刘林飞,宫卓宏,梁向军,殷伟伟,高云峰

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地震观测仪器的运行状态直接影响产出数据的连续性与可靠性。山西数字测震台网已运行多年，台站观测设备老化，仪器故障逐年增多，要求提高维护人员对仪器设备故障的早期判断力，以便及时排除故障，减少观测仪器的断记率，保证仪器设备的正常运转。

在地震观测系统中，地震计是检测地震信号的关键设备,其工作性能、状态直接影响地震观测数据的质量。地震计作为机电一体化的高精密仪器，经过长时间连续工作及受工作环境等外界因素的影响，设备内部的机械部分易出现弹簧变形、电子元器件老化和线圈的灵敏度改变，对地震计工作周期和阻尼等各项性能参数造成不同程度的变化，影响其性能。在仪器日常维护中，必须定期对地震计进行脉冲标定检测,将标定结果与出厂标准参数作对比分析，检查地震计的工作稳定性，及时发现异常状态，做好测震台网运行维护保障工作，为地球物理学研究和地震监测预测提供可靠的观测数据。

1 地震计工作周期和阻尼的测定原理(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，2008．

1.1 地震计阻尼常数的测定[1-2]

地震计阻尼常数的测量方法是应用地震计的阶跃响应记录脉冲标定波形，通过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和系统阻尼D的关系，可以用半个周期(即T1/2时间)中2个相邻的振幅比v来表示：

(1)

式中：yk为自由衰减振动第k个峰值幅度;yk+1是第k+1个峰值幅度。为便于计算，做如下的变换：

(2)

从(2)式得出：

(3)

用以10为底的对数计算，引入

λ10=lgv=λlge，

(4)

得出地震计系统的阻尼为：

(5)

从第39页图1中脉冲标定波形看出，随着阻尼的变大，y2值在变小。在数字地震波形记录上，可以较准确地测量y1和y2的值，并计算出阻尼值DS。

1.2 地震计周期的测定原理[1-2]

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(见图1)。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：

(6)

图1 脉冲标定响应曲线图Fig.1 Pulse calibration response curve

(7)

式中：TS=2π/ω为摆的固有周期。从式(6)可以看出，有阻尼衰减运动的周期T1要比摆的固有周期(自振周期)大，即在0TS。只有当DS=0时，摆的自由振动是无衰减的，即T1=TS。所以，可通过测量有阻尼衰减运动的周期，用上述公式计算出摆的固有周期TS。

1.3 地震计周期和阻尼变化率的计算

(8)

(9)

2 地震计工作周期和阻尼的年度变化分析研究

2.1 台站标定资料选取

山西数字测震台网由32个台站组成，其中,28个台站采用宽频带地震计，4个台站采用甚宽频带地震计，配套使用24位CMG-DM24、EDAS-24GN和EDAS-24IP数据采集器。选取时间范围从2016年1月至2018年11月的脉冲标定波形数据进行归纳分析，32个观测台站场地台基类型、地震计和数采配置等情况如表1所示。

2.2 脉冲标定方法计算结果统计分析

测震台站脉冲标定采用地震计和数据采集器等设备来实现。通常的方法是由数据采集器产生标定电流信号，输入到地震计的标定线圈产生模拟地面运动的信号，对记录到的信号通过传递函数求解得到地震计的周期和阻尼。通常采用地震计仪器厂家配套的标定软件对表1各台站进行脉冲标定，使用国内常用的EDSP-IAS或MSDP波形处理软件检查波形是否符合规范，再通过北京港震公司标定软件EDSP-CAL对截取的脉冲标定波形数据进行计算，统计分析标定结果，结合实际维护经验对各台站地震计的周期和阻尼值变化情况做细致研究。

表1 测震台站基本情况表Table 1 Basic information of seismic stations

为分析各台站地震计近几年的整体工作运行状况，研究各台站从2016年1月至2018年11月地震计的周期和阻尼年变化情况。选取安泽、代县、灵丘、太谷4个台站，对三年的脉冲标定波形进行计算，并绘制变化图(见第40页图2、图3)。从图中看出，周期和阻尼变化不大，周期稳定在60 s，阻尼稳定在0.707附近，符合仪器生产厂家的设定参数，表明地震计仪器运行状态稳定。

下面主要针对部分台站地震计存在的异常状态，选取具有代表性的故障进行举例，分析说明(见第40页图4～第41页图9)。

襄垣台属于地表型基岩观测场地，日温差变化大，从图4和图5看出，襄垣台BBVS-60宽频带地震计在此时间段的运行状态，地震计NS向周期值和阻尼值从2016年1月开始出现波动较大的现象，11月标定时地震计NS向数值异常，周期明显偏大，变化率最大达到13.48%；阻尼明显偏小，变化率最大达到19.60%。同时，UD向周期也明显偏小。NS向和UD向均超出规范要求，维护人员多次对地震计进行现场断电、重新加电、调零、锁摆、开摆、更换数采等操作后仍不能解决问题。于12月更换地震计，目前地震计工作状态稳定。通过与厂家维修人员联系，得知地震计故障由内部调零马达损坏及簧片老化等因素造成。

