2 地表地震計(jì)檢定規(guī)程-不確定度報(bào)告

《地表地震計(jì)檢定規(guī)程》測(cè)量不確定度評(píng)定報(bào)告《地表地震計(jì)檢定規(guī)程》編寫組2024.9.29目錄TOC\o"1-2"\h\u86471振動(dòng)臺(tái)測(cè)量項(xiàng)目不確定度評(píng)定 振動(dòng)臺(tái)測(cè)量項(xiàng)目不確定度評(píng)定1.1概述實(shí)驗(yàn)室：中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院振動(dòng)研究所中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)地震局地球物理研究所地震儀器測(cè)試與質(zhì)檢中心主要實(shí)驗(yàn)樣機(jī)：GL-CS60、ITC-60A寬頻帶地震計(jì)STS-2.5甚寬帶地震計(jì)。環(huán)境條件：23.5℃，36.5%RH。主要測(cè)量設(shè)備：絕對(duì)法超低頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置振動(dòng)臺(tái)測(cè)量時(shí)，將被檢地震計(jì)安裝在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面中心，使地震計(jì)的傳感方向與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面運(yùn)動(dòng)方向一致，控制振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行不同頻率正弦激振，激光干涉儀讀取振動(dòng)臺(tái)輸入正弦信號(hào)峰值速度，數(shù)據(jù)采集器采集包括地震計(jì)1個(gè)振動(dòng)方向和2個(gè)橫向的輸出電壓，根據(jù)輸出和輸入數(shù)據(jù)計(jì)算得到測(cè)量的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。振動(dòng)臺(tái)測(cè)量地震計(jì)的靈敏度、最大橫向靈敏度比、最大觀測(cè)速度、靈敏度幅值響應(yīng)波動(dòng)、幅值線性度偏差等5個(gè)參數(shù)，下面分別、分組進(jìn)行不確定度評(píng)定。1.2地震計(jì)靈敏度按《地表地震計(jì)檢定規(guī)程征求意見稿》規(guī)定，靈敏度在參考頻率點(diǎn)測(cè)量，甚寬帶、寬頻帶地震計(jì)(以下簡(jiǎn)稱地震計(jì))的參考頻率為1Hz。地震計(jì)靈敏度和橫向靈敏度同時(shí)測(cè)量。1.2.1測(cè)量模型振動(dòng)方向地震計(jì)輸出電壓與振動(dòng)臺(tái)輸出速度之比就是地震計(jì)該分向的靈敏度，2個(gè)橫向輸出電壓與振動(dòng)臺(tái)輸出速度之比就是橫向靈敏度。計(jì)算公式見式(1)。(1)式中：s—地震計(jì)靈敏度/橫向靈敏度，單位：Vs/mV—地震計(jì)輸出電壓，單位：Vv—振動(dòng)臺(tái)輸入振動(dòng)的速度幅度，單位：m/s1.2.2確定不確定度分量根據(jù)測(cè)量模型，影響靈敏度測(cè)量結(jié)果包括輸出電壓的測(cè)量不確定度和振動(dòng)臺(tái)輸入速度的測(cè)量不確定度，同時(shí)在測(cè)試過(guò)程中需要把地震計(jì)安裝到振動(dòng)平臺(tái)上，振動(dòng)臺(tái)面的橫向?qū)`敏度測(cè)量不確定度有貢獻(xiàn)，多次安裝的誤差會(huì)對(duì)測(cè)量不確定度有貢獻(xiàn)，同時(shí)在量值溯源傳遞中采用了標(biāo)準(zhǔn)低頻套組，其不確定度會(huì)傳遞到振動(dòng)臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)。綜上所述，影響測(cè)試結(jié)果不確定度的分量包括：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)采集信號(hào)的采集不確定度u1，激光干涉系統(tǒng)測(cè)量振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)的不確定度u2，振動(dòng)臺(tái)橫向振動(dòng)的影響u3，安裝誤差引起的不確定u4，標(biāo)準(zhǔn)溯源設(shè)備低頻套組不確定度u各不確定分量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度確定如下：a)數(shù)據(jù)采集器測(cè)量誤差引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u使用美國(guó)NI公司的PXle-1071數(shù)據(jù)采集器，幅值測(cè)量精度：在1kHz的所有量程范圍具有±0.1%的測(cè)量精度，按均與分布，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量值為：0.058%。