馬潔美 滕云田 左愛斌 范曉勇 張 煉

1）中國北京100081中國地震局地球物理研究所

2）中國北京100013中國計量科學研究院

引言

振動臺測試作為地震計的直接標定方法，在獲取地震計的傳遞特性方面具有非常重要的實際意義（中國地震局監(jiān)測預報司，2003）.然而振動臺在實際運行時存在著各種非線性因素，使得振動臺輸出的激勵信號并不是一個純正弦運動，而是含有各類諧波（魏燕定，2001）.GB／T13823.11—1995（中國計量科學研究院，1995）中規(guī)定0.1Hz以上頻率，振動臺的加速度波形失真度應小于3%；International Organization for Standardization of Switzerland（1999）中要求，1Hz—10kHz頻率范圍內(nèi)功率放大器和振動臺的加速度諧波失真度（以下簡稱失真度）不超過2%.但在0.1Hz以下頻段，國際及國家標準均未規(guī)定用何種波形，也未規(guī)定合格的界限，以至于造成一定程度的混亂（楊巧玉，舒毓龍，2011）.同一個振動量的波形失真度有加速度、速度和位移3種表述形式，而位移失真度與加速度失真度可相差10倍左右（楊巧玉，舒毓龍，2011）.本文針對地震計振動臺測試存在的失真度問題，通過理論推導，設計出實時監(jiān)控振動臺面加速度波形、速度波形、地震計輸出的速度波形及其對應失真度的振動信號數(shù)字化測量系統(tǒng)，并通過相關(guān)試驗驗證了加速度波形及其失真度對提高地震計振動測試準確程度的有效性.

1 諧波失真度的理論計算與推導

一個失真的周期振蕩信號電壓，除含有基波電壓分量外，還含有各次諧波分量，把周期失真的正弦信號展開成傅里葉級數(shù)（馬月輝等，2001），可表示為

式中：f（t）為一個含有諧波失真的正弦波；An為第n次諧波的振幅，N為失真正弦波中所含最高諧波次數(shù)，An＝2｜Cn｜＝2｜C－n｜，Cn＝（1／T）∫T0e－jnω0tdt，n＝1，2，…，N；A0／2為正弦波中的直流分量；ω0為標準正弦波的角頻率；φn為第N 次諧波相對于基波的初相角.

一般情況下，類正弦波信號的失真度，可用所有諧波能量之和與基波能量之比的平方根表示.如果負載與信號頻率無關(guān)，則信號的失真度也可以定義為全部諧波電壓的有效值與基波電壓的有效值之比，即

式中：u1為基波電壓的有效值；u2，u3，…，un為各次諧波電壓的有效值.即n＝1，2，…，N.

若以ux表示波形f（t）的總有效值，則按照有效值定義有

根據(jù)式（2）、（3）可導出由于波形失真所產(chǎn)生的信號相對變化量為

根據(jù)泰勒級數(shù)展開，γ?1，忽略高次項，取前兩項有

將式（5）代入（4），得到實際測量值ux與純正弦波形測量值u1之間的相對偏差δ為

若振動臺的輸出信號以下式表示加速度量：

則振動速度可表示為

式中，θnn＝θn＋π／2.

根據(jù)式（2），加速度波形失真度可表示為

速度失真度表示為

顯然，γv＜γa.

根據(jù)式（6），則有在同樣失真度量值情況下，加速度波形失真度對測量值的影響大于速度波形失真度.

2 基于Labview的低頻振動信號與失真度測量

基于美國國家儀器公司研發(fā)的實驗室虛擬儀器工程平臺（laboratory virtual instrument engineering workbench，簡寫為Labview），本文設計出低頻振動信號數(shù)字化測量系統(tǒng)（圖1）.該測量系統(tǒng)硬件開發(fā)平臺采用美國國家儀器有限公司的數(shù)據(jù)接口卡PCI-1200及與其兼容的計算機，基于Labview虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)了對低頻振動信號及其失真度的數(shù)字化測量.

圖1 基于Labview的振動信號數(shù)字化測量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of measurement system for digitalized vibration signal based on Labview

該測量系統(tǒng)中，采用Labview豐富的信號處理、測量和分析函數(shù)功能，以最小二乘法為核心的正弦逼近法解調(diào)同步采集的兩路正交激光干涉信號，得到振動臺正弦振動的幅值，并結(jié)合同步采集的地震計輸出信號進行分析處理，最終得到振動臺振動加速度、速度和位移信號以及地震計靈敏度幅值和相移.失真度測量程序主要由4部分組成：硬件初始化模塊、采集參數(shù)設置模塊、讀出模塊和數(shù)據(jù)處理計算模塊.采用基-2快速傅里葉算法分別得到信號基波和各次諧波系數(shù)，計算其失真度.

圖2給出了振動臺測試頻率為1Hz（速度為4.99mm／s）時的臺面輸出加速度波形，其失真度為0.3%.

以中國測震臺網(wǎng)儀器質(zhì)量檢測中心（以下簡稱質(zhì)檢中心）垂直振動臺為例，對中國計量科學研究院研發(fā)的石英撓性加速度計SA704與適配器MSA-I組成的振動套組進行測試，并以該套組作為低頻振動基準裝置量值傳遞的標準器和核查標準，對該質(zhì)檢中心垂直振動臺與在0.1Hz—50kHz頻率范圍內(nèi)對直線振動傳感器幅值和相位測量能力達到國際先進水平（于梅，2007）的中國計量科學研究院標準振動臺進行了比對測試，測試結(jié)果見表1.

