用標定方法檢測地震計的異常狀態

張 明，俞鐵宏，劉洋君，李 俊

(浙江省地震局，浙江 杭州 310013)

0 引言

隨著“九五”“十五”數字地震臺網項目的陸續完成，浙江測震臺網已正式運行臺站24個，基本實現了全省臺站的數字化和網絡化布局。因此，如何利用日常臺站地震計定期的標定數據來反映臺站地震計的運行狀態，成為臺網運行維護的一項重要工作。

地震計是地震觀測系統的主要組成設備，其運行狀態的好壞直接影響到整個地震觀測網產出數據的可靠性。一般情況下，地震計由于安裝的場地環境不同及自身硬件老化等原因，在運行一段時間后，與出廠時的標稱參數值相比，會有一定程度的變化。文章主要通過對各臺站地震計階躍函數標定結果的統計分析，反映地震計在臺站的運行是否存在異常狀態。

1 地震計周期和阻尼的測定原理

1.1 地震計阻尼常數的測定原理

地震計阻尼常數的測定是運用地震計的階躍函數標定記錄波形，通過測量階躍標定波形的幅度來計算地震計的阻尼。

由地震計擺體的衰減過程可以知道，擺體自由衰減震動的幅度y和系統的阻尼Ds的關系，可以用半個周期(T1/2時間)中2個相鄰的振幅比v來表示：

(1)

式中：yk是自由衰減振動第k個峰值幅度，yk+1是第k+1個峰值幅度。為了便于計算，做如下變換：

(2)

從式(2)得出：

(3)

用以10為底的對數計算，引入

λ10=lgv=λlge。

(4)

得出地震計系統的阻尼為：

(5)

從圖1階躍函數標定波形看出，隨著阻尼的變大，y2值在變小。在數字地震波形記錄上，可以比較準確地測量y1和y2值，并計算出阻尼值Ds。

圖1 躍階標定響應圖

1.2 地震計周期的測定原理

地震計周期分為工作周期和固有周期(自振周期)，工作周期的測定可以采取直接測量T1/2的周期，如圖1所示。從擺的運動方程可以知道衰減振動的阻尼Ds<1，衰減運動的周期是：

(6)

式中：TS=2π/ω，是擺的固有周期。從式(6)可以看到，有阻尼衰減運動的周期T1要比擺的固有周期(自振周期)大，即在0TS。只有當Ds=0時，擺的自由振動才是沒有衰減的，即T1=TS。所以，可通過測量有阻尼衰減運動的周期，用上述公式計算出擺的固有周期TS。

2 臺站地震計周期、阻尼的變化統計和分析

2.1 臺站資料選取

浙江省數字測震臺網目前使用5種地震計，其中包括短周期、長周期和甚長周期地震計。選取23個臺站從2010年1月至2012年12月的階躍函數標定波形數據進行處理，各臺站儀器安裝場地類型和儀器配置如表1所示。

表1 選取臺站基本情況表

2.2 臺站地震計標定計算結果統計分析

使用北京港震公司EDAS-24IP數據采集器配套的EDAS-IP-SMS2006軟件，對表1各臺站進行階躍函數標定，通過EDSP-ICHECK軟件對標定波形數據進行計算，得出各臺站地震計的周期和阻尼值，臺站地震計周期、阻尼變化情況及地震計維護情況統計如第36頁表2所示。

從臺站地震計的周期和阻尼年變化曲線圖，可以看出臺站地震計全年的整體運行情況。下面對部分具有代表性的、地震計存在異常的臺站進行分析說明(見第36頁圖2～圖3、第37頁圖4)。