b)激光干涉系統(tǒng)測(cè)量振動(dòng)誤差引起的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，測(cè)量使用的激光干涉儀在位移100mm范圍內(nèi)，位移測(cè)量誤差小于0.7×10-6m，按1Hz計(jì)算速度測(cè)量誤差為：4.398×10-6m/s，測(cè)量靈敏度時(shí)用0.005m/s的速度，速度相對(duì)誤差小于：0.088%，按均勻分布，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量值為：0.050%。c)振動(dòng)臺(tái)橫向引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u已知被校地震計(jì)橫向靈敏度比≤1.5%，振動(dòng)臺(tái)橫向振動(dòng)比≤3%，按測(cè)量時(shí)振動(dòng)臺(tái)實(shí)際軸向運(yùn)動(dòng)與地震計(jì)正向夾角最大，最大的靈敏度測(cè)量誤差為1-cos(4.5°)=0.0031，按均勻分布，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量值為：0.180%。d)安裝影響引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u地震計(jì)在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的安裝力矩和連接電纜固定會(huì)產(chǎn)生影響。結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，估計(jì)引入標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量值為：0.100%。e)低頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u校準(zhǔn)用的低頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置溯源至國(guó)家基準(zhǔn)，靈敏度幅值擴(kuò)展不確定度在16Hz為0.5%，0.1Hz～120Hz為1%?？紤]均與分布，查看校準(zhǔn)證書最大示值誤差0.82%，認(rèn)為均勻分布，估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量值為：0.473%。f)多次測(cè)量重復(fù)性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u根據(jù)《地表地震計(jì)檢定規(guī)程實(shí)驗(yàn)報(bào)告》，10次重復(fù)測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為0.04%，作為該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量值。1.2.3各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總示值誤差校準(zhǔn)不確定度評(píng)定各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量見表1。表1標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u不確定度來(lái)源標(biāo)準(zhǔn)不確定度/%u數(shù)據(jù)采集器測(cè)量誤差0.058u激光干涉系統(tǒng)測(cè)量振動(dòng)誤差0.050u橫向振動(dòng)對(duì)地震計(jì)輸出電壓的影響0.180u安裝誤差對(duì)地震計(jì)靈敏度幅值測(cè)量影響0.100u低頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響0.473u多次重復(fù)性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響0.0401.2.4合成標(biāo)準(zhǔn)不確這些分量之間的無(wú)關(guān)或相關(guān)性很弱，在本報(bào)告中按相互獨(dú)立處理。合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度ucuc=u11.2.5擴(kuò)展不確定度U取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度為：U=k?u1.3地震計(jì)最大橫向靈敏度比因?yàn)闄M向靈敏度和靈敏度是一起測(cè)量的，其影響因素也是一樣的，但振動(dòng)臺(tái)橫向振動(dòng)的影響不同，應(yīng)當(dāng)為：最大的橫向靈敏度測(cè)量相對(duì)誤差為sin(3.0°)=0.052，考慮均勻分布，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量值為：3.020%，表1中其它項(xiàng)不變，u3修改為3.020%，用(2)計(jì)算出橫向靈敏度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為3.059%，擴(kuò)展不確定度(k=2)為需要測(cè)量的是最大橫向靈敏度比，首先一個(gè)分向相對(duì)于另一個(gè)正交分向的橫向靈敏度比，為該分向相對(duì)正交分向的橫向靈敏度與該分向靈敏度的比，因?yàn)殪`敏度標(biāo)稱值為1000Vs/m，橫向靈敏度比的不確定度就是橫向靈敏度不確定度0.10%，即：0.006%。