图2 周期年变化曲线图 图3 阻尼年变化曲线图Fig.2 Cycle annual change rateFig.3 Annual change rate of chart of Xiangyuan stationdamping at Xiangyuan station

图4 襄垣台周期年变化率图Fig.4 Cycle annual change rate chart of Xiangyuan station

图5 襄垣台阻尼年变化率图Fig.5 Annual change rate chart of Xiangyuan station damping

长治台为地表型基岩观测场地，观测仪器配置BBVS-60宽频带地震计，受温度变化影响较大。地震计工作周期和阻尼年变化如图6、图7所示，在2016年1月开始出现三个分向标定周期偏大，变化率最大达到3.6%，周期和阻尼变化在正常范围之内。在2017年1至2月脉冲标定时，三个分向阻尼变化率最大达到6.65%，周期虽处在正常变化范围，分析认为仪器处于隐形带病工作的不稳定状态。3月后脉冲标定结果正常，表明仪器暂时工作正常，但处于非稳定状态，因备件库无同型号的地震计，所以继续使用。当备件库有该型号的地震计后，在2018年5月进行更换，脉冲标定计算结果显示周期和阻尼变化明显变小，地震计运行状态稳定。目前拆卸的地震计已寄回华北片区维修中心。

图6 长治台周期年变化率图Fig.6 Periodic annual change rate chart of Changzhi station

图7 长治台阻尼年变化率图Fig.7 Annual change rate of damping at Changzhi station

霍州台地震观测仪器配置CMG-3ESPC-60宽频带地震计，分别绘制周期和阻尼年变化图，从图8、图9看出，在2016年9月，地震计三个分向同步出现标定周期明显偏小，变化率最大达到15.02%；阻尼明显偏小，变化率最大达到40.30%，超出了规范要求。维护人员多次尝试对地震计进行现场断电、重新加电、调零、锁摆、开摆、更换新数采和通信单元等操作后，仍不能解决上述问题。有了备件后，在2017年4月更换地震计，目前地震计工作状态稳定。综合分析认为，台站周期和阻尼单方向漂移的原因可能为地震计使用时间较长，内部关键电子元器件老化。在2017年5月寄回华北片区维修中心，从英国仪器厂家反馈的维修记录来看故障原因基本一致。

图8 霍州台周期年变化率图Fig.8 Cycle annual change rate chart of Huozhou station

图9 霍州台阻尼年变化率图Fig.9 Annual change rate chart of Huozhou station damping

2.3 引起周期和阻尼变化的原因分析

山西数字测震台网的大部分台站建在山区且为地表型，观测室日温差变化较大，少数台站湿度较大。为解决地震计的保温和隔潮，定制了一批密封保温桶安装在台站，在一定程度上缓解了外界环境变化对仪器的影响，但仍有部分台站的地震计工作周期和阻尼出现在正常范围内的动态变化，个别台站的地震计工作周期和阻尼有上下突跳。少部分台站观测场地建在山洞中，基本不受外界环境影响，日温差较小，地震计工作状态相对稳定，周期和阻尼变化小。

山西数字测震台网使用力平衡电子反馈式地震计，反馈地震计阻尼主要由两部分组成[1-2],即机械结构和反馈网络阻尼。机械阻尼的变化一方面受摆的具体结构因素影响，在地震计制造商组装过程中存在技术问题和元件参数不过关[1-2]。如，地震计弹性簧片的温度系数变化大；机械阻尼另一方面易受外部环境的影响，表现为双向漂移。反馈网络产生的阻尼主要取决于内部电子元件的质量，通常对总阻尼变化的影响概率较小，且变化是单向漂移。如果发生关键电子元件(特别是反馈网络的温度补偿电路)的损坏，工作周期和阻尼偏差也会较大。一般认为，机械阻尼的变化是导致工作周期和阻尼偏移的主要原因[1-2]。

3 结论与讨论

通过对台站脉冲标定波形计算结果的统计分析，得出外部环境温湿度的变化和内部元件的老化会导致地震计周期和阻尼的变化。地表基岩台站受到的影响大于山洞台站。在平时脉冲标定中，如发现周期和阻尼存在双向漂移变化，则粗略地确定地震计故障是由外部环境的变化引起;如属于单向漂移变化，则考虑内部电子元器件老化和地震计机械部件等原因。

通过分析几次典型故障产生的原因，提出用定期脉冲标定方法来检测地震计工作状态的思路。在日常台网仪器运维中，使用此方法对台站地震计的工作状态进行预评估，可及时发现存在异常的地震计，减少由突发故障导致观测数据断记，提高台网运行率，产出高质量的观测数据。同时，研究结果也为测震台站维护人员提供一些可借鉴的经验。