地震儀參數(shù)測定簡介

地震儀參數(shù)測定童汪練2003.10.20內(nèi)容一．地震儀參數(shù)測定方法1.參數(shù)測定內(nèi)容：靈敏度、傳遞函數(shù)、噪聲2.振動臺測定(一級校準(zhǔn))3.電動式測定二．參數(shù)測定(電動式)與傳遞函數(shù)特性1.穩(wěn)態(tài)正弦標(biāo)定(二級校準(zhǔn))－靈敏度、幅頻2.脈沖(階躍)標(biāo)定－二階傳遞函數(shù)3.數(shù)據(jù)采集器－傳遞函數(shù)(FIR數(shù)字濾器)

4.系統(tǒng)辨識－系統(tǒng)傳遞函數(shù)5.傳遞函特性6.噪聲測試三．軟件介紹與演示一．地震儀參數(shù)測定方法1.參數(shù)測定內(nèi)容：靈敏度：地震計－輸出電壓靈敏度(v/m/s)(靜態(tài))標(biāo)定靈敏度{(v/m/s)/A或newton/A}{(m/s2)/A}

地震儀－速度響應(yīng)靈敏度(counts/μm/s)

加速度響應(yīng)靈敏度(counts/m/s2)

傳遞函數(shù)：地震計、地震儀(系統(tǒng))連續(xù)的(S域)、離散的(Z域)零極點：二階(主導(dǎo)零極點)、高階的噪聲測試：地震儀自身噪聲(地震計和數(shù)采)－廠家單位{dB=10*log(m2/s4/Hz)}2.振動臺測定(一級校準(zhǔn))

A.電磁式振動臺概況工作原理－利用電線圈在磁場中產(chǎn)生推動力，垂直或水平臺面產(chǎn)生運動，并采用激光測距方法計量臺面運動軌跡。振動臺組成－振動控制器、振動部件、精密激光測距儀、測量部件(振幅、相位、電壓、時間頻率、顯示）。

B.振動臺校準(zhǔn)單位與校準(zhǔn)日期：中國計量科學(xué)院2003年07月17日檢定證書：LXvs2003-0116

C.主要技術(shù)指標(biāo)最大位移：20mm(峰-峰)最大負荷加速度：1g

最大負載：12kg

位移(振幅)檢測分辨率優(yōu)于10-3mm

臺面波形失真：f>10Hz加速度<1%;

f<10Hz位移波形失真<3%橫向振動比：<3%臺面運動不均勻度：<1%臺面漏磁：<30Gs

工作頻率范圍：0.01–160Hz

(新開發(fā)指標(biāo)低頻：3000s)校準(zhǔn)(Calibration)D.振動臺校準(zhǔn)－靈敏度、幅頻、相頻和共振峰位移：y=Asin2f

速度：v=2fAcos2f

加速度：a=-(2f)2Asin2f

測量：A-激光測振儀，f-數(shù)字頻率計傳感器輸出電壓：A/D(數(shù)據(jù)采集)超低頻(3000s)測量：標(biāo)準(zhǔn)激光位移計(200mv/mm)

輸出電壓：A/D(24位數(shù)據(jù)采集器)

E.絕對校準(zhǔn)地震計校準(zhǔn)－振動臺臺面模擬真實地面運動。振動計量校準(zhǔn)實驗室地震計校準(zhǔn)－水平分向3.電動式測定(二級校準(zhǔn))

A.二級校準(zhǔn)含義(靈敏度)：地震計輸出電壓靈敏度和標(biāo)定靈敏度參數(shù)，出廠前經(jīng)振動臺校準(zhǔn)。用戶采用電動式標(biāo)定方法，以振動臺校準(zhǔn)過的地震計標(biāo)定靈敏度參數(shù)為基準(zhǔn)，測定地震儀的響應(yīng)靈敏度和地震計輸出電壓靈敏度(包括靜態(tài)靈敏度和幅頻特性)。

B.標(biāo)定參數(shù)：地震計標(biāo)定靈敏度(m/s2)/A*[單一參數(shù)]地震計標(biāo)定靈敏度(v/m/s)/A*

地震計折合擺長、轉(zhuǎn)動慣量地震計標(biāo)定靈敏度(v/m/s)/A*

地震計擺錘質(zhì)量(g)

