基于加速度計(jì)的強(qiáng)震近場(chǎng)速度觀測(cè)配套儀器的研制

宋 澄，王余偉，張 勇，吳 彤

(四川省地震局，四川 成都 610041)

基于加速度計(jì)的強(qiáng)震近場(chǎng)速度觀測(cè)配套儀器的研制

宋 澄，王余偉，張 勇，吳 彤

(四川省地震局，四川 成都 610041)

目前我國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)采用統(tǒng)一的2 000 Vs/m靈敏度，該靈敏度適用于觀測(cè)微小地震和中強(qiáng)地震。但對(duì)于區(qū)域內(nèi)發(fā)生的強(qiáng)震，臺(tái)站使用該靈敏度的反饋式地震計(jì)會(huì)出現(xiàn)限幅現(xiàn)象，這就影響了臺(tái)網(wǎng)在震級(jí)測(cè)定中的作用，且不利于地震波形的研究。本文在現(xiàn)有的“三分向力平衡式加速度計(jì)”產(chǎn)品基礎(chǔ)上給出可供臺(tái)站速度觀測(cè)使用的硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果。設(shè)計(jì)通過(guò)一個(gè)生成主導(dǎo)二階極點(diǎn)并完成一次積分的電路轉(zhuǎn)接盒，將三分向力平衡式加速度計(jì)輸出的加速度波形變換為區(qū)域臺(tái)網(wǎng)使用的工作周期為60 s或120 s、工作阻尼為0.707的速度波形。利用本文介紹的轉(zhuǎn)接盒可以將現(xiàn)有的強(qiáng)震臺(tái)站產(chǎn)出不限幅的地動(dòng)速度波形。

反饋式地震計(jì)；強(qiáng)震；加速度計(jì)；地動(dòng)速度；主導(dǎo)二階極點(diǎn)；一次積分

目前，我國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)普遍使用的反饋式地震計(jì)均為速度平坦型，采用統(tǒng)一的靈敏度——2 000 Vs/m。該靈敏度適合用于觀測(cè)微小地震和中強(qiáng)地震，因?yàn)檫@兩類地震的近場(chǎng)地動(dòng)速度振幅大約覆蓋了六個(gè)量級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍(10-2～10-8m/s)。然而，當(dāng)臺(tái)網(wǎng)布設(shè)區(qū)域發(fā)生7.0級(jí)以上強(qiáng)震時(shí)，極震區(qū)域附近的臺(tái)站會(huì)因?yàn)榈貏?dòng)速度振幅超過(guò)了現(xiàn)有反饋地震計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍上限(0.01 m/s)而出現(xiàn)限幅現(xiàn)象。地震波形限幅首先影響的是這部分臺(tái)站在震級(jí)測(cè)定中的作用，其次是限制了深入分析研究利用完整的近場(chǎng)地震觀測(cè)波形的可能性。四川省2008年5月12日發(fā)生的汶川8.0級(jí)特大地震就造成全川絕大多數(shù)臺(tái)站觀測(cè)波形限幅，大大降低了近場(chǎng)觀測(cè)資料的可用性。2013年4月20日發(fā)生的蘆山7.0級(jí)強(qiáng)震也造成了距震中100 km以內(nèi)的臺(tái)站觀測(cè)波形限幅。無(wú)疑地震儀器的上述限幅現(xiàn)象對(duì)于使用近場(chǎng)觀測(cè)資料深入分析研究這類強(qiáng)震是莫大的損失。

另一方面，采用強(qiáng)震加速度觀測(cè)雖然可為分析研究提供完整的近場(chǎng)觀測(cè)地動(dòng)加速度波形，但強(qiáng)震觀測(cè)地震數(shù)據(jù)采集器普遍使用了線性相位濾波[1]。因?yàn)樵摓V波器在震相突變前會(huì)引入干擾震相判讀的“前綴”波形，難于將其用在以震相判讀為主要用途的地震定位及其相關(guān)研究之中[2]。線性相位濾波在采用率設(shè)置較低時(shí)，初動(dòng)“前綴”波比較明顯，容易誤導(dǎo)分析人員對(duì)初動(dòng)到時(shí)的判讀[3]。此外，由于強(qiáng)震臺(tái)站的建設(shè)目的，大多數(shù)強(qiáng)震臺(tái)站多為震后快速評(píng)估震害和抗震救災(zāi)服務(wù)，因此多數(shù)強(qiáng)震臺(tái)站多建設(shè)于土層或結(jié)構(gòu)內(nèi)，對(duì)地震觀測(cè)而言松軟層對(duì)震波的耗散作用將其用于科學(xué)研究并不理想。

