GL- CS120 型地震計(jì)在永安下渡基準(zhǔn)站的應(yīng)用分析

張寶劍，黃鶴凌，陳 東

（福建省地震局，福建福州）

三分向小型甚寬頻帶地震計(jì)GL-CS120 由3 個沿圓周均勻分布的完全相同的傾斜懸掛擺組成，內(nèi)置力平衡電子反饋電路、坐標(biāo)變換電路、控制電路等。該型地震計(jì)的功耗僅有0.7 W，頻帶范圍120 s～80 Hz，儀器自身噪聲在40 s～10 Hz 的頻帶內(nèi)低于最新地球最小噪聲模型；而且易于安裝，通過雙定向指針保證定向精度，上電自動開擺、調(diào)零，斷電自動鎖擺。該型地震計(jì)還具有自動零位監(jiān)測功能，長期觀測中當(dāng)擺錘位置偏出較大時(shí)自動調(diào)零，保證正常工作?？蛇h(yuǎn)程控制開擺、調(diào)零、標(biāo)定、鎖擺，及查詢地震計(jì)零點(diǎn)。

1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

地震計(jì)，或稱拾震器，是接收地面運(yùn)動的一種傳感器[1]。為了觀測地球各個方向的運(yùn)動，集成了北南向（NS），東西向（EW）和垂直向（UD）三個單分向的地震計(jì)到一套設(shè)備內(nèi)，是近一個世紀(jì)以來行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的做法；然而，由于垂直向地震計(jì)和水平向地震計(jì)在結(jié)構(gòu)上的差異，造成他們之間傳遞函數(shù)很難做一致。一種新的做法如圖1 所示，使用三個相同結(jié)構(gòu)的傳感器，使三個傳感器傳感軸與垂直向夾角為54.7°，構(gòu)成一個三分向地震計(jì)。GL-CS120 的幾何結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 GL-CS120 三軸對稱結(jié)構(gòu)示意

2 安裝

三分向小型甚寬頻帶地震計(jì)GL-120 的頻帶覆蓋了從短周期（80 Hz）至寬頻帶（120 s）的范圍，要求安裝環(huán)境應(yīng)能滿足觀測短周期、中長周期地震波的觀測條件：

（1） 安裝臺面應(yīng)構(gòu)建在完整的基巖上，表面平整無塵。

（2） 防止和減少氣流擾動，避開人為振動沖擊和大的聲波沖擊的影響。

（3） 周圍不應(yīng)該存在其他可能產(chǎn)生交變磁場的設(shè)備，以防止變化的磁場對地震計(jì)產(chǎn)生影響、引入噪聲甚至妨礙正常的觀測。

2.1 安裝和定方位

安裝之前需要參照相關(guān)行業(yè)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)選擇觀測臺址，并提前在安裝臺面（建議安裝臺面與水平面夾角不大于±3°）上畫好一條南北方向的直線作為方位基準(zhǔn)線。

將穿好保溫罩的GL-120 放置到安裝臺面，使其頂蓋上的方位標(biāo)識的箭頭方向指向地理北，然后平移并旋轉(zhuǎn)地震計(jì)，使儀器底座上的兩個定位箭頭與安裝臺面上的基準(zhǔn)線重合。調(diào)節(jié)GL-120 的底腳螺絲，同時(shí)觀察水平泡，使氣泡處于水平泡中央位置。之后再次檢查底部的定位箭頭是否與方位基準(zhǔn)線重合。確保地震計(jì)方位和水平均滿足安裝要求后，逆時(shí)針擰緊底腳鎖緊環(huán)，鎖緊底腳螺絲，即可完成GL-120 的放置與定方位。方位角作為數(shù)據(jù)質(zhì)量的一部分，需要我們對其準(zhǔn)確性進(jìn)行及時(shí)監(jiān)控，并反饋給臺站維護(hù)人員進(jìn)行現(xiàn)場的校核和校正[2]。為了觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，減少不必要的外界干擾，建議使用專用保溫罩和防潮隔離罩對GL-120 進(jìn)行防護(hù)與隔離，并將電纜的懸空部分與儀器本體捆綁固定，以減少電纜晃動引起的數(shù)據(jù)異常。需要采取必要措施，如：擺房需采取多層保溫材料與防氣流擾動的密封處理，保持室內(nèi)常年恒溫；地震計(jì)需加蓋填充式保溫罩等措施[3]。

2.2 連接GL-120 與數(shù)據(jù)采集器

依照數(shù)據(jù)采集器的使用說明正確連接電源線、數(shù)據(jù)線及GPS 線等，開啟外部電源使數(shù)據(jù)采集器啟動，打開與數(shù)據(jù)采集器連接的筆記本電腦，實(shí)時(shí)監(jiān)測GL-120 的輸出波形。使用專用線纜連接GL-CS120和數(shù)據(jù)采集器。為保證內(nèi)部儲能裝置充分充電，地震計(jì)將在正確連接電纜并供電2 min 后自動執(zhí)行開擺、調(diào)零流程，無需人為操作。整個調(diào)零過程需要幾分鐘時(shí)間，最長不超過20 min。需要注意的是，調(diào)零過程中為避免不必要的損害請不要移動地震計(jì)，也不要通過數(shù)據(jù)采集器向地震計(jì)發(fā)送任何控制指令和標(biāo)定新型號。

