河北遥测台网FBS－3B地震计工作周期和阻尼变化的特点及原因分析

刘 新，毛国良，李小军，董一兵，张墨思

（1.中国科学技术大学 地球和空间科学学院，合肥 230026；2.河北省地震局，石家庄 050022；3.河北省地震局秦皇岛中心台，秦皇岛 066100）

0 引言

FBS－3B宽带地震计使用速度反馈技术，标称工作周期为20s，标称阻尼为0.707。地震计作为机电一体化的产品，经过长时间的运行，器件会发生不同程度的老化，工作环境也会受到外界的影响，工作周期和阻尼等各项参数会发生不同程度的偏移变化，并且会呈现出一定的规律性，这种偏移变化会对地震计的输出精度和幅频特性等造成一定影响。

1 工作周期和阻尼的测定原理

1.1 地震计阻尼常数的测定［1］

地震计阻尼常数的测量方法是利用地震计的阶跃响应记录（脉冲标定波形），采用测量脉冲标定波形的幅度来计算地震计阻尼。

由摆的自由衰减过程可以知道，摆自由衰减振动的幅度y和系统的阻尼Ds的关系，可以用半个周期（即T1／2时间）中2个相邻的振幅比ν来表示：

式（1）中：yk是自由衰减振动第k个峰值幅度，yk＋1是第k＋1个峰值幅度。为了便于计算，做如下的变换：

图1 阶跃标定响应曲线图

从（2）式得出：

用以10为底的对数计算，引入

于是得出地震计系统的阻尼：

从图1中脉冲标定波形可以看出，随着阻尼的变大，y2值变小。在数字地震记录波形上可以比较准确地测量y1和y2值，并计算出阻尼值Ds。

1.2 地震计周期的测定

地震计周期分为工作周期和固有周期（自振周期），工作周期的测定可以采取直接测量T1／2的周期，如图1所示。从摆的运动方程可以知道衰减振动的阻尼Ds＜1，衰减运动的周期是：

式中：Ts＝2π／ω是摆的固有周期（自振周期）［1］。从（6）式可以看出，有阻尼衰减运动的周期T1比摆的固有周期Ts（自振周期）大，即在0＜Ds＜1时，T1＞Ts。只有当Ds＝0时，摆的自由振动才是没有衰减的，即T1＝Ts。在实际工作中地震计的有阻尼周期T1／2可以测量，然后用以上公式计算出地震计的固有周期Ts。

1.3 变化率的计算

2 工作周期和阻尼的年度变化与分析

2.1 标定数据的统计

选取 从2010年1月—2011年12月 近2年 的标定数据进行统计计算，得出地震台站地震计的工作周期和阻尼变化情况并做出年度曲线图。经分析比较，承德台工作稳定，变化最小，作为正常台站和其他台站进行对比和参考；岗南、行唐和元氏3个台站工作周期和阻尼年度变化最大，规律特征比较明显。台站具体情况如表1，工作周期和阻尼年度变化如表2～3和图2～7。

表1 台站概况

表2 承德台工作周期和阻尼偏差

图2 承德阻尼与周期变化率

表3 岗南、行唐和元氏台工作周期和阻尼偏差

2.2 工作周期和阻尼变化的特点

由表2和图2可知，承德台的工作周期和阻尼最大偏移不超5%，工作稳定；由表3和图3～5可知：岗南、行唐和元氏3个台站工作周期和阻尼偏移变化非常大，并且不是单方向漂移，而是呈现季节性往复变化，尤其是在春夏和秋冬冷热交替变化的季节，工作周期和阻尼变化最为剧烈，三个分向中垂直向工作周期和阻尼变化最大，最大达到20%以上，两个水平向相对比较稳定，地震计三分向工作周期和阻尼变化规律呈现出一定的相似性，工作周期和阻尼变化的趋势方向基本相同。

图3 岗南阻尼与周期变化率

图4 行唐阻尼与周期变化率

图5 元氏阻尼与周期变化率

2.3 工作周期和阻尼变化的原因分析

河北台网用FBS－3B 地震计的台站多位于山区，台基为地表基岩，地震计安装时未做保温措施，台站房屋保温条件较差，外界气候的变化对地震计的影响较大，从统计数字和图中可以得到验证，温差变化较大的月份（7月、11月），没有保温措施的台站工作周期和阻尼会上下突跳，实际检修过程中会发现摆锤明显偏移；由于承德台位于受外界影响较小的山洞中，地震计工作周期和阻尼偏差小，工作相对稳定。

地震计阻尼包括2个部分：由于机械构造和传感器运动的空气摩擦造成的机械阻尼D1，（也称为开路阻尼）和由于反馈网络中阻尼线圈的电流造成的阻尼D2，总阻尼D＝D1＋D2。地震计的关键电容电阻的精度至少应达到0.5%，所以由关键元器件引起的工作周期和阻尼偏差也应该在这个水平，故电子线路的影响概率是较小的，即D2 的影响是很小的且是单方向漂移的，但如果出现关键元器件损坏（尤其是反馈网络的温度补偿电路）就会造成工作周期和阻尼的较大偏差［2－4］。机械阻尼一般不应该改变，其值的范围通常是很低的，由摆体的具体结构决定，但在地震计的生产装配过程中存在工艺问题和地震计的弹性簧片温度系数等技术参数不过关因素，会造成机械阻尼容易受外界环境的影响，即D1变化率较大，呈现出双向漂移，机械阻尼的变化是造成工作周期和阻尼偏移的主要原因。垂直向偏移变化大于水平向的原因主要是摆体结构造成的，垂直向所用簧片受温度影响较大，水平向没有此簧片。

3 工作周期和阻尼的变化对幅频特性的影响

FBS－3B地震计工作周期和阻尼的偏差必然会对地震计的幅频特性产生一定影响，图6～7是工作周期和阻尼最大偏差与标称值下的幅频特性的对比示意图。当工作周期和阻尼变化较大时，地震计的频带监测范围会发生偏移，在低频段区域的偏移变化最大，而这个频段是面波发育阶段，这将对面波等长周期地震波观测精度带来一定影响，造成地震观测资料的不稳定。

图6 周期偏差的幅频特性响应曲线图

图7 工作阻尼偏差的幅频特性响应曲线图

4 认识与讨论

地震观测最基本的功能是获得宽频带、大动态范围的数字地震记录，并运用这些记录测出不同震源模型下的各种运动学与动力学参数，为地震学研究和地震预报研究提供基础数据［5］。地震计是地震观测中最重要的设备之一，其工作性能直接影响地震基础数据的质量。经过长时间运行，河北一些台站FBS－3B地震计的工作周期和阻尼与标称值之间存在一定波动偏差，这个偏差的大小受多种因素的影响，尤其受温度的影响较大。减小偏差是需要解决的问题，可以从地震计制作工艺、结构设计、地震计外部工作环境（保温）等多个方面提高地震计的工作稳定性，甚至更新设备来提高地震台站观测数据的质量。

［1］ 北京港震机电技术有限公司.数字地震仪参数测定软件使用说明书.

［2］ 杨晓源，王翠芳，戴世贵，等.地震观测传递函数的精度问题.地震地磁观测与研究，2010，31（6）：32－39.

［3］ 中国地震局监测预报司.数字地震观测技术［M］.北京：地震出版社，2003：1－2.

［4］ 潘振生，陈向东.阿克苏中心地震台数字地震观测系统常见故障及处理方法［J］.华北地震科学，2011，29（3）：61－64.

［5］ 李小军，李庆武，李冬圣，等.UPS设备对测震台站信号影响的分析［J］.华北地震科学，2012，30（3）：19－21.