因此，本項(xiàng)目的研究目標(biāo)就是通過(guò)研制可供臺(tái)站觀測(cè)使用、能夠完整記錄強(qiáng)震近場(chǎng)地動(dòng)速度波形的地震計(jì)配套儀器，在以四川省為代表的西部強(qiáng)震多發(fā)省份布設(shè)一定數(shù)量可完整記錄強(qiáng)震近場(chǎng)地動(dòng)速度波形的地震觀測(cè)儀器，既是大震速報(bào)的需要，也是強(qiáng)震日常分析編目的需要，更是地震研究的需要。本項(xiàng)目的主要任務(wù)是研制一臺(tái)可供臺(tái)站觀測(cè)使用的地震計(jì)配套儀器，完成的科研樣機(jī)可直接用于臺(tái)站進(jìn)行觀測(cè)，能夠完整記錄強(qiáng)震近場(chǎng)地動(dòng)速度波形。其技術(shù)路線是通過(guò)在現(xiàn)有的“三分向力平衡式加速度計(jì)”產(chǎn)品基礎(chǔ)上，通過(guò)一個(gè)生成主導(dǎo)二階極點(diǎn)并完成一次積分的電路轉(zhuǎn)接盒，即：在反饋環(huán)外用RC有源電路生成周期為60 s或120 s(可供選擇的)、阻尼為0.707的主導(dǎo)二階極點(diǎn)和完成積分，將三分向力平衡式加速度計(jì)輸出的加速度波形變換為速度波形。

1 理論基礎(chǔ)研究

數(shù)字地震觀測(cè)系統(tǒng)中的傳遞函數(shù)是其重要技術(shù)參量，主要是由地震計(jì)和地震數(shù)據(jù)采集器的傳遞函數(shù)構(gòu)成，而傳遞函數(shù)中部分重要極點(diǎn)——“主導(dǎo)二階極點(diǎn)”(表征地震計(jì)的工作周期和工作阻尼)由地震計(jì)中的模擬元器件和機(jī)械擺體共同生成[4]，其傳遞函數(shù)模型見(jiàn)圖1。圖中：S為復(fù)頻率；ωn為主導(dǎo)二階極點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角頻率；Dn為主導(dǎo)二階極點(diǎn)對(duì)應(yīng)的阻尼；Sn為速度計(jì)的速度靈敏度；Ha(S)為加速度計(jì)的傳遞函數(shù)。

圖1 傳遞函數(shù)模型

根據(jù)傳遞函數(shù)模型，K定義為時(shí)變換函數(shù)的增益，我們可以得出：

(1)

由此得到加速度計(jì)與本研究配套轉(zhuǎn)換盒合成的速度傳遞函數(shù)Hv(S)為：

(2)

將式2與速度計(jì)的傳遞函數(shù)對(duì)比可得到加速度計(jì)與轉(zhuǎn)換盒組合的速度靈敏度Sn表達(dá)式：

Sn=2DnωnKHa(S)

(3)

加速度計(jì)的傳遞函數(shù)Hα(S)是一個(gè)低階次的低通函數(shù)，本課題使用的加速度計(jì)的幅頻特性在0～80Hz范圍內(nèi)保持平直。因此在速度地震觀測(cè)感興趣的120 S～40 Hz頻帶內(nèi)可以用零頻時(shí)的加速度靈敏度Ha(o)來(lái)取代上式中的傳遞函數(shù)Hα(S)，由此式3可以從函數(shù)計(jì)算式簡(jiǎn)化為一個(gè)標(biāo)量計(jì)算式。在給定所需的速度靈敏度Sn和主導(dǎo)二階極點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角頻率ωn和阻尼Dn，可求得放轉(zhuǎn)換盒在角頻率ωn下的電壓放大倍率K：

(4)

2 電路設(shè)計(jì)

要想通過(guò)現(xiàn)有的“三分向力平衡式加速度計(jì)”將加速度波形變換為速度波形，其主要是需要在反饋環(huán)外生成主導(dǎo)二階極點(diǎn)和完成一階積分，根據(jù)傳遞函數(shù)模型(5)我們得出反饋環(huán)外生成主導(dǎo)二階極點(diǎn)和一階積分電路，如圖2所示。

圖2 反饋環(huán)外生成主導(dǎo)二階極點(diǎn)和積分電路原理圖

圖3 超低頻振動(dòng)臺(tái)測(cè)試框圖

圖中，運(yùn)算放大器IC2與電阻R4、R5，電容C1、C2組成的二階帶通電路在生成主導(dǎo)二階極點(diǎn)的同時(shí)還完成了一次積分。該電路的傳遞函數(shù)為：

(5)