注：帶*號的均由振動臺校準(zhǔn)二．參數(shù)測定(電動式)與傳遞函數(shù)特性1.穩(wěn)態(tài)正弦標(biāo)定(二級校準(zhǔn))－靈敏度、幅頻幅頻和靜態(tài)靈敏度：

A.求等效地動速度Xv(μm/s)－力激勵產(chǎn)生－正弦波

B.測量力激勵響應(yīng)輸出值Yc(counts)－A/D數(shù)采輸出

C.計算地震儀速度響應(yīng)靈敏度Sv(counts/μm/s)D.計算地震計速度輸出電壓靈敏度Ss(v·s/m)相位測量－穩(wěn)態(tài)正弦波測定相位特性比較復(fù)雜問題：a.波形分辨率－采樣點數(shù)(500p/s[1Hz~0.72o/p–相位分辨率]);(20000p/s[40Hz~0.72o/p–相位分辨率])

b.去噪聲－小波分析(傅里葉變換丟掉了時間信息－不采用)

c.初相定位－地震計輸出波形相位超前或遲后振動臺相位測量原理與上面比較測量法類似。小波分析與相位測量實例2.脈沖(階躍)標(biāo)定－二階傳遞函數(shù)地震計微分方程－地震計工作原理－慣性力、彈簧力、阻尼力－求解方程地震計傳遞函數(shù)定義：對輸出信號的拉氏變換除以輸入信號的拉氏變換。地震計傳遞函數(shù)通用表達式：地震計二階傳遞函數(shù)(主導(dǎo)零極點)

=2f–地震計自振周期；h–阻尼系數(shù)時域法和頻域法：時域測定地震計周期和阻尼可在時域直接測定T和D,確定二階系數(shù)（ω=2/T，h=D)。頻域測定周期和阻尼式中：b=h,c=2,系數(shù)b和c用頻域法確定，利用脈沖標(biāo)定響應(yīng)來計算b和c(最小二乘法)頻域法：利用地震計對階躍信號響應(yīng)產(chǎn)生的標(biāo)定波形，通過富氏變換獲得階躍信號的幅頻譜，采用非線性最小二乘法(高斯-牛頓法),來確定地震計的阻尼常數(shù)和自振周期，其測定的阻尼和周期值的平均誤差可達到１%。該方法是利用地震計對階躍信號響應(yīng)產(chǎn)生的電壓信號e(t)作拉普拉斯變換得到：式中：b=2hω;c=ω2;a

是與靈敏度有關(guān)的常數(shù)。求出b和c就可以確定地震計的阻尼和周期。Gauss-Newton法求解二階微分方程系數(shù)：非線性數(shù)學(xué)模型：式中：要解決的實際問題：根據(jù)測試的數(shù)據(jù)(xr,yr),r=1,2,…,N求出模型中B的各個參數(shù)：b1,b2,b3,…，實際是求出公式中的a,b,c系數(shù)值。

更詳細的了解可參考（李海亮，地震計阻尼和自振頻率的頻域測定，地震地磁觀測與研究，第21卷第2期Apr2000）二階傳遞函數(shù)小結(jié)二階傳遞函數(shù)測定－實質(zhì)１．測定地震計的自振周期和阻尼２．測定方法：Ａ．時域法－直接測定(誤差大)Ｂ．頻域法－最小二乘法(Gauss-Newton)３．求解二階微分方程－獲得零極點參數(shù)４．由零極點參數(shù)－給出歸一化的幅頻和相頻５．測定數(shù)據(jù)－脈沖(階躍)標(biāo)定響應(yīng)６．實現(xiàn)－軟件PCAL_302及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。3.數(shù)據(jù)采集器傳遞函數(shù)(FIR數(shù)字濾器)(1).FIR數(shù)字濾波器

FIR(FiniteImpulseResponseDigitalFilter)(有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器)

IIR(InfiniteImpulseResponseDigitalFilter)(無限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器)

IIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)：

FIR濾波器的系統(tǒng)函數(shù)：濾波器的脈沖響應(yīng)h(n)在n=0,1,…,N-1有限個N點上有值.EDAS數(shù)據(jù)采集器中采用：FIR濾波器模擬信號－A/D－數(shù)字信號(高保真)－高采樣率－帶來數(shù)據(jù)量大的問題。為了‘保真’模擬信號又要降低采樣頻率－茅盾問題：解決方案：采用過采樣技術(shù)－核心內(nèi)容－提高A/D的采樣率－再通過數(shù)字濾波及數(shù)字抽取技術(shù)－將高采樣率的信號轉(zhuǎn)為低采樣率的信號－通過FIR數(shù)字濾波實現(xiàn)高低采樣率的變換。例如：EDAS-3：采樣率800Hz－通過濾波和抽取變換到50Hz。EDAS-24:采樣率256000Hz－變換到50Hz或其它采樣率。上述功能的實現(xiàn)主要靠FIR數(shù)字濾波器抽取來完成。整個數(shù)據(jù)采集器的頻率特性主要由FIR濾波器決定，其傳遞函數(shù)非常穩(wěn)定，能給出精確的傳遞函數(shù)表達式。其階數(shù)可高達一、二百階。FIR數(shù)字濾波器傳遞函數(shù)表達式：FIR濾波器的級聯(lián)：在EDAS中由多級FIR組成。傳遞函數(shù)：數(shù)字地震觀測系統(tǒng)：地震計＋數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)傳遞函數(shù)：式中：

H1－地震計傳遞函數(shù)(S域)

H2－數(shù)據(jù)采集器的FIR濾波器傳遞函數(shù)(Z域)如果要測定系統(tǒng)傳遞函數(shù)－采用系統(tǒng)辨識方法４.系統(tǒng)辨識－傳遞函數(shù)系統(tǒng)辨識－是現(xiàn)代(或經(jīng)典)控制論的重要分支對y(t)和x(t)作拉氏變換傳遞函數(shù)通用表達式：

地震計(H)或地震儀系統(tǒng)參數(shù)模型H(s)x(t)y(t)步驟：1．輸入信號源2．?dāng)?shù)據(jù)預(yù)處理3．調(diào)整模型階次n和m4．確定模型參數(shù)5．系統(tǒng)辨識誤差分析6．模型階次檢驗

地震計傳遞數(shù)(二階、高階)系統(tǒng)辨識－地震儀系統(tǒng)傳遞函數(shù)(高階)系統(tǒng)辨識實例：(實驗室)a．地震計

FSS-3:6階，6個零點，6個極點。

FBS-3：5階，5個零點，5個極點。b．地震儀系統(tǒng)

FSS-3(EDAS-C24B):16個零點,22個極點。

FBS-3(EDAS-C24B):16個零點,22個極點。C．各類標(biāo)準(zhǔn)地震計的主導(dǎo)極點值：

(阻尼值Ds=0.707)短周期：自振周期＝1s

極點值＝－4.44221±4.44355i寬頻帶：自振周期＝20s

極點值＝－0.22210±0.22220i甚寬帶：自振周期＝120s

極點值＝－0.03702±0.03703i甚寬帶：自振周期＝360s

極點值＝－0.01234±0.01234i5.傳遞函特性Ａ.零極點在復(fù)平面的分布：B.零極點分布與系統(tǒng)沖激響應(yīng)的時域特性地震計系統(tǒng)傳遞函數(shù)為H(s)，沖激響應(yīng)為h(t)，實際上H(s)與h(t)是一對拉普拉斯變換對，即：H(s)特性必然包含h(t)的本質(zhì)特性。下面我們來看看H(s)的零極點分布，如何決定h(t)的時域特性。用下面零極點分布（極點的值），求出沖激響應(yīng)h(t)的時間特性，并繪出沖激響應(yīng)h(t)的時間特性圖。2個極點在S平面左邊h(t)為按指數(shù)規(guī)律衰減的正弦振蕩信號H(s)2個極點在虛軸上h(t)為等幅正弦振蕩信號(阻尼=0)H(s)2個極點在S平面的右邊h(t)為按指數(shù)規(guī)律增長的正弦振蕩信號H(s)C.傳遞函數(shù)、零極點小結(jié)穩(wěn)定線性連續(xù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)主要性質(zhì)：1．定義：傳遞函數(shù)T(s)是輸出信號的拉氏孌換除以輸入信號拉氏變換。2．傳遞函數(shù)的所極點必須位于復(fù)S平面的左邊，極點的實部都應(yīng)為負數(shù)3．傳遞函數(shù)分子多項式的次數(shù)m不會大于分母多項式的次數(shù)n,