最大橫向靈敏度比取6個(gè)橫向靈敏度比中的最大值，故認(rèn)定最大橫向靈敏度比的不確定度為0.006%，擴(kuò)展不確定度(k=2)為0.012%。1.4靈敏度幅值頻率響應(yīng)靈敏度幅值頻率響應(yīng)測(cè)量與靈敏度測(cè)量方法相似，只是在不同頻率點(diǎn)輸入振動(dòng)，測(cè)量地震計(jì)分向輸出在該頻點(diǎn)的響應(yīng)靈敏度。認(rèn)定其不確定度與靈敏度測(cè)量不確定度一樣。1.5最大限幅速度最大限幅速度測(cè)量實(shí)際上是檢驗(yàn)地震計(jì)在指定速度時(shí)輸出波形的失真度是否在限值以內(nèi)，只有滿足或不滿足，不做不確定評(píng)定。1.6幅值線性度幅值線性度偏差測(cè)量與靈敏度測(cè)量方法相似，只是在參考頻率點(diǎn)輸入不同振動(dòng)，測(cè)量地震計(jì)分向輸出在參考頻率點(diǎn)、不同振動(dòng)幅值輸入的電壓輸出，然后用輸入速度、輸出電壓的線性擬合得到線性參數(shù)，按擬合線性參數(shù)計(jì)算出不同振動(dòng)幅值對(duì)應(yīng)輸出，再計(jì)算實(shí)測(cè)值與計(jì)算之差，并除以滿幅值得到各振幅點(diǎn)的線性偏差，然后所有偏差的最大值作為地震計(jì)該分向的線性偏差。顯然測(cè)量振幅點(diǎn)的輸出與振動(dòng)臺(tái)振幅測(cè)量與不確定度的影響因素一致，但是振動(dòng)臺(tái)振幅測(cè)量的絕對(duì)量值對(duì)線性偏差的影響可以不計(jì)，故表1中溯源傳感器的不確定度分量不考慮，這樣計(jì)算出表中剩余5個(gè)不確定分量合成的相對(duì)不確定度為0.22%。此外，線性偏差計(jì)算中的除以滿幅值對(duì)結(jié)果有衰減作用，通常地震計(jì)輸出的滿幅值可按單端10V計(jì)算，認(rèn)為計(jì)算得到的線性度偏差不確定度應(yīng)當(dāng)為：0.022%，擴(kuò)展不確定度(k=2)為：0.044%。1.7振動(dòng)臺(tái)測(cè)量項(xiàng)目不確定度評(píng)定結(jié)果匯總振動(dòng)臺(tái)測(cè)量項(xiàng)目不確定評(píng)定結(jié)果匯總見表2。表2振動(dòng)臺(tái)測(cè)量的地震計(jì)參數(shù)不確定評(píng)定結(jié)果序號(hào)測(cè)量項(xiàng)目不確定度(k=2)/%1靈敏度1.0322最大橫向幅值靈敏度比0.0123最大觀測(cè)速度——4靈敏度幅值響應(yīng)波動(dòng)1.0325幅值線性度偏差0.0442電信號(hào)測(cè)量項(xiàng)目不確定度評(píng)定2.1概述實(shí)驗(yàn)室：中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)地震局地球物理研究所地震儀器測(cè)試與質(zhì)檢中心主要實(shí)驗(yàn)樣機(jī)：GL-CS60、ITC-60A寬頻帶地震計(jì)，STS-2.5甚寬帶地震計(jì)。環(huán)境條件：23.5℃，36.5%RH。主要測(cè)量設(shè)備：GL-24GN地震數(shù)據(jù)采集器、DS360信號(hào)發(fā)生器。被測(cè)地震計(jì)安放在穩(wěn)固、振動(dòng)干擾較小的平臺(tái)上或地面上。信號(hào)發(fā)生器（或：地震數(shù)據(jù)采集內(nèi)置校準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器）的輸出端連接到被檢地震計(jì)的標(biāo)定裝置驅(qū)動(dòng)線圈。2.2固有周期和阻尼系數(shù)測(cè)量不確定度評(píng)定2.2.1測(cè)量方法信號(hào)發(fā)生器向校準(zhǔn)線圈發(fā)送階躍信號(hào)，地震數(shù)據(jù)采集器記錄地震計(jì)的輸出信號(hào)，利用記錄的地震計(jì)階躍幅值響應(yīng)擬合，得到地震計(jì)的固有周期和祖尼系數(shù)。2.2.2固有周期和阻尼系數(shù)計(jì)算模型可以推導(dǎo)出地震計(jì)階躍響應(yīng)得振幅譜可以表示為(4)式。(4)式中：A(ω)——階躍響應(yīng)振幅譜，（m/s)/Hzω——角頻率,rad/sb、c——待求系數(shù)，a僅與階躍響應(yīng)幅度有關(guān)，b與自振周期和阻尼系數(shù)的關(guān)系，b與固有周期和阻尼系數(shù)有關(guān)系，c與固有周期有關(guān)T0——地震計(jì)固有周期D0——地震計(jì)阻尼系數(shù)2.2.3影響測(cè)試結(jié)果的不確定度分量地震計(jì)階躍響應(yīng)振幅譜的絕對(duì)響應(yīng)幅值對(duì)測(cè)量固有周期和阻尼系數(shù)沒有影響，影響測(cè)試結(jié)果不確定度因素主要包括信號(hào)發(fā)生產(chǎn)生的階躍信號(hào)的上升時(shí)間、階躍水平的穩(wěn)定度和環(huán)境噪聲。