在S=jωn時(shí)，該二階帶通電路的幅頻特性達(dá)最大值，即：

(6)

(7)

(8)

為保證系統(tǒng)在臺(tái)站的通用性，供電電源采用的是12V輸入，通過(guò)DC-DC電源模塊輸出±30V給運(yùn)算放大器供電，可以保證觀測(cè)強(qiáng)震近場(chǎng)地震的速度波形不會(huì)出現(xiàn)限幅，電路中用于生成二階主導(dǎo)極點(diǎn)的RC有源電路網(wǎng)絡(luò)，在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了工作周期為60 s和120 s兩種，即：如果工作周期為120 s，C1和C2將采用兩個(gè)電容并聯(lián)的方式。電路中的單刀雙擲開(kāi)關(guān)，可分別對(duì)應(yīng)輸出雙端20 Vs/m和200 Vs/m兩檔的速度靈敏度，能夠在使用時(shí)方便用戶選擇。

3 樣機(jī)的振動(dòng)臺(tái)測(cè)試結(jié)果

3.1 靈敏度校準(zhǔn)與測(cè)量

根據(jù)上述理論研究，通過(guò)實(shí)際設(shè)計(jì)制作完成的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，在位于崇州的超低頻振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試，測(cè)試框圖見(jiàn)圖3所示，利用超低頻振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行靈敏度的校準(zhǔn)與測(cè)量。將超低頻振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)頻率置于1 Hz，速度振級(jí)置0.1 m/s(和0.05 m/s)，數(shù)采置于±20 V(差分)狀態(tài)。將實(shí)驗(yàn)樣機(jī)置于低靈敏度20 Vs/m檔(或高靈敏度200 Vs/m檔)，調(diào)整電阻R的數(shù)值使其輸出1Hz正弦波，通過(guò)計(jì)算得出輸出靈敏度，進(jìn)而對(duì)其標(biāo)稱靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后的靈敏度見(jiàn)表1。

表1 靈敏度測(cè)試結(jié)果

3.2 工作周期和工作阻尼測(cè)試結(jié)果

將加速度計(jì)置于相對(duì)安靜的臺(tái)址上，并與靈敏度校準(zhǔn)后的試驗(yàn)樣機(jī)和地震數(shù)據(jù)采集器連接好，地震數(shù)據(jù)采集器置于±20 V(差分)狀態(tài)，脈沖標(biāo)定參數(shù)幅度設(shè)為 1 000 counts，脈沖寬度設(shè)為300 s間隔。同時(shí)在標(biāo)定輸出端由電流輸出轉(zhuǎn)換電壓輸出，輸入給加速度計(jì)，通過(guò)數(shù)采發(fā)出的脈沖標(biāo)定計(jì)算得出試驗(yàn)樣機(jī)的工作周期和工作阻尼。工作周期和工作阻尼測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表2 工作周期測(cè)試結(jié)果

表3 工作阻尼測(cè)試結(jié)果

表4 正弦標(biāo)定參數(shù)

