地震计低频校准技术发展方向

史永明

摘 要：在研发和生产地震计传感器的时候，将低频振动校准装置作为关键内容的实验室在提高地震计量值准确度上具有十分重要的价值。然而这一类型的实验室采用的校准方式必须将地震传感器送到校准实验室进行校准或检定，这一流程会使得运行成本提升，并且影响了强震观测台观测网的运行效率，在一定程度上还会对其所获得的数据质量产生负面影响。面对这一情况必须要开发性的现场校准技术，得以同时兼顾地震传感器性能参数的校准和数字地震观测台的有效运行，本文主要探究这方面的发展方向。

关键词：地震计;低频振动;校准

地震计是一种振动传感器，属于计量器具的范畴，其主要在地面运动测量中进行运用，能够对低频与大动态范围的振动型号进行测量。根据测量输出可以对使用于地震科学研究和防震减灾当中的地震计进行划分，包括位移计、速度计以及加速度计。根据不同的用途可以划分成弱震与强震仪，前者主要对地面震动的速度量进行测量，后者则重点关注其位移和加速度。此外地震动观测仪根据中国地震行业的标准能够划分为其中，其一是短周期地震动观测仪，其二是中周期地震动观测仪，其三是长周期地震动观测仪，其四是宽频带地震动观测仪，其五是甚宽频带地震动观测仪，其六是超宽频带地震动观测仪，最后是强震地震动观测仪。地震计属于机电转换装置，能够将自身观测到的地面运动状况进行转化，以电压信号的形式传输出来。其输出电压和地面运动位移之间的关系为地震计的位移灵敏度（Sd），其输出电压和速度之间的关系为速度灵敏度（Sv），其输出电业和加速度之间的关系为加速度灵敏度（Sa）。国际单位的长度（m）、时间（s）以及电流单位（A）成为了地震计量值的源头，而灵敏度单位也是上述三个单位的导出单位。中国计量科学研究院和中国测测试技术研究院保存有国家低频振动（垂直/水平）计量（副）基准，由中国计量科学研究院研制的超低频振动国家计量基准装置正在国家计量基准的申报过程中，所以地震计可直接通过建立并获得计量授权的低频（或超）低频振动标准装置或地震计检定装置获得量值溯源。目前地震传感器校准的国际标准正在由ISO/TC108国际标准化组织进行起草，研究地震传感器的现场校准技术对于跟上计量技术的国际发展步伐，和标准草案制定工作的参与有十分重要的意义。

要想使得当前实际地震科学研究的需求能够得到充分的满足，在研制开发计量标准器具的过程当中必须要攻克大量技术难关，这些问题主要在以下几个方面有所体现：

1 低频振动激励系统

低频振动台、控制系统与驱动装置共同构成了低频振动的激励系统，低频振动台属于机电装置的一种，其通过将物理振动加入到接受校准的地震传感器之上的方式进行校准。在这一过程当中为要获取具有一定信噪比的低频振动型号就要是的振动台面行程得到加强，但是一些非线性因素的影响会在很大程度上导致台面运动的谐波失真，并且对波形稳定性产生负面影响，进而影响了最终校准结果的准确性。

在研发大行程振动台的过程当中主要需要攻克以下技术问题：

（1）提高磁路结构设计的设立性，确保动圈在工作过程中能够具备均匀的磁场环境，提高驱动力的同时降低非线性影响;

（2）利用轴对称的设计使得台面的横向与摇摆运用能够得到有效控制;

（3）利用空气轴承导向降低控制摩擦阻力，使得台面运动波形能够具有更高的准确度，进而促进信噪比的提升;

（4）提高气隙的均匀性使得交变磁通能够得到降低;

（5）利用双推结构使得振动台能够具备更高的有效行程。

控制技术与驱动技术是影响振动台运行效果的核心问题，低频振动台式对振动台台面运动的加速度进行控制，因为加速度大小与台面的运动頻率之间的关系是平方反比的，因而如果台面背景的噪声稳定，就会使得运动频率被降低，进而对台面输出加速度的信噪比产生不利影响。面对低频环境，采用低频噪声特性较为优秀和具备更宽动态相应范围与更高灵敏度的拾振器充当反馈控制环节的传感器，在最终构建全数字反馈控制系统的过程中引入精度较高的模数转换器和数字信号处理器，使得环境干扰的影响与一些非线性因素的影响能够得到最大程度的控制，并且使得信噪比的输出加速度能够得到进一步的提升。此外噪声、零漂以及波形失真的情况在驱动装置中也有所体现，对振动台性能产生了较大影响，因而在接下来的发展过程中应当进一步研发更为优质的开关功率模块，提高数字技术水平使得驱动装置当中的缺陷能够得到弥补。

2 自动化校准

在利用绝对法校准地震传感器的幅频特性过程中具有核心和基础性地位的就是利用零差正交迈克尔逊激光干涉仪提高低频大行程振动测量的精准性。使得计算机能够接收到由激光测振仪传递出的测量型号，同时使用“正弦逼近法”进行解调与计算，提高地震传感器幅想特性校准的精准性与自动化程度。

3 低频信号测量

在校准地震传感器的过程当中，数据采集系统能够获取由其提供的电压型号，并且结合当前有关交流电压基准的国家规定，对于不超过10Hz的低频电压量值如何溯源目前需要进一步研究。根据德国联邦物理研究院（PTB）目前的技术可以使得0.1Hz的电压量值也被成功溯源。中国计量科学研究院已启动国家低频交流电压基准的研究与建立的科研课题，预计实现的交流电压频率下限为10mHz。

上述技术问题是地震传感器量值溯源体系构建过程当中的重要内容，必须要持续推进，加强国内外的交流与沟通，推动地震传感器量值溯源体系的构建与完善。

参考文献：

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