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“國家地震烈度速報與預警工程”項目臺站建設的完成，建成了由基準站、基本站和一般站構成的間距在10～15 km 的高密度綜合地震觀測網絡，部署了地震預警與烈度速報技術系統，形成了完善的地震預警能力和基于鄉鎮實測值的烈度速報能力（金星，2021）。與四川省數字地震臺網固定臺站采用的寬頻帶地震計、大動態范圍的24 位數據采集器（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（謝江濤等，2019）不同，該項目的一般站均是采用了基于MEMS 芯片傳感器的地震烈度儀，選擇通信鐵塔站點的機房作為觀測場地，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、體積小等優點，適合大面積架設臺站，能有效地提升重點區域的地震監測能力。通過噪聲分析和震動波形分析發現，當地震動振幅達到一定水平時，MEMS 加速度計所記錄的波形與傳統強震儀基本吻合，其數據的幅頻特性和傳統加速度計也基本一致（王浩等，2013）。但MEMS 烈度儀確實存在靈敏度較差和運行相對不穩定等缺點。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 型兩種地震計進行了對比分析；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行了對比分析。四川省地震局建成的超低頻振動平臺系統技術指標達到國內先進水平，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。本研究利用超低頻振動平臺系統，對GL-P2B和TMA-33兩種烈度儀進行振動測試，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，擬解決臺站日常運維管理中不同型號烈度儀在數據質量以及儀器穩定性方面存在的差異問題。

1 研究方法及數據

1.1 研究方法

地震烈度儀作為當下地震觀測站網主要運行儀器，其在地震烈度速報與預警信息產出中發揮著重要作用，當地震震級達到一定水平后，烈度儀測出的儀器烈度結果和強震動儀的結果一致（白立新等，2019）。本文研究的兩種烈度儀分別是北京港震機電技術有限公司研制的GL-P2B 型和珠海市泰德企業有限公司研制的TMA-33 型，兩種烈度儀主要參數指標有：（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）標準靈敏度為500 count／gal。

超低頻振動平臺能產生各種振幅、頻率的振動，是檢測和研究振動傳感器各項參數最直接的實驗平臺（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、數據采集及處理系統。在此次測試過程中，環境溫度均控制在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。為保持與烈度儀實際的觀測運行標準一致，更好地模擬儀器真實的觀測運行環境，測試前搭建了jopens6.05 軟件系統，以實現兩套烈度儀的測試數據收集與存儲；為達到對測試數據深入分析的目的，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行采樣率參數均設置為100 Hz。因該平臺裝置臺面范圍的局限性，兩個烈度儀需要進行獨立測量，且各個分向也是逐一進行測量的，所涉及到的幅值單位為重力加速度。

線性特性測試前根據地震波的有效頻段以及儀器的有效頻帶范圍，選取最優的振動平臺系統輸入信號的頻率為10 Hz，根據烈度儀的量程，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，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，對每個頻率依次進行響應結果測量。

1.3 測試過程及數據處理

超低頻振動平臺系統中的激光測振儀用來定量檢測儀器臺面的振動幅度。在平臺測試系統充分預熱后開始測試，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，并分析計算臺面噪聲功率譜；第二步，在振動臺上按照預先選取的參數進行測試，每個測點需要保存烈度儀輸出響應數據文件，數據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立進行第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數據，每個測量點讀取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上的輸出響應值。

在進行線性特性測試前，在烈度儀量程范圍內選取5 個幅值進行測試，對某一個測試點（i）的幅值（x）測量N 次，從超低頻振動平臺系統中可直接獲得該測試點的振動平臺輸出信號平均幅值（ˉxi），即烈度儀的輸入值，烈度儀的輸出響應幅值為yij（i、j=1，2，3，…，n），并量取計算數據組yij的平均值（ˉyi）；對選擇的每一個幅值進行多次測量，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行去均值化處理，以消去烈度儀各分向零點偏移對測試結果造成的影響。測試結果數據見表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據

線性偏差計算公式為：

設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，對每一個頻率點（i）的幅值（x）測量n 次，從超低頻振動平臺系統可直接獲得該頻率點的振動平臺輸入信號平均幅值（ˉxi），而烈度儀對應的輸出響應幅值為yij（i、j=1，2，3，…，n），并量取計算數據組（yij）的平均值（ˉyi）；對選擇的每一個頻率點進行多次測量。輸出值（ˉyi）量取后對其進行去均值化處理。則該頻率點的誤差百分比δ可由公式（5）獲得。根據以上方法進行取數及數據計算處理，其測試結果數據見表2。

表2 GL-P2 B 和TMA-33 型烈度儀幅頻測試數據

2 結果分析

2.1 線性特性分析

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

表3 兩種烈度儀線性特性測試擬合分析結果

由表3 的測試分析結果可知，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果可知GL-P2B 的線性特性明顯優于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據的線性擬合結果，圖中添加了y=x 的標準方程作為參考曲線。從擬合結果進行分析對比可知，在三個分向上GL-P2B 的擬合曲線相較于TMA-33 更加趨近標準方程，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，與標準曲線斜率的差值遠小于TMA-33 在這兩個分向上的測試擬合結果。由線性度誤差和線性擬合結果綜合分析可知，GL-P2B 的線性特性要優于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 也遠超出地震波的有效頻率范圍，故此頻率點測試結果不再做討論。圖3 是兩種儀器在1～39 Hz 范圍內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上的誤差百分比均存在較大差異，GL-P2B 在各頻率點上的誤差百分比結果相對收斂，大致位于4%以下；而TMA-33 在各頻率點上的誤差百分比結果則較為分散，主要呈現出隨頻率增大，誤差百分比值變大的趨勢。從不同頻率點區間分析可知，在1～20 Hz 范圍內，兩種儀器的誤差百分比相差不大，最大值相差了5%；當振動平臺輸出信號頻率大于20 Hz 時，兩種儀器則呈現不同的結果，TMA-33 的NS 和UD 兩個分向呈現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30 Hz 后開始隨著頻率增大而增大；GL-P2B 在1～39 Hz 范圍內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，其儀器穩定性要優于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果

3 結論

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與輸入之間均具有良好的線性關系；從線性度誤差以及線性擬合結果來看，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準方程一致性也更好。

（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，但是當測試頻率大于20 Hz 以后，則呈現出完全不同的走勢；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，其誤差百分比呈現出逐漸增大的趨勢；在整個測試頻率段內，GL-P2B 穩定性要優于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偏少，所得出的分析結果只針對所選取測試的兩臺烈度儀。今后在增加儀器數的前提下，可在噪聲、環境溫差等相關指標上繼續深入探討，以獲得更加全面深入的分析結果。