不同型號地震烈度儀振動測試對比分析

曾 均，趙寅甫，胡 耀

（四川省地震局，四川 成都 610041）

隨著四川省“國家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程”項(xiàng)目臺站建設(shè)的完成，建成了由基準(zhǔn)站、基本站和一般站構(gòu)成的間距在10～15 km 的高密度綜合地震觀測網(wǎng)絡(luò)，部署了地震預(yù)警與烈度速報(bào)技術(shù)系統(tǒng)，形成了完善的地震預(yù)警能力和基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)實(shí)測值的烈度速報(bào)能力（金星，2021）。與四川省數(shù)字地震臺網(wǎng)固定臺站采用的寬頻帶地震計(jì)、大動態(tài)范圍的24 位數(shù)據(jù)采集器（謝江濤等，2021）和臨時流動地震臺站采用的便攜式一體化短周期地震計(jì)（謝江濤等，2019）不同，該項(xiàng)目的一般站均是采用了基于MEMS 芯片傳感器的地震烈度儀，選擇通信鐵塔站點(diǎn)的機(jī)房作為觀測場地，部分臺站的烈度儀固定在一個不高于地面30 cm 的墻體上（江鵬等，2021）。與傳統(tǒng)的力平衡地震儀器相比，MEMS 地震烈度儀具有成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，適合大面積架設(shè)臺站，能有效地提升重點(diǎn)區(qū)域的地震監(jiān)測能力。通過噪聲分析和震動波形分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)卣饎诱穹_(dá)到一定水平時，MEMS 加速度計(jì)所記錄的波形與傳統(tǒng)強(qiáng)震儀基本吻合，其數(shù)據(jù)的幅頻特性和傳統(tǒng)加速度計(jì)也基本一致（王浩等，2013）。但MEMS 烈度儀確實(shí)存在靈敏度較差和運(yùn)行相對不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。近年來多位研究者通過不同方法分析地震儀器的性能特征，比如李興泉等（2020）利用相干性分析方法對BBVS-60 型和CMG-3ESPC 型兩種地震計(jì)進(jìn)行了對比分析；龍劍峰等（2021）利用RMS 值和噪聲功率譜對MI 3000 型和GL-P2C型兩種型號烈度儀進(jìn)行了對比分析。四川省地震局建成的超低頻振動平臺系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，能夠滿足地震儀器的檢定要求（王余偉等 ，2017），該平臺系統(tǒng)可以提供不同頻率、不同幅值的振動信號，獲得烈度儀的輸出響應(yīng)。本研究利用超低頻振動平臺系統(tǒng)，對GL-P2B和TMA-33兩種烈度儀進(jìn)行振動測試，對比分析兩種烈度儀在線性特性和幅頻百分比兩方面的差異，擬解決臺站日常運(yùn)維管理中不同型號烈度儀在數(shù)據(jù)質(zhì)量以及儀器穩(wěn)定性方面存在的差異問題。

1 研究方法及數(shù)據(jù)

1.1 研究方法

地震烈度儀作為當(dāng)下地震觀測站網(wǎng)主要運(yùn)行儀器，其在地震烈度速報(bào)與預(yù)警信息產(chǎn)出中發(fā)揮著重要作用，當(dāng)?shù)卣鹫鸺夁_(dá)到一定水平后，烈度儀測出的儀器烈度結(jié)果和強(qiáng)震動儀的結(jié)果一致（白立新等，2019）。本文研究的兩種烈度儀分別是北京港震機(jī)電技術(shù)有限公司研制的GL-P2B 型和珠海市泰德企業(yè)有限公司研制的TMA-33 型，兩種烈度儀主要參數(shù)指標(biāo)有：（1）三分向量程為4 g。（2）幅頻特性（GL-P2B 為-0.5～0.5 dB（0～60 Hz）；TMA-33 為-0.5～0.5 dB（0.1～20 Hz）或-3～1 dB（20～40 Hz））。（3）標(biāo)準(zhǔn)靈敏度為500 count／gal。

超低頻振動平臺能產(chǎn)生各種振幅、頻率的振動，是檢測和研究振動傳感器各項(xiàng)參數(shù)最直接的實(shí)驗(yàn)平臺（王余偉等，2017）。該平臺包括垂直振動平臺、水平振動平臺、激光測振儀、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。在此次測試過程中，環(huán)境溫度均控制在20 ℃～25 ℃，消除溫度變化等因素的影響。水平振動平臺示意圖如圖1所示。

1.2 研究內(nèi)容

本研究主要針對儀器的線性特性和幅頻百分比開展的測試。為保持與烈度儀實(shí)際的觀測運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)一致，更好地模擬儀器真實(shí)的觀測運(yùn)行環(huán)境，測試前搭建了jopens6.05 軟件系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)兩套烈度儀的測試數(shù)據(jù)收集與存儲；為達(dá)到對測試數(shù)據(jù)深入分析的目的，同時使用配套MSDP 軟件完成記錄波形的振幅量取，且在測量過程中烈度儀運(yùn)行采樣率參數(shù)均設(shè)置為100 Hz。因該平臺裝置臺面范圍的局限性，兩個烈度儀需要進(jìn)行獨(dú)立測量，且各個分向也是逐一進(jìn)行測量的，所涉及到的幅值單位為重力加速度。

