河北遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)FBS－3B地震計(jì)工作周期和阻尼變化的特點(diǎn)及原因分析

劉 新，毛國(guó)良，李小軍，董一兵，張墨思

（1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026；2.河北省地震局，石家莊 050022；3.河北省地震局秦皇島中心臺(tái)，秦皇島 066100）

0 引言

FBS－3B寬帶地震計(jì)使用速度反饋技術(shù)，標(biāo)稱(chēng)工作周期為20s，標(biāo)稱(chēng)阻尼為0.707。地震計(jì)作為機(jī)電一體化的產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，器件會(huì)發(fā)生不同程度的老化，工作環(huán)境也會(huì)受到外界的影響，工作周期和阻尼等各項(xiàng)參數(shù)會(huì)發(fā)生不同程度的偏移變化，并且會(huì)呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，這種偏移變化會(huì)對(duì)地震計(jì)的輸出精度和幅頻特性等造成一定影響。

1 工作周期和阻尼的測(cè)定原理

1.1 地震計(jì)阻尼常數(shù)的測(cè)定［1］

地震計(jì)阻尼常數(shù)的測(cè)量方法是利用地震計(jì)的階躍響應(yīng)記錄（脈沖標(biāo)定波形），采用測(cè)量脈沖標(biāo)定波形的幅度來(lái)計(jì)算地震計(jì)阻尼。

由擺的自由衰減過(guò)程可以知道，擺自由衰減振動(dòng)的幅度y和系統(tǒng)的阻尼Ds的關(guān)系，可以用半個(gè)周期（即T1／2時(shí)間）中2個(gè)相鄰的振幅比ν來(lái)表示：

式（1）中：yk是自由衰減振動(dòng)第k個(gè)峰值幅度，yk＋1是第k＋1個(gè)峰值幅度。為了便于計(jì)算，做如下的變換：

圖1 階躍標(biāo)定響應(yīng)曲線圖

從（2）式得出：

用以10為底的對(duì)數(shù)計(jì)算，引入

于是得出地震計(jì)系統(tǒng)的阻尼：

從圖1中脈沖標(biāo)定波形可以看出，隨著阻尼的變大，y2值變小。在數(shù)字地震記錄波形上可以比較準(zhǔn)確地測(cè)量y1和y2值，并計(jì)算出阻尼值Ds。

1.2 地震計(jì)周期的測(cè)定

地震計(jì)周期分為工作周期和固有周期（自振周期），工作周期的測(cè)定可以采取直接測(cè)量T1／2的周期，如圖1所示。從擺的運(yùn)動(dòng)方程可以知道衰減振動(dòng)的阻尼Ds＜1，衰減運(yùn)動(dòng)的周期是：

式中：Ts＝2π／ω是擺的固有周期（自振周期）［1］。從（6）式可以看出，有阻尼衰減運(yùn)動(dòng)的周期T1比擺的固有周期Ts（自振周期）大，即在0＜Ds＜1時(shí)，T1＞Ts。只有當(dāng)Ds＝0時(shí)，擺的自由振動(dòng)才是沒(méi)有衰減的，即T1＝Ts。在實(shí)際工作中地震計(jì)的有阻尼周期T1／2可以測(cè)量，然后用以上公式計(jì)算出地震計(jì)的固有周期Ts。

1.3 變化率的計(jì)算

2 工作周期和阻尼的年度變化與分析

2.1 標(biāo)定數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)

選取 從2010年1月—2011年12月 近2年 的標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得出地震臺(tái)站地震計(jì)的工作周期和阻尼變化情況并做出年度曲線圖。經(jīng)分析比較，承德臺(tái)工作穩(wěn)定，變化最小，作為正常臺(tái)站和其他臺(tái)站進(jìn)行對(duì)比和參考；崗南、行唐和元氏3個(gè)臺(tái)站工作周期和阻尼年度變化最大，規(guī)律特征比較明顯。臺(tái)站具體情況如表1，工作周期和阻尼年度變化如表2～3和圖2～7。

表1 臺(tái)站概況

表2 承德臺(tái)工作周期和阻尼偏差

圖2 承德阻尼與周期變化率

表3 崗南、行唐和元氏臺(tái)工作周期和阻尼偏差

2.2 工作周期和阻尼變化的特點(diǎn)

由表2和圖2可知，承德臺(tái)的工作周期和阻尼最大偏移不超5%，工作穩(wěn)定；由表3和圖3～5可知：崗南、行唐和元氏3個(gè)臺(tái)站工作周期和阻尼偏移變化非常大，并且不是單方向漂移，而是呈現(xiàn)季節(jié)性往復(fù)變化，尤其是在春夏和秋冬冷熱交替變化的季節(jié)，工作周期和阻尼變化最為劇烈，三個(gè)分向中垂直向工作周期和阻尼變化最大，最大達(dá)到20%以上，兩個(gè)水平向相對(duì)比較穩(wěn)定，地震計(jì)三分向工作周期和阻尼變化規(guī)律呈現(xiàn)出一定的相似性，工作周期和阻尼變化的趨勢(shì)方向基本相同。

