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(tái)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(cè)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(cè)值的烈度速報(bào)能力（金星，2021）。與四川省數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)固定臺(tái)站采用的寬頻帶地震計(jì)、大動(dòng)態(tài)范圍的24 位數(shù)據(jù)采集器（謝江濤等，2021）和臨時(shí)流動(dòng)地震臺(tái)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(cè)場(chǎng)地，部分臺(tái)站的烈度儀固定在一個(gè)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(tái)站，能有效地提升重點(diǎn)區(qū)域的地震監(jiān)測(cè)能力。通過噪聲分析和震動(dòng)波形分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)卣饎?dòng)振幅達(dá)到一定水平時(shí)，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(duì)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(duì)BBVS-60 型和CMG-3ESPC 型兩種地震計(jì)進(jìn)行了對(duì)比分析；龍劍峰等（2021）利用RMS 值和噪聲功率譜對(duì)MI 3000 型和GL-P2C型兩種型號(hào)烈度儀進(jìn)行了對(duì)比分析。四川省地震局建成的超低頻振動(dòng)平臺(tái)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(tái)系統(tǒng)可以提供不同頻率、不同幅值的振動(dòng)信號(hào)，獲得烈度儀的輸出響應(yīng)。本研究利用超低頻振動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)，對(duì)GL-P2B和TMA-33兩種烈度儀進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，對(duì)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(tái)站日常運(yùn)維管理中不同型號(hào)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(cè)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?jí)達(dá)到一定水平后，烈度儀測(cè)出的儀器烈度結(jié)果和強(qiáng)震動(dòng)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(dòng)平臺(tái)能產(chǎn)生各種振幅、頻率的振動(dòng)，是檢測(cè)和研究振動(dòng)傳感器各項(xiàng)參數(shù)最直接的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（王余偉等，2017）。該平臺(tái)包括垂直振動(dòng)平臺(tái)、水平振動(dòng)平臺(tái)、激光測(cè)振儀、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。在此次測(cè)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(dòng)平臺(tái)示意圖如圖1所示。

1.2 研究內(nèi)容

本研究主要針對(duì)儀器的線性特性和幅頻百分比開展的測(cè)試。為保持與烈度儀實(shí)際的觀測(cè)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)一致，更好地模擬儀器真實(shí)的觀測(cè)運(yùn)行環(huán)境，測(cè)試前搭建了jopens6.05 軟件系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)兩套烈度儀的測(cè)試數(shù)據(jù)收集與存儲(chǔ)；為達(dá)到對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)深入分析的目的，同時(shí)使用配套MSDP 軟件完成記錄波形的振幅量取，且在測(cè)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(tái)裝置臺(tái)面范圍的局限性，兩個(gè)烈度儀需要進(jìn)行獨(dú)立測(cè)量，且各個(gè)分向也是逐一進(jìn)行測(cè)量的，所涉及到的幅值單位為重力加速度。

線性特性測(cè)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(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)輸入信號(hào)的頻率為10 Hz，根據(jù)烈度儀的量程，選取了5 個(gè)不同振幅值的輸入信號(hào)，對(duì)每個(gè)振幅值依次進(jìn)行測(cè)量。幅頻百分比測(cè)試則是在輸入不同頻率振動(dòng)信號(hào)下烈度儀的輸出響應(yīng)，測(cè)量選取9 個(gè)不同輸入信號(hào)的頻率：1、5、10、15、20、30、35、39 和65 Hz，對(duì)每個(gè)頻率依次進(jìn)行響應(yīng)結(jié)果測(cè)量。

1.3 測(cè)試過程及數(shù)據(jù)處理

超低頻振動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)中的激光測(cè)振儀用來定量檢測(cè)儀器臺(tái)面的振動(dòng)幅度。在平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)充分預(yù)熱后開始測(cè)試，具體步驟為：第一步，使用被測(cè)烈度儀測(cè)試記錄振動(dòng)平臺(tái)臺(tái)面噪聲，并分析計(jì)算臺(tái)面噪聲功率譜；第二步，在振動(dòng)臺(tái)上按照預(yù)先選取的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)測(cè)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(gè)儀器的各個(gè)分向獨(dú)立進(jìn)行第2 步，直到兩個(gè)烈度儀所有分向測(cè)試完畢；第四步，整理烈度儀輸出響應(yīng)數(shù)據(jù)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)讀取3 次不同時(shí)段的最大幅值，取平均值做為烈度儀在該測(cè)量點(diǎn)上的輸出響應(yīng)值。

在進(jìn)行線性特性測(cè)試前，在烈度儀量程范圍內(nèi)選取5 個(gè)幅值進(jìn)行測(cè)試，對(duì)某一個(gè)測(cè)試點(diǎn)（i）的幅值（x）測(cè)量N 次，從超低頻振動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)中可直接獲得該測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)平臺(tái)輸出信號(hào)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(duì)選擇的每一個(gè)幅值進(jìn)行多次測(cè)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(duì)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(duì)測(cè)試結(jié)果造成的影響。測(cè)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(cè)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(cè)試共選取9 個(gè)測(cè)試頻率點(diǎn)，對(duì)每一個(gè)頻率點(diǎn)（i）的幅值（x）測(cè)量n 次，從超低頻振動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)可直接獲得該頻率點(diǎn)的振動(dòng)平臺(tái)輸入信號(hào)平均幅值（ˉxi），而烈度儀對(duì)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(duì)選擇的每一個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量。輸出值（ˉyi）量取后對(duì)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(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)

2 結(jié)果分析

2.1 線性特性分析

對(duì)超低頻振動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)不同測(cè)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(cè)試擬合分析結(jié)果

由表3 的測(cè)試分析結(jié)果可知，GL-P2B 型烈度儀三個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)分向測(cè)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(duì)比可知，在三個(gè)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(gè)分向上更為明顯，在這兩個(gè)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(gè)分向上的測(cè)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(hào)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(cè)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(duì)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(shì)。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(dòng)平臺(tái)輸出信號(hào)頻率大于20 Hz 時(shí)，兩種儀器則呈現(xiàn)不同的結(jié)果，TMA-33 的NS 和UD 兩個(gè)分向呈現(xiàn)出誤差百分比值隨著頻率增大而增大的趨勢(shì)，在測(cè)試頻率點(diǎn)39 Hz 時(shí)，兩個(gè)分向的誤差百分比約為25%，EW 向的誤差百分比則是在測(cè)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(duì)比分析研究，利用超低頻振動(dòng)平臺(tái)對(duì)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(duì)比分析得到以下結(jié)論：

（1）在輸入信號(hào)為10 Hz 的線性測(cè)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(gè)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(cè)試中，兩種烈度儀在1～20 Hz 的測(cè)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(cè)試頻率大于20 Hz 以后，則呈現(xiàn)出完全不同的走勢(shì)；GL-P2B 隨著測(cè)試信號(hào)頻率增加，其誤差百分比還是處于相對(duì)較低的水平，均位于4%以下，而TMA-33 則是隨著測(cè)試信號(hào)頻率的增加，其誤差百分比呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)；在整個(gè)測(cè)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(dòng)測(cè)試分析只針對(duì)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(duì)所選取測(cè)試的兩臺(tái)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。