線性特性測試前根據(jù)地震波的有效頻段以及儀器的有效頻帶范圍，選取最優(yōu)的振動平臺系統(tǒng)輸入信號的頻率為10 Hz，根據(jù)烈度儀的量程，選取了5 個不同振幅值的輸入信號，對每個振幅值依次進(jìn)行測量。幅頻百分比測試則是在輸入不同頻率振動信號下烈度儀的輸出響應(yīng)，測量選取9 個不同輸入信號的頻率：1、5、10、15、20、30、35、39 和65 Hz，對每個頻率依次進(jìn)行響應(yīng)結(jié)果測量。

1.3 測試過程及數(shù)據(jù)處理

超低頻振動平臺系統(tǒng)中的激光測振儀用來定量檢測儀器臺面的振動幅度。在平臺測試系統(tǒng)充分預(yù)熱后開始測試，具體步驟為：第一步，使用被測烈度儀測試記錄振動平臺臺面噪聲，并分析計(jì)算臺面噪聲功率譜；第二步，在振動臺上按照預(yù)先選取的參數(shù)進(jìn)行測試，每個測點(diǎn)需要保存烈度儀輸出響應(yīng)數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)文件的有效記錄長度均大于4 min；第三步，每個儀器的各個分向獨(dú)立進(jìn)行第2 步，直到兩個烈度儀所有分向測試完畢；第四步，整理烈度儀輸出響應(yīng)數(shù)據(jù)，每個測量點(diǎn)讀取3 次不同時段的最大幅值，取平均值做為烈度儀在該測量點(diǎn)上的輸出響應(yīng)值。

在進(jìn)行線性特性測試前，在烈度儀量程范圍內(nèi)選取5 個幅值進(jìn)行測試，對某一個測試點(diǎn)（i）的幅值（x）測量N 次，從超低頻振動平臺系統(tǒng)中可直接獲得該測試點(diǎn)的振動平臺輸出信號平均幅值（ˉxi），即烈度儀的輸入值，烈度儀的輸出響應(yīng)幅值為yij（i、j=1，2，3，…，n），并量取計(jì)算數(shù)據(jù)組yij的平均值（ˉyi）；對選擇的每一個幅值進(jìn)行多次測量，可得輸入值幅值（x）的集合（xi）和輸出值（y）的集合（yi）。輸出值量取后對其進(jìn)行去均值化處理，以消去烈度儀各分向零點(diǎn)偏移對測試結(jié)果造成的影響。測試結(jié)果數(shù)據(jù)見表1。由擬合原理可知，輸出值y 和輸入值x 的線性擬合關(guān)系為y=ax+b；記ˉx 和ˉy 分別為集合（xi）和（yi）的均值，則a 和b 的值可以由公式（1）和（2）獲得。

表1 GL-P2 B 和TMA-33 型烈度儀線性測試數(shù)據(jù)

線性偏差計(jì)算公式為：

設(shè)FS 為滿度值，則線性度誤差Ei為：

幅頻百分比測試共選取9 個測試頻率點(diǎn)，對每一個頻率點(diǎn)（i）的幅值（x）測量n 次，從超低頻振動平臺系統(tǒng)可直接獲得該頻率點(diǎn)的振動平臺輸入信號平均幅值（ˉxi），而烈度儀對應(yīng)的輸出響應(yīng)幅值為yij（i、j=1，2，3，…，n），并量取計(jì)算數(shù)據(jù)組（yij）的平均值（ˉyi）；對選擇的每一個頻率點(diǎn)進(jìn)行多次測量。輸出值（ˉyi）量取后對其進(jìn)行去均值化處理。則該頻率點(diǎn)的誤差百分比δ可由公式（5）獲得。根據(jù)以上方法進(jìn)行取數(shù)及數(shù)據(jù)計(jì)算處理，其測試結(jié)果數(shù)據(jù)見表2。

表2 GL-P2 B 和TMA-33 型烈度儀幅頻測試數(shù)據(jù)

2 結(jié)果分析

2.1 線性特性分析

對超低頻振動平臺系統(tǒng)不同測試點(diǎn)的平均輸入幅值（即為烈度儀的輸入值）和烈度儀的輸出響應(yīng)平均幅值進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果見表3。

