進入這個網頁註冊帳號，就能取得即時又完整的地震與地球物理資料。​

完整性、通用性：最全面、最沒有門檻的研究資料

根據中央氣象局的介紹，GDMS 提供的資料大約分為三個類型：地震資料、地球物理資料，以及儀器的詮釋資料，提供連續的觀測紀錄，擁有資料上的「完整性」。

其中，地震資料來自各式各樣的地震儀，例如短週期地震儀、強震儀、寬頻地震儀、井下地震儀所記錄的震動波形，取樣率每秒 100 點；地球物理資料包含全球導航衛星系統（GNSS）所記錄的地表變形、水位計的地下水位、磁力儀的地磁強度，取樣率每秒 1 點；​詮釋資料則記錄了​儀器管理相關的資訊，包含測站位置、營運歷史、維護紀錄、儀器響應（instrument response）等內容，讓研究人員得到地動訊號真實的物理量，在分析資料的過程中扮演關鍵性的意義。

為了讓研究人員下載地震和地物資料更便利，GDMS 參考了其他國際地震中心的做法，從資料查詢、瀏覽與下載的介面，到符合國際標準的資料格式，具備資料上的「通用性」。

觀測資料的格式如下：

• 地震波形資料：miniSEED、SAC 和文件檔格式
• GNSS 資料：RINEX 格式
• 地磁資料：  IAGA2002 格式
• 地下水位： 純文字檔​

詮釋資料的格式為：

• 地震儀：管理上採用 dataless SEED 以及 StationXML 兩種格式，使用上另提供 Poles and Zeros 檔案
• GNSS、水位計和磁力儀：純文字、試算表或資料表等方式儲存，同時相關資訊亦全部轉入資料庫線上管理。​

即時性、國際性：幾乎即時的更新頻率，開放給全球學術界！

​標榜「即時性」的 GDMS ，更新資料的速度到底有多快？

為了讓研究人員在強震後能夠立刻進行分析，所有地震波形資料會持續開放至此時此刻的前 15 分鐘。而地球物理資料每日產製 1 個檔案，也就是說，今天可以拿到最新的資料是前一天的檔案。

規模超過 6 的地震發生後，GDMS 會自動擷取所有對應的地震波形，在一個小時內放在首頁供所有人瀏覽及下載，避免在地震過後湧入過多的索取而影響網站的服務效能。

此外，GDMS 也保存了從 1991 年 1 月 1 日至今的「地震目錄」。

由於地震觀測站收到的原始訊號是不停的連續波形，一般研究人員若要進行地震研究，需要耗費極大的人力和時間成本，土法煉鋼地從波形中挑出地震的波形。

GDMS 所提供的地震目錄，是由地震定位專業的夥伴們，從連續的波形中一一挑選而成，不論是在學術或災害研究上，都是非常珍貴的資料。目前系統中最新的地震目錄可提供到當下的前 1 個月，地震目錄跨越的時間超過 30 年，累積地震數超過 75 萬筆，毫無疑問是地震相關研究的一份瑰寶。

為了讓 GDMS 在國際上更有能見度，日前中央氣象局已正式向國際數位地震觀測網聯盟（International Federation of Digital Seismograph Networks，簡稱 FDSN）申請註冊數位物件識別碼（Digital Object Identifier，簡稱 DOI），進一步強化 GDMS 的服務品質。

未來，GDMS 不會停下進化的腳步，在中央氣象局與中央研究院的合作下，除了測站數量將不斷擴大、進行儀器的汰舊換新，還預計開發一套新儀器維護與參數連動機制，確保觀測資料與詮釋資料的可靠性，並隨時關注和參考使用者的回饋與需求，進行滾動式的修正，持續擴充 GDMS 的功能。

1. ​中央氣象局臺灣地震與地球物理資料管理系統​
2. Thread: Taiwan CWB Seismological and Geophysical Data is officially OPEN from the new GDMS​
3. 地震測報中心蕭乃祺、甘志文、莊雅婷。〈建置國際化的地震資料中心〉。

• 文／林欽仁 (中央研究院地球科學研究所 研究助技師)

地震儀是地震學家了解地震波傳遞過程所仰賴的工具，而地震儀的發明也帶動了地震科學的發展。

為推廣地震科學教育，讓大眾了解地震儀器的原理，美國地震學研究聯合會 (Incorporated Research Institutions for Seismology, IRIS) 提出 AS-1 地震儀的機構設計，並撰寫地震資料軟體 Amaseis，期許大眾透過 DIY 實作了解地震儀器的運作，筆者的工作環境再加上身為 TEC 的一員，認為此地震儀相當符合教育推廣的需求，遂與同仁打造出中央研究院地球科學研究所版本的 AS-1，提供給高中及大學作為地科課程的教材。

