日本制硅谐振水压计成功用于观测海平面波动

2023年5月22日

日本防灾科学技术研究所
东京大学地震研究所
横河电机株式会社

 

日本防灾科学技术研究所（NIED）、东京大学地震研究所（ERI）和横河电机株式会社（横河电机）对用于探测早期海啸的新研发的水压计进行了评估。本次评估中使用的水压计配备了一种新型硅谐振压力传感器^*1，安装在房总半岛附近水深3436m的海底。在本次评估过程中，该压力计成功识别了70MPa压力波动，相当于海平面7厘米的变化。虽然因海啸是罕见的事件很难获得海啸的数据，但评估检测到类似海啸的海平面变化，水压计预计将被用于实际海啸的检测。南海海底地震海啸观测网（N-net）将采用此水压计，观测地震引发海啸所引起的海底水压波动，从而实现较准确的海啸探测，以减轻灾害带来的损失。

N-net及新开发的水压计和评估的细节将在2023年5月21日至26日举行的“日本地球行星科学学会2023年大会”上介绍。
 

图1：水压计，配有采用MEMS技术的硅谐振压力传感器。长度261.5毫米（来源：横河电机）

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NIED、ERI和横河电机已经评估了一种配备MEMS^*2硅谐振压力传感器的水压计的有效性，该传感器用作海底压力观测，能够在发生地震的重大震动期间获取准确数据。鉴于地震期间发生的重大地面运动，本次测试旨在确定测量数据的采集是否会受到水压计振动或其姿态变化的影响。经证实，姿态变化对水压计的影响小于传统水压计。此外，在重复应用于70 MPa (相当于7,000m水深)的精密测试中，不高于70MPa的0.005%的重复性^*3被证实性能出色。该水压计采用MEMS技术，因此具有每种产品拥有相同质量的优势。

为了评估水压计在实际海底环境中的性能，在日本千叶县房总半岛附近3,436米的深度进行了总计203天的海底观测。由于海啸是一种罕见的现象，获取海啸观测数据通常很困难。然而，我们在评估工作中观察到， 伴随2022年1月15日汤加火山的爆发，海平面出现了7厘米的波动。进一步的数据分析还证实，水压计能够观察到相当于海平面变化小于1厘米的压力变化。确认的灵敏度表明水压计具有足够的性能来观测实际的海啸。水压计是日本制造的产品，适用于深海作业，具有与其他地方制造的先进仪器相同的灵敏度。

图2:观测地点（千叶县房总半岛附近）
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图3：自由落体弹出式海底设备，配备了用于海底评估的新型水压计
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地震海啸观测网络是减少灾害风险的基础设施的一部分，有助于发展关于灾害风险信息和地震海啸灾害风险研究。NIED负责陆地和海底地震海啸监测（MOWLAS），覆盖日本所有陆地和海域。从2019年开始，NIED一直在开发N-net，一种电缆型海底地震海啸观测系统。N-net将安装在南海海槽的震源区内，该震源区预计会发生地震，但尚未建立观测网络（从高知县近海到日向滩）。N-net是一个网络系统，可以直接探测地震和海啸，并将信息可靠地传输到陆地，从而实现实时观测。这种新型硅共振水压计在该系统中发挥了重要作用。NIED、ERI和横河电机已经进行了多次测试，以确保这种水压计的可靠性，目的是在南海海槽发生大地震时，尽可能地减轻损失。

图4：N-net概览
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NIED、ERI和横河电机将继续努力改进DRR科学和技术，以实现一个能够抵御灾害的社会。

*1 横河电机的硅谐振压力传感器采用基于单晶硅谐振器谐振频率随压力变化的传感方法，具有低功耗、紧凑型、高灵敏度、高稳定性和高耐压性的特点。谐振器使用硅半导体制造技术密封在清洁的真空腔中，防止外来颗粒粘附在谐振器上降低其性能。此外，使用石英晶体谐振器的传感器不会因气体解吸而导致性能变化，并且可以实现稳定的测量。自1991年以来，横河电机一直在其工业差压和压力变送器中使用这种传感方法安装压力传感器。

*2 微机电系统技术

*3 表示在一系列条件下测量精度的特性，包括使用相同的测量程序、操作员、测量系统、操作条件和位置进行重复测量，以及在短时间内对相同或相似的对象进行重复测量。

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