表3 兩種烈度儀線性特性測試擬合分析結(jié)果

由表3 的測試分析結(jié)果可知，GL-P2B 型烈度儀三個分向上的線性度誤差平均值為0.17%，TMA-33 型烈度儀的線性度誤差均值是前者的2 倍，其均值為0.33%。而從各個分向分析結(jié)果可以明顯看出兩種儀器存在差異，在EW 向，GL-P2B 的線性度誤差為0.25%，TMA-33 為0.44%，前者是后者的55%；在NS 向，GL-P2B 的線性度誤差為0.20%，TMA-33 為0.32%，前者是后者的60%；在UD 向，GL-P2B 的線性度誤差為0.05%，TMA-33 為0.24%，前者是后者的20%。由線性度誤差分析結(jié)果可知GL-P2B 的線性特性明顯優(yōu)于TMA-33。烈度儀UD 向的線性度誤差水平要明顯小于EW 向和NS 向，兩個水平分向之間的線性度誤差相差不大。

圖2 為兩種儀器在各個分向測試數(shù)據(jù)的線性擬合結(jié)果，圖中添加了y=x 的標(biāo)準(zhǔn)方程作為參考曲線。從擬合結(jié)果進(jìn)行分析對比可知，在三個分向上GL-P2B 的擬合曲線相較于TMA-33 更加趨近標(biāo)準(zhǔn)方程，尤其是在NS 和UD 兩個分向上更為明顯，在這兩個分向上GL-P2B 的擬合曲線斜率分別為1.012 5 和1.016 9，與標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率的差值遠(yuǎn)小于TMA-33 在這兩個分向上的測試擬合結(jié)果。由線性度誤差和線性擬合結(jié)果綜合分析可知，GL-P2B 的線性特性要優(yōu)于TMA-33。

圖2 兩種儀器在EW（a）、NS（b）、UD（c）方向的線性度擬合曲線

2.2 幅頻誤差分析

根據(jù)奈奎斯特（Nyquist）采樣定理，65 Hz 輸入信號頻率已超過烈度儀自身采樣頻率（100 Hz）的一半，且65 Hz 也遠(yuǎn)超出地震波的有效頻率范圍，故此頻率點(diǎn)測試結(jié)果不再做討論。圖3 是兩種儀器在1～39 Hz 范圍內(nèi)輸出值的誤差百分比。從圖中可明顯看出，兩種烈度儀在某些頻率點(diǎn)上的誤差百分比均存在較大差異，GL-P2B 在各頻率點(diǎn)上的誤差百分比結(jié)果相對收斂，大致位于4%以下；而TMA-33 在各頻率點(diǎn)上的誤差百分比結(jié)果則較為分散，主要呈現(xiàn)出隨頻率增大，誤差百分比值變大的趨勢。從不同頻率點(diǎn)區(qū)間分析可知，在1～20 Hz 范圍內(nèi)，兩種儀器的誤差百分比相差不大，最大值相差了5%；當(dāng)振動平臺輸出信號頻率大于20 Hz 時，兩種儀器則呈現(xiàn)不同的結(jié)果，TMA-33 的NS 和UD 兩個分向呈現(xiàn)出誤差百分比值隨著頻率增大而增大的趨勢，在測試頻率點(diǎn)39 Hz 時，兩個分向的誤差百分比約為25%，EW 向的誤差百分比則是在測試頻率點(diǎn)30 Hz 后開始隨著頻率增大而增大；GL-P2B 在1～39 Hz 范圍內(nèi)的誤差百分比基本保持在3%以下。由此可見GL-P2B 在不同頻率的輸入條件下，其儀器穩(wěn)定性要優(yōu)于TMA-33。

圖3 兩種儀器在EW（a）、NS（b）、UD（c）方向的幅頻百分比分析結(jié)果

3 結(jié)論

本研究選取目前廣泛使用的兩種烈度儀做對比分析研究，利用超低頻振動平臺對比分析兩種烈度儀的線性特性和幅頻百分比的差異，通過對比分析得到以下結(jié)論：

（1）在輸入信號為10 Hz 的線性測試中，兩種烈度儀的輸出響應(yīng)與輸入之間均具有良好的線性關(guān)系；從線性度誤差以及線性擬合結(jié)果來看，GL-P2B 在各個分向上的線性度誤差均小于TMA-33，其線性擬合方程與標(biāo)準(zhǔn)方程一致性也更好。

（2）幅頻百分比測試中，兩種烈度儀在1～20 Hz 的測試頻率點(diǎn)上，其誤差百分比無太大差距，大約處于5%以下的水平，但是當(dāng)測試頻率大于20 Hz 以后，則呈現(xiàn)出完全不同的走勢；GL-P2B 隨著測試信號頻率增加，其誤差百分比還是處于相對較低的水平，均位于4%以下，而TMA-33 則是隨著測試信號頻率的增加，其誤差百分比呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢；在整個測試頻率段內(nèi)，GL-P2B 穩(wěn)定性要優(yōu)于TMA-33。

由于條件有限，本研究振動測試分析只針對線性特性和幅頻百分比兩方面展開，且本次研究使用的儀器數(shù)偏少，所得出的分析結(jié)果只針對所選取測試的兩臺烈度儀。今后在增加儀器數(shù)的前提下，可在噪聲、環(huán)境溫差等相關(guān)指標(biāo)上繼續(xù)深入探討，以獲得更加全面深入的分析結(jié)果。