溫度對甚寬頻地震計靈敏度影響的研究

王曉蕾 朱小毅 薛 兵

（中國地震局地震預測研究所，北京 100036）

溫度對地震觀測儀器等精密測量儀器的影響是普遍存在的，并且對儀器材料性能、元件等參數的影響是不可忽視的。對于臺站運行中地震觀測儀器，尤其是慢變形變觀測儀器，更容易受溫度變化的影響。溫度、濕度等是地震觀測臺站非常重要的環境參數，超出正常工作溫度范圍，儀器則不能正常工作，使得記錄中斷或失常，嚴重影響了觀測的連續性和完整性。

溫度的影響已經得到足夠的重視，并在實際臺站安裝中采用了一些相關的保溫措施。然而溫度對長周期觀測的影響目前只是定性的認識，幾乎沒有一種地震觀測儀器能定量給出儀器的溫度特性曲線。為此我們首先選取臺網廣泛應用的甚寬頻地震計BBVS-120為實驗研究對象，開展了相關的實驗以研究溫度對寬頻帶地震計靈敏度的影響，定量的描述儀器的溫度特性曲線，進而科學地評價儀器的溫度效應。

溫度測量精度和靈敏度測量方法是試驗的基礎，為此，我們設計了由高精密測溫電阻 PT1000電橋組成的低溫漂低噪聲精密測溫電路板，溫度測量精度達到了0.001℃，巧妙地將電路板內嵌到BBVS-120機殼內部，并增加了溫度電壓的輸出通道，通過EDAS-24GN的輔助采集通道采集記錄溫度的變化值。

由于振動臺目前很難放入溫度測試環境中，確定了靜態溫度實驗的試驗方法，并以傳感器的靈敏度和幅頻特性為指標，研究溫度對甚寬頻地震計性能影響。通過靜態測試實驗，利用對比法測量地震計的靈敏度，正弦波電流標定法得到被測地震計的幅頻特性。在地震預測所觀測技術中心實驗室開展了靜態測試實驗，利用適合于臺站觀測的低噪聲溫度可控恒溫箱，分別設定－3.5℃、5℃、15℃、25℃4個溫度點，溫度場平衡后分別進行對比觀測及正弦標定測試實驗。利用軟件 EDAS-ICHECK進行數據處理，得到地震計三分向1 Hz上靈敏度隨溫度變化曲線（圖 1）、各溫度點的幅頻特性曲線，結合Matlab編程得到全頻帶各測試頻點上的靈敏度隨溫度變化的情況。

通過實驗數據分析，首次繪制出甚寬頻帶地震計靈敏度的溫度影響曲線，總結了溫度對1 Hz上3個通道靈敏度影響的規律：被測地震計在 1 Hz上的3個通道的靈敏度隨溫度的升高而升高。以及溫度對其幅頻特性的影響：①溫度對高頻段靈敏度的影響大于對低頻段靈敏度的影響；②溫度影響了甚寬頻地震計幅頻特性在通頻帶的平坦程度，被測地震計幅度響應的形狀在大于1 Hz頻段隨溫度升高略微上翹。

圖1 被測地震計3通道靈敏度的溫度特性曲線

通過分析甚寬頻地震計的反饋模型及傳遞函數，得到影響其反饋靈敏度的關鍵元件參數：環路增益、反饋回路中的微分電容、磁鋼磁場強度；影響幅頻特性低頻段元件參數：積分器電阻、積分器電容、積分回路電阻、微分回路電容；及影響高頻段的元件參數：反饋回路中的微分回路電容、反饋線圈內阻、環路增益。并結合這些元件材料的溫度特性，深入討論了溫度對甚寬頻地震計靈敏度、幅頻特性影響的原因，科學地評價了觀測儀器的溫度效應。當然本論文的測量方法具有普適性，可拓展應用到其他地震觀測儀器的溫度特性測量實驗中。