用標(biāo)定方法檢測地震計(jì)的異常狀態(tài)

張 明，俞鐵宏，劉洋君，李 俊

(浙江省地震局，浙江 杭州 310013)

0 引言

隨著“九五”“十五”數(shù)字地震臺網(wǎng)項(xiàng)目的陸續(xù)完成，浙江測震臺網(wǎng)已正式運(yùn)行臺站24個(gè)，基本實(shí)現(xiàn)了全省臺站的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化布局。因此，如何利用日常臺站地震計(jì)定期的標(biāo)定數(shù)據(jù)來反映臺站地震計(jì)的運(yùn)行狀態(tài)，成為臺網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)的一項(xiàng)重要工作。

地震計(jì)是地震觀測系統(tǒng)的主要組成設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接影響到整個(gè)地震觀測網(wǎng)產(chǎn)出數(shù)據(jù)的可靠性。一般情況下，地震計(jì)由于安裝的場地環(huán)境不同及自身硬件老化等原因，在運(yùn)行一段時(shí)間后，與出廠時(shí)的標(biāo)稱參數(shù)值相比，會有一定程度的變化。文章主要通過對各臺站地震計(jì)階躍函數(shù)標(biāo)定結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，反映地震計(jì)在臺站的運(yùn)行是否存在異常狀態(tài)。

1 地震計(jì)周期和阻尼的測定原理

1.1 地震計(jì)阻尼常數(shù)的測定原理

地震計(jì)阻尼常數(shù)的測定是運(yùn)用地震計(jì)的階躍函數(shù)標(biāo)定記錄波形，通過測量階躍標(biāo)定波形的幅度來計(jì)算地震計(jì)的阻尼。

由地震計(jì)擺體的衰減過程可以知道，擺體自由衰減震動的幅度y和系統(tǒng)的阻尼Ds的關(guān)系，可以用半個(gè)周期(T1/2時(shí)間)中2個(gè)相鄰的振幅比v來表示：

(1)

式中：yk是自由衰減振動第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，做如下變換：

(2)

從式(2)得出：

(3)

用以10為底的對數(shù)計(jì)算，引入

λ10=lgv=λlge。

(4)

得出地震計(jì)系統(tǒng)的阻尼為：

(5)

從圖1階躍函數(shù)標(biāo)定波形看出，隨著阻尼的變大，y2值在變小。在數(shù)字地震波形記錄上，可以比較準(zhǔn)確地測量y1和y2值，并計(jì)算出阻尼值Ds。

圖1 躍階標(biāo)定響應(yīng)圖

1.2 地震計(jì)周期的測定原理

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

(6)

式中：TS=2π/ω，是擺的固有周期。從式(6)可以看到，有阻尼衰減運(yùn)動的周期T1要比擺的固有周期(自振周期)大，即在0TS。只有當(dāng)Ds=0時(shí)，擺的自由振動才是沒有衰減的，即T1=TS。所以，可通過測量有阻尼衰減運(yùn)動的周期，用上述公式計(jì)算出擺的固有周期TS。

2 臺站地震計(jì)周期、阻尼的變化統(tǒng)計(jì)和分析

2.1 臺站資料選取

浙江省數(shù)字測震臺網(wǎng)目前使用5種地震計(jì)，其中包括短周期、長周期和甚長周期地震計(jì)。選取23個(gè)臺站從2010年1月至2012年12月的階躍函數(shù)標(biāo)定波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，各臺站儀器安裝場地類型和儀器配置如表1所示。

表1 選取臺站基本情況表

2.2 臺站地震計(jì)標(biāo)定計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

使用北京港震公司EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器配套的EDAS-IP-SMS2006軟件，對表1各臺站進(jìn)行階躍函數(shù)標(biāo)定，通過EDSP-ICHECK軟件對標(biāo)定波形數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出各臺站地震計(jì)的周期和阻尼值，臺站地震計(jì)周期、阻尼變化情況及地震計(jì)維護(hù)情況統(tǒng)計(jì)如第36頁表2所示。

從臺站地震計(jì)的周期和阻尼年變化曲線圖，可以看出臺站地震計(jì)全年的整體運(yùn)行情況。下面對部分具有代表性的、地震計(jì)存在異常的臺站進(jìn)行分析說明(見第36頁圖2～圖3、第37頁圖4)。

由圖2可以看出，杭州臺BBVS-60寬頻帶地震計(jì)東西向周期值和阻尼值從2011年9月開始出現(xiàn)異常，2012年4月更換地震計(jì)時(shí)，周期變化率達(dá)到9.98%，超出了規(guī)范要求范圍，其他時(shí)間段運(yùn)行較穩(wěn)定。期間，工作人員試圖多次對地震計(jì)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)零，仍無法解決，返廠維修后發(fā)現(xiàn)故障原因是由于該地震計(jì)簧片老化和東西向調(diào)零馬達(dá)卡死導(dǎo)致。通過與廠家的后續(xù)溝通了解到，BBVS-60寬頻帶地震計(jì)由于觀測頻帶和工藝等原因，使得簧片較之前“九五”時(shí)期使用的短周期地震計(jì)更加敏感，包括調(diào)零馬達(dá)等部件易在運(yùn)輸和安裝過程中出現(xiàn)故障，對以后臺站設(shè)備的規(guī)范安裝提出了更高的要求。

