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，內置力平衡電子反饋電路、坐標變換電路、控制電路等。該型地震計的功耗僅有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、調零，斷電自動鎖擺。該型地震計還具有自動零位監(jiān)測功能，長期觀測中當擺錘位置偏出較大時自動調零，保證正常工作。可遠程控制開擺、調零、標定、鎖擺，及查詢地震計零點。

1 內部結構

地震計，或稱拾震器，是接收地面運動的一種傳感器[1]。為了觀測地球各個方向的運動，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到一套設備內，是近一個世紀以來行業(yè)內標準的做法；然而，由于垂直向地震計和水平向地震計在結構上的差異，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，使用三個相同結構的傳感器，使三個傳感器傳感軸與垂直向夾角為54.7°，構成一個三分向地震計。GL-CS120 的幾何結構如圖1 所示。

圖1 GL-CS120 三軸對稱結構示意

2 安裝

三分向小型甚寬頻帶地震計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） 安裝臺面應構建在完整的基巖上，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） 周圍不應該存在其他可能產生交變磁場的設備，以防止變化的磁場對地震計產生影響、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行業(yè)規(guī)范及標準選擇觀測臺址，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識的箭頭方向指向地理北，然后平移并旋轉地震計，使儀器底座上的兩個定位箭頭與安裝臺面上的基準線重合。調節(jié)GL-120 的底腳螺絲，同時觀察水平泡，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線重合。確保地震計方位和水平均滿足安裝要求后，逆時針擰緊底腳鎖緊環(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)質量的一部分，需要我們對其準確性進行及時監(jiān)控，并反饋給臺站維護人員進行現(xiàn)場的校核和校正[2]。為了觀測數(shù)據(jù)質量，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 進行防護與隔離，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，保持室內常年恒溫；地震計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，實時監(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。為保證內部儲能裝置充分充電，地震計將在正確連接電纜并供電2 min 后自動執(zhí)行開擺、調零流程，無需人為操作。整個調零過程需要幾分鐘時間，最長不超過20 min。需要注意的是，調零過程中為避免不必要的損害請不要移動地震計，也不要通過數(shù)據(jù)采集器向地震計發(fā)送任何控制指令和標定新型號。

3 運行情況檢查

3.1 檢查機械零位

GL-CS120 具有零位信息實時輸出功能，將三根零位監(jiān)控線（VLP_U+，VLP_V+，VLP_W+，）與具有對應接收功能的數(shù)據(jù)采集器對接，便可遠程查詢地震計機械零點位置信息。當發(fā)現(xiàn)地震計零位發(fā)生偏移時，可通過數(shù)據(jù)采集器發(fā)出調零控制命令，實現(xiàn)遠程調零，提高維護效率。同時地震計自身也具有零位監(jiān)測功能，當?shù)卣鹩嬃阄怀鲆欢ǚ秶鷷r，地震計自動啟動調零，從而保證儀器正常工作。

3.2 標定

地震計的技術指標取決于周期、阻尼、靈敏度等參數(shù)。這些參數(shù)在儀器運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。若不及時了解這種變化，將降低地震計輸出結果的可信度[5]。GL-CS120 的三分向傳感器各自具有獨立的標定線圈，用于檢查或測試地震計的工作狀態(tài)和基本性能。

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

表1 GL-CS120 正弦標定頻點參數(shù)

采用EDSP-icheck125 軟件對正弦標定數(shù)據(jù)進行處理，從幅頻響應（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，這反應出GL-CS120 的良好的一致性和穩(wěn)定性。

圖2 正弦標定幅頻響應

3.3 回收

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

4 反饋原理

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

當?shù)孛孢\動傳遞到地震計框架后，位移換能器將擺錘相對于框架的位移變化轉換為電壓量，該信號經(jīng)放大、檢波、積分放大后，通過反饋網(wǎng)絡電路產生與地動加速度成比例的電流。該電流驅動處于封閉磁鋼的反饋線圈，從而產生與擺錘慣性力相平衡的力。反饋電路由積分、微分、比例三條支路構成，地震計的閉環(huán)傳遞函數(shù)主要由反饋網(wǎng)絡決定。三分向傳感器（UVW）的信號輸出與地動速度成正比，經(jīng)坐標變換后，實現(xiàn)了東西、北南、垂直正交信號（ZXY）的轉換。同時，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，實現(xiàn)了遠程地震計零點查詢功能。

5 地震記錄

GL-120 地震計在永安下渡基準站安裝運行以后，記錄了大量的國內外地震資料，例如福建漳州東山縣海域2023 年10 月23 日凌晨3 時發(fā)生的4.9 級地震，震中距離永安下渡基準站大約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 結論

自安裝運行以來，儀器各項參數(shù)穩(wěn)定，故障率低。這體現(xiàn)了GL-120 地震計高性能的特點，受益于其傾斜懸掛的擺體結構，支撐擺錘所需的力相對于垂直向擺體要小得多，對于相同質量的擺錘可以采用面積更小的彈性簧片，使得機械結構的皮實程度更高、抗外界沖擊能力更強。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。這些特點正符合了國家地震烈度速報與預警工程的高精度、高穩(wěn)定性的需要。