圖2 頻率為1Hz時的臺面輸出加速度波形Fig.2 Acceleration waveform of the shake table at 1Hz

表1 標準套組在中國測震臺網(wǎng)儀器質(zhì)量檢測中心垂直振動臺上的測試結(jié)果及其與計量院標準振動臺的比對結(jié)果Table 1 Measurement results of the standard set on the vertical shake table of China Seismograph Network Equipment Testing Center and comparisons with standard values of National Institute of Metrology

表1中所測頻點的加速度波形及其失真度均小于1%；質(zhì)檢中心振動臺對振動套組的測試結(jié)果與計量院標準振動臺給出的靈敏度數(shù)值偏差較小.比對結(jié)果表明，質(zhì)檢中心振動臺及失真度測量系統(tǒng)可為地震計的振動檢測提供測試平臺.

3 地震計振動臺測試中失真度表述形式對測試結(jié)果的影響

利用Labview的低頻振動信號及其失真度測量系統(tǒng)，對英國寬頻帶地震計生產(chǎn)廠家Guralp公司的CMG-3ESPC寬頻帶地震計進行了測試，測試頻點為1Hz.在該頻點，Guralp公司給出的靈敏度出廠值為983V／m／s.表2給出了不同振動速度下臺面加速度波形失真度、速度波形失真度及地震計輸出的速度波形失真度、靈敏度（取3次測試平均值）的測試結(jié)果.可以看出，隨著臺面運動速度的增大，臺面輸出的加速度、速度及地震計輸出的速度失真度均呈下降趨勢.在該頻點，通過多次地震計振動測試表明，當輸入速度在地震計所能承受最大速度的50%—90%之間選取時，臺面輸出的加速度波形及其失真度均小于1%.當振動速度為0.182 8—1.138 1mm／s時，其加速度波形失真度較大，最大可達7.02%；而速度失真度沒有出現(xiàn)較大波動，除了在0.182 8mm／s和0.228 9mm／s時其失真度超過1%，其余均在1%以內(nèi).然而在該速度范圍內(nèi)所對應的靈敏度數(shù)據(jù)則與出廠值存在一定的偏差.其原因可能是當振動速度較小時，由于功放輸出信噪比很小，使得振動臺的臺基擾動和空氣導軌氣噪聲對臺面的干擾愈發(fā)明顯，導致臺面輸出波形的信噪比減小，出現(xiàn)加速度波形嚴重失真，如圖3所示.

表2 測試頻點為1Hz時隨速度變化的臺面和地震計輸出數(shù)據(jù)Table 2 Output of the shake table and seismometer with the velocity at 1Hz

圖3 臺面輸出的加速度波形與速度波形比對Fig.3 Comparisons between output acceleration and velocity of the shake table

隨著測試頻率向更低方向的不斷擴展，振動臺信噪比變差.當測試頻率一定時，提高信噪比的有效途徑就是增大振動臺的行程（魏燕定，2000）.表3給出了測試頻點為0.05Hz時，逐漸增加振動臺的行程所得到的臺面輸出加速度波形和速度波形的失真度數(shù)據(jù).圖4給出了加速度波形和速度波形失真度隨行程的衰減關(guān)系.從表3和圖4可以看出，隨著行程的不斷增大，加速度波形和速度波形的失真度不斷減小，前者的減小幅度更為明顯.圖5a，b分別給出了行程由4mm增至23.9mm時加速度波形和速度波形的變化.同樣可以看出，加速度波形變化較速度波形變化明顯，且更能直觀地反映出行程不斷增大帶來波形質(zhì)量的明顯改善.

圖4 加速度波形和速度波形失真度隨行程的衰減關(guān)系Fig.4 Distortion attenuation of acceleration waveform （circle）and velocity waveform（square）with the displacement

表3 測試頻點為0.05Hz時隨行程變化的臺面輸出波形失真度數(shù)據(jù)Table 3 Waveform distortion data of the shake table with the displacement at 0.05Hz

圖5 行程由4mm（左）增大至23.97mm（右）時的加速度波形變化（a）與速度波形變化（b）Fig.5 Changes of acceleration waveform （a）and velocity waveform （b）with the displacement increasing from 4mm （left）to 23.97mm （right）

4 討論與結(jié)論

從理論推導和實驗驗證可以看出，對于同組振動波形，其加速度波形失真度與速度波形失真度相比，前者值較大，而且對振動波形的精度描述更為嚴格.例如1Hz時，利用振動臺對地震計進行靈敏度測試，若只是監(jiān)控振動臺輸出的速度波形，則很容易出現(xiàn)這樣一種情形，即速度波形失真度很小，而加速度波形失真度則已經(jīng)超出IS016063.11—1999中對標準振動臺加速度波形失真度2%的要求（International Organization for Standardization，1999），從嚴格意義上講，此時得到的地震計靈敏度數(shù)據(jù)是不可用的.

目前我國振動基準頻率的下限僅為0.1Hz，而大動態(tài)、寬頻帶地震計的廣泛應用，迫切需要基于振動臺開展低頻、甚低頻的測試技術(shù)研究.振動臺產(chǎn)生理想的正弦振動激勵信號是實現(xiàn)寬頻帶地震計精確校準至關(guān)重要的先決條件，而臺面波形失真度則是振動臺主要計量性能指標中最為主要的指標（于梅等，2011）.本文提出以加速度波形失真度指標作為約束，更有利于界定地震計振動臺測試數(shù)據(jù)的合理使用范圍，可為基于超低頻地震計測試技術(shù)的進一步研究提供依據(jù)，對規(guī)范地震計的振動臺測試工作具有積極意義.

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