考慮到現(xiàn)在信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的階躍信號(hào)上升時(shí)間達(dá)到ns級(jí)、電路維持電平的穩(wěn)定度優(yōu)于10-6量級(jí)，階躍信號(hào)本身引起不確定度對(duì)地震計(jì)固有周期和阻尼系數(shù)測(cè)量可以忽略不計(jì)，主要的考慮來(lái)自環(huán)境振動(dòng)。2.2.4影響測(cè)試結(jié)果的不確定度分量評(píng)定環(huán)境振動(dòng)影響通過(guò)實(shí)際測(cè)試的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，三家實(shí)驗(yàn)室的10次重復(fù)測(cè)量的固有周期最大相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為：0.02%，阻尼系數(shù)最大相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為：0.11%，分別作為其標(biāo)準(zhǔn)不確定度。2.2.5擴(kuò)展不確定度評(píng)定因?yàn)橹挥幸粋€(gè)影響測(cè)量結(jié)果不確定的分量，故認(rèn)為固有周期、阻尼系數(shù)測(cè)量不確定度評(píng)定就是環(huán)境影響的分量不確定度，按包含因子2計(jì)算得到的固有周期、阻尼系數(shù)擴(kuò)展不確定結(jié)果見表3。表3固有周期、阻尼系數(shù)擴(kuò)展不確定度評(píng)定結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)不確定度/%擴(kuò)展不確定度(K=2)/%固有周期0.020.04阻尼系數(shù)0.110.223寧?kù)o硐室自噪聲測(cè)量項(xiàng)目不確定度評(píng)定3.1實(shí)驗(yàn)概述實(shí)驗(yàn)室：中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)地震局地球物理研究所地震儀器測(cè)試與質(zhì)檢中心主要實(shí)驗(yàn)樣機(jī)：GL-WS120、JS-120、STS-2.5甚寬帶地震計(jì)。測(cè)試環(huán)境：分別為中國(guó)地震局地球物理研究所白家疃地震臺(tái)寧?kù)o硐室、山東馬陵山國(guó)家比測(cè)基地觀測(cè)寧?kù)o硐室，都符合《地表地震計(jì)檢定規(guī)程征求意見稿》規(guī)定自噪聲測(cè)量環(huán)境條件。主要測(cè)量設(shè)備：GL-24GN地震數(shù)據(jù)采集器。被測(cè)地震計(jì)安裝寧?kù)o硐室內(nèi)儀器平臺(tái)上，地震計(jì)單獨(dú)防護(hù)，連接到地震數(shù)據(jù)采集器，連續(xù)觀測(cè)記錄3個(gè)月以上。取得觀測(cè)數(shù)據(jù)后，按規(guī)程規(guī)定的計(jì)算方法處理數(shù)據(jù)得到地震計(jì)的自噪聲。3.2影響測(cè)量結(jié)果的不確定因素分析地震計(jì)自噪聲測(cè)量可能受到地震數(shù)據(jù)采集器噪聲的影響、儀器對(duì)齊誤差、環(huán)境干擾的影響。就目前的技術(shù)而言，選擇目前的高水平地震數(shù)據(jù)采集器，選擇合適的測(cè)量檔位，可以達(dá)到較好的地震計(jì)自噪聲測(cè)量效果。采用本檢定規(guī)程規(guī)定的測(cè)量方法，可以消除儀器對(duì)齊的影響，同時(shí)只要測(cè)量場(chǎng)地條件符合規(guī)程規(guī)定的自噪聲測(cè)量場(chǎng)地要求，算法可以消除環(huán)境干擾、安裝對(duì)齊誤差產(chǎn)生的影響。自噪聲檢定測(cè)量產(chǎn)出指標(biāo)有3個(gè)：長(zhǎng)周期自噪聲、短周期自噪聲。3.3地震計(jì)自噪聲測(cè)量不確定度確定綜上，按本規(guī)程規(guī)范操作，可以得到準(zhǔn)確的地震計(jì)自噪聲測(cè)量結(jié)果。但是因?yàn)樽栽肼暠旧硎且粋€(gè)本底，在此基礎(chǔ)上測(cè)量的波動(dòng)與本底是同一數(shù)量水平，采用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差看起來(lái)很大，并不合適，而用絕對(duì)值，波動(dòng)又會(huì)隨著自噪聲的變化而變化，要確定地震自噪聲相關(guān)的測(cè)量不確定度目前來(lái)看還比較困難。表4給出三家實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到長(zhǎng)周期自噪聲、短周期自噪聲、動(dòng)態(tài)范圍均值和的標(biāo)準(zhǔn)差。本報(bào)告暫不做不確定評(píng)價(jià)表4多家實(shí)驗(yàn)室測(cè)量得到的地震計(jì)自噪聲數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果測(cè)量項(xiàng)目分向預(yù)測(cè)所一測(cè)地球所均值標(biāo)準(zhǔn)差均值標(biāo)準(zhǔn)差均值標(biāo)準(zhǔn)差長(zhǎng)周期自噪聲

/(m2s-4Hz-1)Z2.12E-194.80E-201.83E-192.19E-202.29E-194.35E-20X2