地震計低頻校準技術發(fā)展方向

史永明

摘 要：在研發(fā)和生產地震計傳感器的時候，將低頻振動校準裝置作為關鍵內容的實驗室在提高地震計量值準確度上具有十分重要的價值。然而這一類型的實驗室采用的校準方式必須將地震傳感器送到校準實驗室進行校準或檢定，這一流程會使得運行成本提升，并且影響了強震觀測臺觀測網的運行效率，在一定程度上還會對其所獲得的數(shù)據質量產生負面影響。面對這一情況必須要開發(fā)性的現(xiàn)場校準技術，得以同時兼顧地震傳感器性能參數(shù)的校準和數(shù)字地震觀測臺的有效運行，本文主要探究這方面的發(fā)展方向。

關鍵詞：地震計;低頻振動;校準

地震計是一種振動傳感器，屬于計量器具的范疇，其主要在地面運動測量中進行運用，能夠對低頻與大動態(tài)范圍的振動型號進行測量。根據測量輸出可以對使用于地震科學研究和防震減災當中的地震計進行劃分，包括位移計、速度計以及加速度計。根據不同的用途可以劃分成弱震與強震儀，前者主要對地面震動的速度量進行測量，后者則重點關注其位移和加速度。此外地震動觀測儀根據中國地震行業(yè)的標準能夠劃分為其中，其一是短周期地震動觀測儀，其二是中周期地震動觀測儀，其三是長周期地震動觀測儀，其四是寬頻帶地震動觀測儀，其五是甚寬頻帶地震動觀測儀，其六是超寬頻帶地震動觀測儀，最后是強震地震動觀測儀。地震計屬于機電轉換裝置，能夠將自身觀測到的地面運動狀況進行轉化，以電壓信號的形式傳輸出來。其輸出電壓和地面運動位移之間的關系為地震計的位移靈敏度（Sd），其輸出電壓和速度之間的關系為速度靈敏度（Sv），其輸出電業(yè)和加速度之間的關系為加速度靈敏度（Sa）。國際單位的長度（m）、時間（s）以及電流單位（A）成為了地震計量值的源頭，而靈敏度單位也是上述三個單位的導出單位。中國計量科學研究院和中國測測試技術研究院保存有國家低頻振動（垂直/水平）計量（副）基準，由中國計量科學研究院研制的超低頻振動國家計量基準裝置正在國家計量基準的申報過程中，所以地震計可直接通過建立并獲得計量授權的低頻（或超）低頻振動標準裝置或地震計檢定裝置獲得量值溯源。目前地震傳感器校準的國際標準正在由ISO/TC108國際標準化組織進行起草，研究地震傳感器的現(xiàn)場校準技術對于跟上計量技術的國際發(fā)展步伐，和標準草案制定工作的參與有十分重要的意義。

要想使得當前實際地震科學研究的需求能夠得到充分的滿足，在研制開發(fā)計量標準器具的過程當中必須要攻克大量技術難關，這些問題主要在以下幾個方面有所體現(xiàn)：

1 低頻振動激勵系統(tǒng)

低頻振動臺、控制系統(tǒng)與驅動裝置共同構成了低頻振動的激勵系統(tǒng)，低頻振動臺屬于機電裝置的一種，其通過將物理振動加入到接受校準的地震傳感器之上的方式進行校準。在這一過程當中為要獲取具有一定信噪比的低頻振動型號就要是的振動臺面行程得到加強，但是一些非線性因素的影響會在很大程度上導致臺面運動的諧波失真，并且對波形穩(wěn)定性產生負面影響，進而影響了最終校準結果的準確性。

在研發(fā)大行程振動臺的過程當中主要需要攻克以下技術問題：

（1）提高磁路結構設計的設立性，確保動圈在工作過程中能夠具備均勻的磁場環(huán)境，提高驅動力的同時降低非線性影響;

（2）利用軸對稱的設計使得臺面的橫向與搖擺運用能夠得到有效控制;

（3）利用空氣軸承導向降低控制摩擦阻力，使得臺面運動波形能夠具有更高的準確度，進而促進信噪比的提升;

（4）提高氣隙的均勻性使得交變磁通能夠得到降低;

（5）利用雙推結構使得振動臺能夠具備更高的有效行程。

控制技術與驅動技術是影響振動臺運行效果的核心問題，低頻振動臺式對振動臺臺面運動的加速度進行控制，因為加速度大小與臺面的運動頻率之間的關系是平方反比的，因而如果臺面背景的噪聲穩(wěn)定，就會使得運動頻率被降低，進而對臺面輸出加速度的信噪比產生不利影響。面對低頻環(huán)境，采用低頻噪聲特性較為優(yōu)秀和具備更寬動態(tài)相應范圍與更高靈敏度的拾振器充當反饋控制環(huán)節(jié)的傳感器，在最終構建全數(shù)字反饋控制系統(tǒng)的過程中引入精度較高的模數(shù)轉換器和數(shù)字信號處理器，使得環(huán)境干擾的影響與一些非線性因素的影響能夠得到最大程度的控制，并且使得信噪比的輸出加速度能夠得到進一步的提升。此外噪聲、零漂以及波形失真的情況在驅動裝置中也有所體現(xiàn)，對振動臺性能產生了較大影響，因而在接下來的發(fā)展過程中應當進一步研發(fā)更為優(yōu)質的開關功率模塊，提高數(shù)字技術水平使得驅動裝置當中的缺陷能夠得到彌補。

2 自動化校準

在利用絕對法校準地震傳感器的幅頻特性過程中具有核心和基礎性地位的就是利用零差正交邁克爾遜激光干涉儀提高低頻大行程振動測量的精準性。使得計算機能夠接收到由激光測振儀傳遞出的測量型號，同時使用“正弦逼近法”進行解調與計算，提高地震傳感器幅想特性校準的精準性與自動化程度。

3 低頻信號測量

在校準地震傳感器的過程當中，數(shù)據采集系統(tǒng)能夠獲取由其提供的電壓型號，并且結合當前有關交流電壓基準的國家規(guī)定，對于不超過10Hz的低頻電壓量值如何溯源目前需要進一步研究。根據德國聯(lián)邦物理研究院（PTB）目前的技術可以使得0.1Hz的電壓量值也被成功溯源。中國計量科學研究院已啟動國家低頻交流電壓基準的研究與建立的科研課題，預計實現(xiàn)的交流電壓頻率下限為10mHz。

上述技術問題是地震傳感器量值溯源體系構建過程當中的重要內容，必須要持續(xù)推進，加強國內外的交流與溝通，推動地震傳感器量值溯源體系的構建與完善。

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