質量塊、彈簧，再加點阻尼，於是地震儀就誕生了

首先來談談「如何觀測地震」，如果要測量地震造成的震動，我們需要一個作為相對於地面的參考點觀測，最理想的方式便是從空中來觀測地面的起伏變化。然而實務上此想法不容易達成，於是科學家想到另一個方法：利用質量塊、彈簧與阻尼製作出地震儀，這也是組成地震儀的三要素。

這裡直接以 AS-1 地震儀的結構設計為例，詳述地震儀的運作原理。

地震儀利用彈簧拉起質量塊（也就是圖中的磁鐵），當地面震動的頻率大於彈簧頻率時，透過彈簧所懸吊的磁鐵會近似於靜止不動，這是利用牛頓運動定律中的「慣性」。因此地面的震動，也就是圖中的線圈，便與磁鐵有了相對運動，如此一來線圈的兩端產生了與地面震動速度成正比的電壓，運用的便是法拉第感應電壓原理。

到此為止地震儀已經有了觀測地面震動的能力，但其系統響應[註1]並非理想，因為當地面以低於或接近於彈簧頻率來震動時，懸掛於彈簧上的磁鐵便也跟著地面晃動，在缺乏阻尼（可想像成是如摩擦力的阻力）的作用下，彈簧本身將產生自然振盪，也就是當地震的搖晃減小時，彈簧仍不住的搖晃，而這些非地震本身的運動，仍會反映於磁鐵線圈所產生的電壓變化，其紀錄的振幅甚至大於實際地面的震動訊號，影響了我們對地表震動的觀測。儘管彈簧造成的振動訊號可以透過儀器響應修正的方式來移除，卻也對分析地震資料的人來說造成不必要的困擾，為了克服此問題，地震儀需要加入阻尼的機制[註2]。

有點晃又不能太晃，合適的阻尼如何設計？

AS-1 阻尼系統是由銅片及磁鐵組成，銅是良好的導電材料，但銅本身卻不會被磁鐵直接吸引。因此當銅片進、出磁鐵的磁場時，磁通量的變化會在銅片上產生感應電流，感應電流產生感應磁場，與磁鐵的磁場相互作用下可減緩銅片的運動速度，也就增加了地震儀的阻尼，這便是應用冷次定律來實現阻尼的結構。

地震儀在質量塊（磁鐵）、彈簧及阻尼三個元件的協調作用下，可達成觀測地面震動的工作。其實地震儀的運作原理與我們平常搭乘車子的懸吊系統類似，避震器之彈簧的功能在於避免路面的坑洞產生的不適，而避震器之阻尼在於減緩彈簧的自然振動，避免過多的振動影響汽車的操縱性。

目前的 AS-1 地震儀僅能觀測地面垂直向的運動，水平向的觀測需仰賴不同的懸吊設計，但原理大致接近。此外，由於磁鐵質量塊的擺動為圓周運動，當擺動較大時其擺角將不可視為與地面垂直運動維持線性關係（d=l*sin(θ)≠l*θ; d為磁鐵圓周運動位移軌跡，l為旋轉半徑，θ為擺角），此時地震儀的系統方程式將會略加複雜。

為了解決這些問題，現代化的地震儀使用迴授控制技術[註3]，控制質量塊之位置使其與地面震動無相對位移，此時控制的力量即與地面震動加速度成正比，此方式可以增加地震儀的頻寬，卻不增加其體積(譬如不需更大的質量塊)，又可保持地震動觀測之線性度[註4]，此技術已成為現代地震儀之基石。

最後，筆者希望透過組裝及運用 AS-1 地震儀的經驗，讓更多有興趣的人瞭解地震觀測儀器的原理，進而成立討論社群。期許 AS-1 地震儀的推廣教育，也能對地震的防救災有所貢獻！

備註

• [註1]：簡單來說，系統響應是指地震儀器相對於真實地震情況的感應和記錄的能力，包括地震波的振幅與相位與頻率的關係。
• [註2]：在沒有阻尼的機制下，便無法阻止地震後彈簧和質量塊多餘的晃動，這些紀錄便干擾了地震波紀錄。
• [註3]：迴授控制：相對於 AS-1 地震儀其磁鐵與彈簧懸吊可自由運動我們稱其為開迴路系統 (open-loop system)，另外一種地震儀的設計透過感測器來監控磁鐵與線圈的相對位移，並提供額外電流於線圈，所產生的電磁場可以改變磁鐵的位置，最終目的在於讓磁鐵與線圈無相對位移，稱為閉迴路系統 (close-loop system)，而此控制技術稱為迴授控制。
• [註4]：數學上來說線性關係為輸入與輸出可用一階線性方程式來描述，簡單來說為地震儀觀測之輸入(地動)與輸出(電壓)維持常數倍率之關係。

本文轉載自震識：那些你想知道的震事，原文為《地震儀自己動手作：AS-1地震儀介紹》，也歡迎追蹤粉絲頁震識：那些你想知道的震事了解更多地震事。