3 運(yùn)行情況檢查

3.1 檢查機(jī)械零位

GL-CS120 具有零位信息實(shí)時(shí)輸出功能，將三根零位監(jiān)控線（VLP_U+，VLP_V+，VLP_W+，）與具有對應(yīng)接收功能的數(shù)據(jù)采集器對接，便可遠(yuǎn)程查詢地震計(jì)機(jī)械零點(diǎn)位置信息。當(dāng)發(fā)現(xiàn)地震計(jì)零位發(fā)生偏移時(shí)，可通過數(shù)據(jù)采集器發(fā)出調(diào)零控制命令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)零，提高維護(hù)效率。同時(shí)地震計(jì)自身也具有零位監(jiān)測功能，當(dāng)?shù)卣鹩?jì)零位超出一定范圍時(shí)，地震計(jì)自動啟動調(diào)零，從而保證儀器正常工作。

3.2 標(biāo)定

地震計(jì)的技術(shù)指標(biāo)取決于周期、阻尼、靈敏度等參數(shù)。這些參數(shù)在儀器運(yùn)行過程中會隨著儀器元件的老化，或者受到溫度等因素的影響而有所變化。若不及時(shí)了解這種變化，將降低地震計(jì)輸出結(jié)果的可信度[5]。GL-CS120 的三分向傳感器各自具有獨(dú)立的標(biāo)定線圈，用于檢查或測試地震計(jì)的工作狀態(tài)和基本性能。

常用的標(biāo)定有兩種：脈沖標(biāo)定和正弦標(biāo)定。脈沖標(biāo)定用來檢測地震計(jì)的等效自振周期和阻尼，正弦標(biāo)定用來檢測地震計(jì)的幅頻特性。在發(fā)送標(biāo)定信號之前，需要通過數(shù)據(jù)采集器向GL-CS120 發(fā)出“標(biāo)定使能”命令，從而打開標(biāo)定功能。GL-CS120 會連通標(biāo)定回路，并將輸出信號自動切換為UVW 輸出；在標(biāo)定結(jié)束后，應(yīng)通過數(shù)據(jù)采集器向GL-CS120 發(fā)出“標(biāo)定結(jié)束”的命令，GL-CS120 會切斷標(biāo)定回路，并將輸出信號自動切換XYZ 輸出，恢復(fù)正常記錄狀態(tài)。其正弦標(biāo)定參數(shù)如表1 所示。

表1 GL-CS120 正弦標(biāo)定頻點(diǎn)參數(shù)

采用EDSP-icheck125 軟件對正弦標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從幅頻響應(yīng)（見圖2）可以看出，在其工作頻率區(qū)間，曲線非常平坦，而且其三分向也非常的一致，這反應(yīng)出GL-CS120 的良好的一致性和穩(wěn)定性。

圖2 正弦標(biāo)定幅頻響應(yīng)

3.3 回收

GL-CS120 具有斷電自動鎖擺功能，但需要注意的是，地震計(jì)通電時(shí)間大于2 min 的條件下，此功能是可靠的。為保證可靠鎖擺，斷電時(shí)請將電纜線的航空插頭從地震計(jì)端徹底移除。請勿上電后立即斷電，此操作可能導(dǎo)致擺體無法可靠鎖擺，造成搬運(yùn)過程中的損壞。

4 反饋原理

采用位移換能器構(gòu)成的力平衡機(jī)械——電子一體化反饋系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)寬頻帶、大動態(tài)地震計(jì)的經(jīng)典技術(shù)[4]。三分向小型寬頻帶地震計(jì)GL-120 是機(jī)械、電子相互耦合的系統(tǒng)，采用力平衡式電子- 機(jī)械一體化反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶、大動態(tài)范圍的記錄要求。

當(dāng)?shù)孛孢\(yùn)動傳遞到地震計(jì)框架后，位移換能器將擺錘相對于框架的位移變化轉(zhuǎn)換為電壓量，該信號經(jīng)放大、檢波、積分放大后，通過反饋網(wǎng)絡(luò)電路產(chǎn)生與地動加速度成比例的電流。該電流驅(qū)動處于封閉磁鋼的反饋線圈，從而產(chǎn)生與擺錘慣性力相平衡的力。反饋電路由積分、微分、比例三條支路構(gòu)成，地震計(jì)的閉環(huán)傳遞函數(shù)主要由反饋網(wǎng)絡(luò)決定。三分向傳感器（UVW）的信號輸出與地動速度成正比，經(jīng)坐標(biāo)變換后，實(shí)現(xiàn)了東西、北南、垂直正交信號（ZXY）的轉(zhuǎn)換。同時(shí)，三分向傳感器的輸出信號連接于積分器電路，積分器的輸出與傳感器的零位位移成正比，該接口與數(shù)據(jù)采集器相連，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程地震計(jì)零點(diǎn)查詢功能。

5 地震記錄

GL-120 地震計(jì)在永安下渡基準(zhǔn)站安裝運(yùn)行以后，記錄了大量的國內(nèi)外地震資料，例如福建漳州東山縣海域2023 年10 月23 日凌晨3 時(shí)發(fā)生的4.9 級地震，震中距離永安下渡基準(zhǔn)站大約300 km，數(shù)據(jù)完整、可靠，地震波高頻成分豐富，地震波記錄線性良好，震相清晰可讀取。具體記錄如圖3 所示。

圖3 2023 年10 月23 日福建漳州東山縣海域地震

6 結(jié)論

自安裝運(yùn)行以來，儀器各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定，故障率低。這體現(xiàn)了GL-120 地震計(jì)高性能的特點(diǎn)，受益于其傾斜懸掛的擺體結(jié)構(gòu)，支撐擺錘所需的力相對于垂直向擺體要小得多，對于相同質(zhì)量的擺錘可以采用面積更小的彈性簧片，使得機(jī)械結(jié)構(gòu)的皮實(shí)程度更高、抗外界沖擊能力更強(qiáng)。另外，由于懸掛簧片面積小了，受外界磁場變化的影響更小、抗環(huán)境干擾能力更強(qiáng)。這些特點(diǎn)正符合了國家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程的高精度、高穩(wěn)定性的需要。