张衡地动仪之系统设计中现代原理

张衡地动仪之系统设计中现代原理 张衡设计的候风地动仪已经是近两千年前是事了。古人的思想和今人是有所不同的。但是，是不是古人的认识和理解，特别是在系统设计中会完全不同呢？我们看看张衡传地动仪的设计中究竟有哪些值得我们思考和崇拜的东西！

现代的许多设计原理是来源于古人的思想的。尤其是中国人，性格内敛，好多成果成了洋人的发明。成为今天教材中著名的原理和定律。其实，那只是没有人去总结而已。 在《后汉书丶张衡传》中，有关张衡发明设计的候风地动仪，虽然记载的内容不多，却也透露出张衡传设计地动仪时所具有的高瞻远瞩的思想和对现代原理的精确认识，只是那时并不是如现在这么系统而已。下面农夫就斗胆的梳理一下，随便拍砖。

中有都柱：衡在设计地动仪时，是采用什么办法，检测地震波的什么分量？这么现代的说法，怕要难为死他了。但是，衡不是不知道，衡说，此侯风之法也。不懂，就路过和打酱油去吧。用什么去探测，这个虽然没有说明，但是，当时的技术条件和地动仪系统设计要求是已知的，能够在系统中反复使用而不必干涉的却只有一种。这就像今天尽人皆知的事情，说了叫人笑话。把它放在何处？你要是一方一个，那就随便了。如果只有一个，那就只好放在中间。其实这些话全是废话。关键是后面的都柱。要是从这开始就没有前边的事了。 都柱——这是张衡在设计地动仪系统时，对探测地震波的子系统采取的模块化设计的总称。我们大家都知道，张衡地动仪是极其灵敏的，能够做到动地不觉。农夫的复原设计,实际运动限度为微米级别。这就不能不做好防护和隔离等工作。这么精密的组件，现场随意安装估计很难保证所需的精度。因此，张衡把这个子系统做成一个独立的模块。安装的时候只需注意到“接口”（八道）的要求即可。在都柱之内，衡集成了特殊设计的单摆的摆锤，精密可调的摆长关联，可灵活调整的简单结构以及经过巧妙设计的几何形状的输出接口。最后以柱面进行隔离组装。它直立在中央的时候就展现为“中有都柱”了。这也成了后人理解的障碍。以为就是一个柱子而已，柱子会测地震？家家不是都有嘛。要地动仪干嘛。 都柱只是检测地震子系统模块的外表而已。它要防护内部，隔离不良有害干扰，也肩负结构等许多任务。说它是模块化设计的一点也夸张。

傍行八道---系统性能最大化。八道的设计，是衡充分利用积极因素，使系统性能最大化的体现。如果已经给定了地动仪的整体高度，再除去器壁等必须的厚度，剩下的才是安放都柱的空间。如果都柱内部的单摆的摆长越长，则对地动仪的性能提高越有利。因此尽量提高摆长是最佳办法。但是，这个长度关系到器形的大小和总的建造成本。如果取舍是个实际的问题。张衡在此，不仅把摆长做到最大化，而且在地动仪的底部设计了沟槽，这进一步的增加的实际可用摆长。地动仪需要稳固的安放，重心低则要求较重的底部。如果做成实芯厚底，对高度显然是个浪费。不仅如此，这个办法还有减少用料，提供防护等其它好处。这在整体上也使得系统性能得以提高。

施关发机—系统最优化原理。仅仅使地动仪的灵敏度变大，这远远不是地动仪的全部。如果地动仪不分青红皂白，关门跺脚，咳嗽说话等地动仪也有反应，那得有多少个投诉啊？那就不仅仅是京师学者咸怪其无征了。灵敏是测出地震了，人还未觉。如果不是地震，你一个劲的吐丸为的是哪桩？这就要使地动仪能够区分地震还是非地震的干扰。即使不能做到完全，能做到大部分也可以了。如何去办呢？张衡采用的是施关发机的办法。在设计上充分留有余地，工装时，可以根据要求实际设置，改变已有的参数，使之符合观测要求。如此兼顾两头，使系统达到最优状态。

牙机—触发原理。利用信号直接控制输出，这会有许多缺点。尤其是在人不觉动的微小

信号之下时，要直接驱动“大功率”的输出绝不是一个好办法。在没有能量放大的前提下，采用触发方式无疑是最好的办法。在今天的实际设计上，人们也往往要对信号进行整形，过滤除去杂波等，使之符合要求后再去使用。古代的机械装置，不像今天的晶闸管之类的器件，那时的结构多半是手工制作，一致性和可靠性都得打个折扣。每每增加一道手续，能量浪费不说，误差积累也是个大问题。张衡的牙机设计，只是简单的杠杆搭配就完成了内外传递，能抵抗非推动发机和极小的驱动等许多问题。这实在是个伟大的设计，我一直感叹张衡的设计思路。

巧制—反馈原理。在一个规定动作完成后，关断输出，在今天不算什么新鲜的事。但是在古代就不同了。你不可能钻到地动仪里边去捣鼓。你也不能说是事后诸葛亮。你得及时地在第一时间完成。一次性用品是今人的专利。完了呢？大拆大卸？登高钻洞的再来一遍，比重新做一个还费事。张衡利用的是输出的信号和多余的能量完成关断再输出的。实际上关断了输入的驱动端。

覆盖周密无际—封装原理。现在，我们对封装已经熟视无睹了。那个电视屏幕不封装行吗？手机也来个裸的？据说硅平面器件即使不封装也可以连续工作数百年。但是，那是有前提的。实际上，恶劣的环境，温湿度灰尘等将使其很快损坏。对于像地动仪这样的精密仪器，做好了还有大窟窿小眼子，扫地进灰，洒水飞瀑的，你那个地动仪能工作多少时间？在人不觉动的结构下，微小的接合限度怎么保证其性能？只有封装！张衡地动仪完工之后，在盖好那个盖子以后，没听说过有如何如何打开放球之类的后续工作。

总之，地动仪的设计所具有的原理绝不是古代的。不了解这一点，你很难复原地动仪。