用标定方法检测地震计的异常状态

张 明，俞铁宏，刘洋君，李 俊

(浙江省地震局，浙江 杭州 310013)

0 引言

随着“九五”“十五”数字地震台网项目的陆续完成，浙江测震台网已正式运行台站24个，基本实现了全省台站的数字化和网络化布局。因此，如何利用日常台站地震计定期的标定数据来反映台站地震计的运行状态，成为台网运行维护的一项重要工作。

地震计是地震观测系统的主要组成设备，其运行状态的好坏直接影响到整个地震观测网产出数据的可靠性。一般情况下，地震计由于安装的场地环境不同及自身硬件老化等原因，在运行一段时间后，与出厂时的标称参数值相比，会有一定程度的变化。文章主要通过对各台站地震计阶跃函数标定结果的统计分析，反映地震计在台站的运行是否存在异常状态。

1 地震计周期和阻尼的测定原理

1.1 地震计阻尼常数的测定原理

地震计阻尼常数的测定是运用地震计的阶跃函数标定记录波形，通过测量阶跃标定波形的幅度来计算地震计的阻尼。

由地震计摆体的衰减过程可以知道，摆体自由衰减震动的幅度y和系统的阻尼Ds的关系，可以用半个周期(T1/2时间)中2个相邻的振幅比v来表示：

(1)

式中：yk是自由衰减振动第k个峰值幅度，yk+1是第k+1个峰值幅度。为了便于计算，做如下变换：

(2)

从式(2)得出：

(3)

用以10为底的对数计算，引入

λ10=lgv=λlge。

(4)

得出地震计系统的阻尼为：

(5)

从图1阶跃函数标定波形看出，随着阻尼的变大，y2值在变小。在数字地震波形记录上，可以比较准确地测量y1和y2值，并计算出阻尼值Ds。

图1 跃阶标定响应图

1.2 地震计周期的测定原理

地震计周期分为工作周期和固有周期(自振周期)，工作周期的测定可以采取直接测量T1/2的周期，如图1所示。从摆的运动方程可以知道衰减振动的阻尼Ds<1，衰减运动的周期是：

(6)

式中：TS=2π/ω，是摆的固有周期。从式(6)可以看到，有阻尼衰减运动的周期T1要比摆的固有周期(自振周期)大，即在0TS。只有当Ds=0时，摆的自由振动才是没有衰减的，即T1=TS。所以，可通过测量有阻尼衰减运动的周期，用上述公式计算出摆的固有周期TS。

2 台站地震计周期、阻尼的变化统计和分析

2.1 台站资料选取

浙江省数字测震台网目前使用5种地震计，其中包括短周期、长周期和甚长周期地震计。选取23个台站从2010年1月至2012年12月的阶跃函数标定波形数据进行处理，各台站仪器安装场地类型和仪器配置如表1所示。

表1 选取台站基本情况表

2.2 台站地震计标定计算结果统计分析

使用北京港震公司EDAS-24IP数据采集器配套的EDAS-IP-SMS2006软件，对表1各台站进行阶跃函数标定，通过EDSP-ICHECK软件对标定波形数据进行计算，得出各台站地震计的周期和阻尼值，台站地震计周期、阻尼变化情况及地震计维护情况统计如第36页表2所示。

从台站地震计的周期和阻尼年变化曲线图，可以看出台站地震计全年的整体运行情况。下面对部分具有代表性的、地震计存在异常的台站进行分析说明(见第36页图2～图3、第37页图4)。

由图2可以看出，杭州台BBVS-60宽频带地震计东西向周期值和阻尼值从2011年9月开始出现异常，2012年4月更换地震计时，周期变化率达到9.98%，超出了规范要求范围，其他时间段运行较稳定。期间，工作人员试图多次对地震计进行远程调零，仍无法解决，返厂维修后发现故障原因是由于该地震计簧片老化和东西向调零马达卡死导致。通过与厂家的后续沟通了解到，BBVS-60宽频带地震计由于观测频带和工艺等原因，使得簧片较之前“九五”时期使用的短周期地震计更加敏感，包括调零马达等部件易在运输和安装过程中出现故障，对以后台站设备的规范安装提出了更高的要求。

湖州台CTS-1E地震计属于第一批国家评比台配置的甚宽频带地震计，周期和阻尼年变化如第36页图3所示，在2011年4月，开始出现三分向波形时而不正常的现象，尤其是垂直分向标定周期值超出规范要求。通过对之前阶跃函数标定计算统计和仪器室环境分析，排除地震计由于受外部环境影响导致故障的可能性，考虑到该地震计使用年限较长，自身元器件老化引起故障的可能性较大，于2011年5月返厂维修，与厂家维修结论基本吻合。

嘉兴台地震计安装在台站地下室内，由于结构原因导致水气难以排出，隔震槽内积水严重。该台在2010年和2011年先后2次更换地震计，通过图4，结合台站地震计运行环境可以看出，潮湿对地震计的稳定运行产生的影响非常大，因此，一定要重视台站观测环境潮湿的问题。

2.3 引起地震计周期和阻尼变化的原因

反馈地震计阻尼包括两部分：机械阻尼和反馈网络产生的阻尼。其中，反馈网络产生的阻尼主要取决于内部元器件的质量，一般情况下，对总阻尼变化的影响概率较小，且变化是单向漂移的；机械阻尼由于摆体磁缸在设计安装和制作工艺上的问题，受外界环境的影响而发生变化，且呈现双向漂移，是造成地震计周期和阻尼偏移的主要原因[1]。

表2 台站地震计周期、阻尼变化及地震计维护情况统计

图2 杭州台周期和阻尼年变化图

图3 湖州台周期和阻尼年变化图

图4 嘉兴台周期和阻尼年变化图

由于地质结构原因，测震台站多位于山区地表兼有少部分山洞及井下。大部分台站始建于“九五”项目和“十五”项目早期，对地震计及安装环境缺乏保护。

文中列出了通过计算和统计得出的浙江省测震台网2010年至2012年台站地震计异常情况，基本上与同时间段台网运维记录相吻合。通过地震计周期和阻尼年变化图可以看出，大部分地震计的故障产生是一个由量变到质变的过程。如， 嘉兴等台站由于地震计安装环境问题，导致地震计易受温度、湿度影响。比较而言，杭州台、湖州台、景宁台等深井基岩和山洞基岩台站，由于仪器房受外部温度、湿度变化影响相对较小，通过对照仪器厂家返修记录，表明故障多由于内部元器件老化导致。而其他地表基岩台站在日常的运维中，发现地表地震计故障率较山洞基岩和深井基岩台站高。

3 结论

通过对各台站标定波形的计算结果对比分析表明，外部的温度、湿度变化和内部元器件的老化均会引起地震计的周期和阻尼产生变化，场地类型受外部环境影响情况不同，地表基岩台站相对影响较大。

通过阶跃函数标定，如果发现周期和阻尼呈双向漂移变化，大致可判定地震计故障是由于外部环境变化导致；如呈单向漂移变化，则多考虑地震计内部元器件老化等原因。

在台站日常运维中，可以使用该方法对台站地震计的故障进行预判断，以减少由突发故障导致数据断记引起的损失，提高台网运行率。

参考文献：

[1] 刘 新，毛国良，李小军，等.河北遥测台网FBS-3B地震计工作周期和阻尼变化的特点和原因分析[J].华北地震科学,2012,30(4):59-60.