3.3 幅頻特性

圖4 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)三通道幅頻特性響應(yīng)曲線

4 討論

圖5 本方案最大可測(cè)振幅受限圖

可完整記錄強(qiáng)震近場(chǎng)地動(dòng)速度波形的觀測(cè)儀器是通過(guò)在三分向力平衡加速度計(jì)外增加一個(gè)生成主導(dǎo)二階極點(diǎn)和完成一次積分的電路轉(zhuǎn)接盒，將加速度計(jì)輸出的加速度波形變換為速度波形，同時(shí)生成地震觀測(cè)所需的主導(dǎo)二階極點(diǎn)。該項(xiàng)目定位在國(guó)家臺(tái)網(wǎng)和區(qū)域臺(tái)網(wǎng)中使用，在設(shè)計(jì)時(shí)已充分考慮了靈敏度選擇(20 Vs/m和200 Vs/m兩檔)和工作周期(60 s和120 s兩檔)選擇的問(wèn)題，可通過(guò)跳線或者并聯(lián)電容的方式，達(dá)到靈敏度和工作周期的選擇，通過(guò)與現(xiàn)有的 2 000 Vs/m的高靈敏度微震觀測(cè)并行使用，可產(chǎn)出供地震研究的地動(dòng)速度波形，同時(shí)該電路轉(zhuǎn)接盒將加速度計(jì)的電壓標(biāo)定轉(zhuǎn)換成速度記錄的電流標(biāo)定，可反應(yīng)地震計(jì)運(yùn)行的異常狀態(tài)。做為專門用于觀測(cè)強(qiáng)震近場(chǎng)波形的速度平坦型地震計(jì)配套設(shè)備，能夠在不新建臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)的前提下，僅需要在有加速度計(jì)觀測(cè)的臺(tái)站增加該電路轉(zhuǎn)接盒，就能夠以保證觀測(cè)強(qiáng)震近場(chǎng)地震的速度波形不會(huì)在傳感器環(huán)節(jié)限幅，產(chǎn)出不失真的地動(dòng)速度波形，達(dá)到快速地震參數(shù)測(cè)定的目的。應(yīng)當(dāng)指出，用本研究給出的實(shí)現(xiàn)強(qiáng)震近場(chǎng)速度觀測(cè)方案雖然較直接用閉環(huán)反饋制作大量程速度計(jì)成本更低、制作也更容易，但可觀測(cè)的最小波形受所用加速度計(jì)自噪聲的限制，不易兼顧微震觀測(cè)的需要。另一方面，本方案由于采用反饋環(huán)外積分，受加速度計(jì)大振幅限幅的影響頻帶高端不能輸出滿振幅。在速度坐標(biāo)系中，其高頻輸出振幅受限如圖5所示。圖5是以最大可測(cè)加速度為2g的加速度計(jì)為例繪制的。由圖可見(jiàn)：當(dāng)最大可測(cè)速度為1 m/s時(shí)，頻率高于3.12 Hz就無(wú)法輸出滿振幅，而本研究觀測(cè)的對(duì)象是6級(jí)以上的強(qiáng)震和8級(jí)以上的巨大地震。這類地震震源位移譜的拐角頻率都很低(低于0.13 Hz)，其能量主要集中于長(zhǎng)周期頻段，高頻端限幅對(duì)于完整地震觀測(cè)記錄這類地震波形幾乎沒(méi)有影響。

致謝：楊曉源先生自始至終對(duì)本研究進(jìn)行了指導(dǎo)，在此表示感謝！

[1] 楊曉源.數(shù)字地震觀測(cè)中的線性和最小相位濾波[J].四川地震,2005(2):1-5.

[2] 邵玉平，韓進(jìn)，楊曉源，王翠芳，宋澄.用于地震觀測(cè)的瞬態(tài)濾波器仿真研究[J].地震地磁觀測(cè)與研究,2009,30(3):90-93.

[3] 邵玉平，景晟，王翠芳，宋澄.用于地震觀測(cè)的瞬態(tài)濾波實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析[J].地震地磁觀測(cè)與研究,2010,31(4):45-50.

[4] 楊曉源，王翠芳，戴仕貴，邵玉平.地震觀測(cè)傳遞函數(shù)的精度問(wèn)題[J].地震地磁觀測(cè)與研究,2010,31(6):32-39.

[5] 邵玉平，楊曉源，宋澄，王翠芳.瞬態(tài)濾波器設(shè)計(jì)及其在地方地震觀測(cè)中的應(yīng)用研究[J].地震工程學(xué)報(bào),2014,36(3):705-712.

[6] 饒文松，楊曉源.速度傳感反饋地震計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍上限[J].地震地磁觀測(cè)與研究,2007,28(5):63-70.

DevelopmentofNear-fieldSiteVelocityObservationMatchingInstrumentBasedonAccelerometer

SONG Cheng,WANG Yuwei,ZHANG Yong，WU Tong

(Sichuan Earthquake Agency,Sichuan Chengdu 610041,China)

At present,unified 2000 Vs/m sensitivity of seismometer in seismic network is widely used,but the sensitivity is suitable for observation of small earthquakes and moderate earthquakes.When the strong earthquakes occur in the region,the amplitude limiting phenomenon of the feedback seismometer with this sensitivity may occur.Then it will influence magnitude measurement,and make it difficult to study on seismic waveform.The hardware design for velocity observation based on the exisiting three component force-balanced accelerometer and the system test results are shown in the paper.Designing a circuit transfer box for generating dominant second order pole and completing one integral,it can convert the output waveform of three component force-balanced accelerometer to velocity waveform.It is same as output waveform of velocity seismometer with a working cycle of 60 s or 120 s,and a working damping of 0.707.By using the transfer box introduced in this paper,the existing strong motion stations can produce unlimited amplitude velocity waveforms.

feedback seismometer;strong earthquakes;accelerometer;ground motion speed;dominant second order pole;one integral

2017-10-09

中國(guó)地震局測(cè)震臺(tái)網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(20140322)

宋澄(1981-)，男，工程師，四川省達(dá)州市人，主要從事誘發(fā)地震監(jiān)測(cè)和地震觀測(cè)研究工作。E-mail：26649565@qq.com.

P315.956

B

1001-8115(2017)04-0043-05

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.04.011