圖3 崗南阻尼與周期變化率

圖4 行唐阻尼與周期變化率

圖5 元氏阻尼與周期變化率

2.3 工作周期和阻尼變化的原因分析

河北臺(tái)網(wǎng)用FBS－3B 地震計(jì)的臺(tái)站多位于山區(qū)，臺(tái)基為地表基巖，地震計(jì)安裝時(shí)未做保溫措施，臺(tái)站房屋保溫條件較差，外界氣候的變化對(duì)地震計(jì)的影響較大，從統(tǒng)計(jì)數(shù)字和圖中可以得到驗(yàn)證，溫差變化較大的月份（7月、11月），沒(méi)有保溫措施的臺(tái)站工作周期和阻尼會(huì)上下突跳，實(shí)際檢修過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)擺錘明顯偏移；由于承德臺(tái)位于受外界影響較小的山洞中，地震計(jì)工作周期和阻尼偏差小，工作相對(duì)穩(wěn)定。

地震計(jì)阻尼包括2個(gè)部分：由于機(jī)械構(gòu)造和傳感器運(yùn)動(dòng)的空氣摩擦造成的機(jī)械阻尼D1，（也稱(chēng)為開(kāi)路阻尼）和由于反饋網(wǎng)絡(luò)中阻尼線圈的電流造成的阻尼D2，總阻尼D＝D1＋D2。地震計(jì)的關(guān)鍵電容電阻的精度至少應(yīng)達(dá)到0.5%，所以由關(guān)鍵元器件引起的工作周期和阻尼偏差也應(yīng)該在這個(gè)水平，故電子線路的影響概率是較小的，即D2 的影響是很小的且是單方向漂移的，但如果出現(xiàn)關(guān)鍵元器件損壞（尤其是反饋網(wǎng)絡(luò)的溫度補(bǔ)償電路）就會(huì)造成工作周期和阻尼的較大偏差［2－4］。機(jī)械阻尼一般不應(yīng)該改變，其值的范圍通常是很低的，由擺體的具體結(jié)構(gòu)決定，但在地震計(jì)的生產(chǎn)裝配過(guò)程中存在工藝問(wèn)題和地震計(jì)的彈性簧片溫度系數(shù)等技術(shù)參數(shù)不過(guò)關(guān)因素，會(huì)造成機(jī)械阻尼容易受外界環(huán)境的影響，即D1變化率較大，呈現(xiàn)出雙向漂移，機(jī)械阻尼的變化是造成工作周期和阻尼偏移的主要原因。垂直向偏移變化大于水平向的原因主要是擺體結(jié)構(gòu)造成的，垂直向所用簧片受溫度影響較大，水平向沒(méi)有此簧片。

3 工作周期和阻尼的變化對(duì)幅頻特性的影響

FBS－3B地震計(jì)工作周期和阻尼的偏差必然會(huì)對(duì)地震計(jì)的幅頻特性產(chǎn)生一定影響，圖6～7是工作周期和阻尼最大偏差與標(biāo)稱(chēng)值下的幅頻特性的對(duì)比示意圖。當(dāng)工作周期和阻尼變化較大時(shí)，地震計(jì)的頻帶監(jiān)測(cè)范圍會(huì)發(fā)生偏移，在低頻段區(qū)域的偏移變化最大，而這個(gè)頻段是面波發(fā)育階段，這將對(duì)面波等長(zhǎng)周期地震波觀測(cè)精度帶來(lái)一定影響，造成地震觀測(cè)資料的不穩(wěn)定。

圖6 周期偏差的幅頻特性響應(yīng)曲線圖

圖7 工作阻尼偏差的幅頻特性響應(yīng)曲線圖

4 認(rèn)識(shí)與討論

地震觀測(cè)最基本的功能是獲得寬頻帶、大動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)字地震記錄，并運(yùn)用這些記錄測(cè)出不同震源模型下的各種運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)，為地震學(xué)研究和地震預(yù)報(bào)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)［5］。地震計(jì)是地震觀測(cè)中最重要的設(shè)備之一，其工作性能直接影響地震基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，河北一些臺(tái)站FBS－3B地震計(jì)的工作周期和阻尼與標(biāo)稱(chēng)值之間存在一定波動(dòng)偏差，這個(gè)偏差的大小受多種因素的影響，尤其受溫度的影響較大。減小偏差是需要解決的問(wèn)題，可以從地震計(jì)制作工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、地震計(jì)外部工作環(huán)境（保溫）等多個(gè)方面提高地震計(jì)的工作穩(wěn)定性，甚至更新設(shè)備來(lái)提高地震臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

［1］ 北京港震機(jī)電技術(shù)有限公司.數(shù)字地震儀參數(shù)測(cè)定軟件使用說(shuō)明書(shū).

［2］ 楊曉源，王翠芳，戴世貴，等.地震觀測(cè)傳遞函數(shù)的精度問(wèn)題.地震地磁觀測(cè)與研究，2010，31（6）：32－39.

［3］ 中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司.數(shù)字地震觀測(cè)技術(shù)［M］.北京：地震出版社，2003：1－2.

［4］ 潘振生，陳向東.阿克蘇中心地震臺(tái)數(shù)字地震觀測(cè)系統(tǒng)常見(jiàn)故障及處理方法［J］.華北地震科學(xué)，2011，29（3）：61－64.

［5］ 李小軍，李慶武，李冬圣，等.UPS設(shè)備對(duì)測(cè)震臺(tái)站信號(hào)影響的分析［J］.華北地震科學(xué)，2012，30（3）：19－21.