湖州臺CTS-1E地震計(jì)屬于第一批國家評比臺配置的甚寬頻帶地震計(jì)，周期和阻尼年變化如第36頁圖3所示，在2011年4月，開始出現(xiàn)三分向波形時(shí)而不正常的現(xiàn)象，尤其是垂直分向標(biāo)定周期值超出規(guī)范要求。通過對之前階躍函數(shù)標(biāo)定計(jì)算統(tǒng)計(jì)和儀器室環(huán)境分析，排除地震計(jì)由于受外部環(huán)境影響導(dǎo)致故障的可能性，考慮到該地震計(jì)使用年限較長，自身元器件老化引起故障的可能性較大，于2011年5月返廠維修，與廠家維修結(jié)論基本吻合。

嘉興臺地震計(jì)安裝在臺站地下室內(nèi)，由于結(jié)構(gòu)原因?qū)е滤畾怆y以排出，隔震槽內(nèi)積水嚴(yán)重。該臺在2010年和2011年先后2次更換地震計(jì)，通過圖4，結(jié)合臺站地震計(jì)運(yùn)行環(huán)境可以看出，潮濕對地震計(jì)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生的影響非常大，因此，一定要重視臺站觀測環(huán)境潮濕的問題。

2.3 引起地震計(jì)周期和阻尼變化的原因

反饋地震計(jì)阻尼包括兩部分：機(jī)械阻尼和反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的阻尼。其中，反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的阻尼主要取決于內(nèi)部元器件的質(zhì)量，一般情況下，對總阻尼變化的影響概率較小，且變化是單向漂移的；機(jī)械阻尼由于擺體磁缸在設(shè)計(jì)安裝和制作工藝上的問題，受外界環(huán)境的影響而發(fā)生變化，且呈現(xiàn)雙向漂移，是造成地震計(jì)周期和阻尼偏移的主要原因[1]。

表2 臺站地震計(jì)周期、阻尼變化及地震計(jì)維護(hù)情況統(tǒng)計(jì)

圖2 杭州臺周期和阻尼年變化圖

圖3 湖州臺周期和阻尼年變化圖

圖4 嘉興臺周期和阻尼年變化圖

由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)原因，測震臺站多位于山區(qū)地表兼有少部分山洞及井下。大部分臺站始建于“九五”項(xiàng)目和“十五”項(xiàng)目早期，對地震計(jì)及安裝環(huán)境缺乏保護(hù)。

文中列出了通過計(jì)算和統(tǒng)計(jì)得出的浙江省測震臺網(wǎng)2010年至2012年臺站地震計(jì)異常情況，基本上與同時(shí)間段臺網(wǎng)運(yùn)維記錄相吻合。通過地震計(jì)周期和阻尼年變化圖可以看出，大部分地震計(jì)的故障產(chǎn)生是一個(gè)由量變到質(zhì)變的過程。如， 嘉興等臺站由于地震計(jì)安裝環(huán)境問題，導(dǎo)致地震計(jì)易受溫度、濕度影響。比較而言，杭州臺、湖州臺、景寧臺等深井基巖和山洞基巖臺站，由于儀器房受外部溫度、濕度變化影響相對較小，通過對照儀器廠家返修記錄，表明故障多由于內(nèi)部元器件老化導(dǎo)致。而其他地表基巖臺站在日常的運(yùn)維中，發(fā)現(xiàn)地表地震計(jì)故障率較山洞基巖和深井基巖臺站高。

3 結(jié)論

通過對各臺站標(biāo)定波形的計(jì)算結(jié)果對比分析表明，外部的溫度、濕度變化和內(nèi)部元器件的老化均會引起地震計(jì)的周期和阻尼產(chǎn)生變化，場地類型受外部環(huán)境影響情況不同，地表基巖臺站相對影響較大。

通過階躍函數(shù)標(biāo)定，如果發(fā)現(xiàn)周期和阻尼呈雙向漂移變化，大致可判定地震計(jì)故障是由于外部環(huán)境變化導(dǎo)致；如呈單向漂移變化，則多考慮地震計(jì)內(nèi)部元器件老化等原因。

在臺站日常運(yùn)維中，可以使用該方法對臺站地震計(jì)的故障進(jìn)行預(yù)判斷，以減少由突發(fā)故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)斷記引起的損失，提高臺網(wǎng)運(yùn)行率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉 新，毛國良，李小軍，等.河北遙測臺網(wǎng)FBS-3B地震計(jì)工作周期和阻尼變化的特點(diǎn)和原因分析[J].華北地震科學(xué),2012,30(4):59-60.