由圖2可以看出，杭州臺BBVS-60寬頻帶地震計東西向周期值和阻尼值從2011年9月開始出現異常，2012年4月更換地震計時，周期變化率達到9.98%，超出了規范要求范圍，其他時間段運行較穩定。期間，工作人員試圖多次對地震計進行遠程調零，仍無法解決，返廠維修后發現故障原因是由于該地震計簧片老化和東西向調零馬達卡死導致。通過與廠家的后續溝通了解到，BBVS-60寬頻帶地震計由于觀測頻帶和工藝等原因，使得簧片較之前“九五”時期使用的短周期地震計更加敏感，包括調零馬達等部件易在運輸和安裝過程中出現故障，對以后臺站設備的規范安裝提出了更高的要求。

湖州臺CTS-1E地震計屬于第一批國家評比臺配置的甚寬頻帶地震計，周期和阻尼年變化如第36頁圖3所示，在2011年4月，開始出現三分向波形時而不正常的現象，尤其是垂直分向標定周期值超出規范要求。通過對之前階躍函數標定計算統計和儀器室環境分析，排除地震計由于受外部環境影響導致故障的可能性，考慮到該地震計使用年限較長，自身元器件老化引起故障的可能性較大，于2011年5月返廠維修，與廠家維修結論基本吻合。

嘉興臺地震計安裝在臺站地下室內，由于結構原因導致水氣難以排出，隔震槽內積水嚴重。該臺在2010年和2011年先后2次更換地震計，通過圖4，結合臺站地震計運行環境可以看出，潮濕對地震計的穩定運行產生的影響非常大，因此，一定要重視臺站觀測環境潮濕的問題。

2.3 引起地震計周期和阻尼變化的原因

反饋地震計阻尼包括兩部分：機械阻尼和反饋網絡產生的阻尼。其中，反饋網絡產生的阻尼主要取決于內部元器件的質量，一般情況下，對總阻尼變化的影響概率較小，且變化是單向漂移的；機械阻尼由于擺體磁缸在設計安裝和制作工藝上的問題，受外界環境的影響而發生變化，且呈現雙向漂移，是造成地震計周期和阻尼偏移的主要原因[1]。

表2 臺站地震計周期、阻尼變化及地震計維護情況統計

圖2 杭州臺周期和阻尼年變化圖

圖3 湖州臺周期和阻尼年變化圖

圖4 嘉興臺周期和阻尼年變化圖

由于地質結構原因，測震臺站多位于山區地表兼有少部分山洞及井下。大部分臺站始建于“九五”項目和“十五”項目早期，對地震計及安裝環境缺乏保護。

文中列出了通過計算和統計得出的浙江省測震臺網2010年至2012年臺站地震計異常情況，基本上與同時間段臺網運維記錄相吻合。通過地震計周期和阻尼年變化圖可以看出，大部分地震計的故障產生是一個由量變到質變的過程。如， 嘉興等臺站由于地震計安裝環境問題，導致地震計易受溫度、濕度影響。比較而言，杭州臺、湖州臺、景寧臺等深井基巖和山洞基巖臺站，由于儀器房受外部溫度、濕度變化影響相對較小，通過對照儀器廠家返修記錄，表明故障多由于內部元器件老化導致。而其他地表基巖臺站在日常的運維中，發現地表地震計故障率較山洞基巖和深井基巖臺站高。

3 結論

通過對各臺站標定波形的計算結果對比分析表明，外部的溫度、濕度變化和內部元器件的老化均會引起地震計的周期和阻尼產生變化，場地類型受外部環境影響情況不同，地表基巖臺站相對影響較大。

通過階躍函數標定，如果發現周期和阻尼呈雙向漂移變化，大致可判定地震計故障是由于外部環境變化導致；如呈單向漂移變化，則多考慮地震計內部元器件老化等原因。

在臺站日常運維中，可以使用該方法對臺站地震計的故障進行預判斷，以減少由突發故障導致數據斷記引起的損失，提高臺網運行率。

參考文獻：

[1] 劉 新，毛國良，李小軍，等.河北遙測臺網FBS-3B地震計工作周期和阻尼變化的特點和原因分析[J].華北地震科學,2012,30(4):59-60.