根據地震檢波器的機械規格可以創建等效電氣模型。圖4顯示了使用SM-6 4.5 Hz地震檢波器的機械參數的電氣模型。17

圖4.使用產品數據表中的機械參數得出的SM-6 4.5 Hz地震檢波器的等效電氣模型17
為了擴展帶寬以覆蓋適用于地震檢測的較低頻率,可以使用周期擴展器。低頻響應擴展的三種最常見方法是逆濾波器、正反饋和負反饋。18
逆濾波器
在低于諧振頻率的頻率上,逆濾波器會補償地震檢波器的滾降。通過級聯諧振頻率的反相高通濾波器和截止頻率為所需降低值的低通濾波器,可以構建逆濾波器。圖5顯示了逆濾波器的響應以及應用時得到的轉換函數。此方法有很多缺點,使得總體結果的信噪比(SNR)較低。粉紅噪聲會被逆濾波器放大,而且其低頻熱穩定性很差。

圖5.逆濾波器轉換函數的頻率響應及其對仿真4.5 Hz地震檢波器頻率響應的影響
正反饋
正反饋是將外部電流饋入地震檢波器線圈來實現的,電流會產生一個力作用在懸吊質量塊上。此外部電流信號是通過正反饋濾波器(例如積分濾波器)從地震檢波器的輸出信號中導出的,它會放大低頻懸吊質量塊的運動。在實際情況中,正反饋濾波器的設計很難保持穩定。
負反饋
與正反饋相反,負反饋會減弱內部懸吊質量塊的運動。一種方法是通過降低阻尼電阻來使流過地震檢波器線圈的電流過阻尼。但是,這會受到線圈電阻的物理限制。為將阻尼電阻減小到顯著低于線圈電阻的值,應添加一個負電阻。負電阻可以通過負阻抗轉換器(NIC)等有源器件來實現。這可以通過使用運算放大器(運放)來實現,如圖6所示。可以添加帶通濾波器和高增益濾波器來對頻率響應進行整形并使之穩定。

圖6.使用運算放大器的負阻抗轉換器的基本架構
MEMS加速度計
MEMS加速度計是采用單個IC器件封裝的運動傳感器。典型結構是使用一對電容和一個微小的硅質量塊,中間有金屬板19。非常薄的硅區域將質量塊懸吊在中間。質量塊位置的變化會導致器件電容發生變化,進而轉換為與懸吊質量塊的加速度成比例的電壓信號。MEMS器件需要電源才能工作,某些MEMS加速度計內置數字化儀,可消除不必要的噪聲,而且無需匹配傳感器和記錄器。如圖6所示,MEMS加速度計的頻率響應就像一個截止頻率為諧振頻率的低通濾波器。

圖7.MEMS加速度計(ADXL354)在X軸上的頻率響應20
由于失調漂移,MEMS加速度計在諧振頻率以下的較高頻率時表現更好21。相反,地震檢波器由于其機械結構,在較低頻率(但仍高于諧振頻率)時表現更好。可以實現一個小型低成本的地震儀,以同時利用地震檢波器和MEMS加速度計來獲得更高的器件帶寬。當與適當的傳感器轉換函數進行卷積運算時,地震檢波器和MEMS加速度計的傳感器輸出可以轉換為不同的地動參數。論文“地震檢測:使用實驗室和現場數據比較地震檢波器與加速度計”,基于每種傳感器的常見轉換函數,討論了針對相同地震動位移Ricker子波的地震檢波器和MEMS加速度計傳感器輸出21。