即nm。4．傳遞函數(shù)的非實數(shù)零點和極點都是以共軛方式出現(xiàn)的。5．有多個或多對極點時，最接近虛軸的極點對系統(tǒng)特性影響最大，能使系統(tǒng)響應(yīng)產(chǎn)生急劇變化，稱為主導(dǎo)極點。6．傳遞函數(shù)的所有零點都在S平面的左邊或極坐標(biāo)的原點上，該系統(tǒng)稱為最小相位系統(tǒng)。6.噪聲測試噪聲測試－地動噪聲、地震儀自身噪聲(略)⑴.噪聲數(shù)據(jù)采集(臺址勘選)

A.要求記錄噪聲的地震儀的響應(yīng)靈敏度高400(counts/μm/s)B.地震儀頻帶－根據(jù)臺址要求確定，一般0.05-20Hz(寬帶)

C.數(shù)據(jù)量－至少４小時記錄數(shù)據(jù)(白天晚上各２小時)⑵.數(shù)據(jù)處理－計算噪聲功率密度分布曲線，按1/3倍頻程測量功率譜密度值{單位dB：10*log[(m2/s4)/Hz]},計算噪聲有效值RMS(RootMeanSquare)(單位：m/s或m/s2)⑶.RMS(m/s)頻段平均值－指1-20Hz頻率范圍⑷.地動噪聲模型－HNM(高噪聲模型),LNM(低噪聲模型)或

NHNM(新高噪聲模型),NLNM(新低噪聲模型)測試軟件：Noise_psd01(單道)、Noise_psd011(多道)HNM(HighNoiseModel)LNM(LowNoiseModel)NoiseLNM(LowNoiseModel臺基噪聲參考值Ⅰ類臺基≤

2.0x10-8(m/s)

*Ⅱ類臺基2.0x10-8~

1.0x10-7(m/s)Ⅲ類臺基≥1.0x10-7~

1.0x10-6(m/s)Ⅳ類臺基≥1.0x10-6(m/s)

＊注：Ⅰ類臺基≤3.2x10-8(m/s)

(將要推行的標(biāo)準(zhǔn))

全國部分臺網(wǎng)臺基噪聲普查結(jié)果：

臺數(shù)Ⅰ類國家臺網(wǎng)379云南臺網(wǎng)266球所臺網(wǎng)255河北臺網(wǎng)322成都臺網(wǎng)131三．軟件介紹與演示1．測定數(shù)字地震觀測系統(tǒng)速度（或加速度）響應(yīng)靈敏度（幅頻特性）。2．測定地震計電壓靈敏度。3．測定地震計二階傳遞函數(shù)及其零極點參數(shù)。4．系統(tǒng)傳遞函數(shù)測定。5．噪聲功率密度測定。6．地震計自身噪聲測定。7．多臺測量脈沖（階躍）標(biāo)定參數(shù)。

軟件安裝

Append_FileC:Run_lib

(修改文件屬性)

Cal_20031020Data程序啟動－兩種方式建立標(biāo)定計算參數(shù)文件1.正弦標(biāo)定參數(shù)文件(文本文件格式)

A.旋轉(zhuǎn)型地震計：1.3566.0126.315ud

淶源臺地震計標(biāo)定參數(shù).dat

1.4116.0215.705ew

1.3136.0135.716ns

B.直線型地震計：

1.414373.3ud

承德臺地震計標(biāo)定參數(shù).dat

1.395373.3ew

1.401373.3ns

C.CTS-1;JCZ-1:

10.31ud

寬頻帶地震計標(biāo)定參數(shù).dat

10.15ew

10.21ns2.脈沖(階躍)標(biāo)定參數(shù)文件(文本文件格式)A.標(biāo)定靈敏度參數(shù)文件(由正弦標(biāo)定自動生成)

Gan_LAYu.datGan_LAYe.dat供脈沖標(biāo)定時調(diào)用

Gan_LAYn.datB.多臺脈沖標(biāo)定參數(shù)測定－參數(shù)文件參見下面格式：首都圈臺網(wǎng)自振周期與靈敏度參.dat周期,采樣率,脈沖幅度

,20,50,2.975929e+006喇叭溝,20,50,3.291878e+006,20,50,3.449661e+006,20,50,4.084455e+006懷安,20,50,4.542426e+006,20,50,4.312649e+006,20,50,3.030819e+006太師屯,20,50,3.277713e+006,20,50,3.245780e+006,20,50,3.975429e+006沙城,20,50,3.578045e+006,20,50,4