不同型号地震烈度仪振动测试对比分析

曾 均，赵寅甫，胡 耀

（四川省地震局，四川 成都 610041）

随着四川省“国家地震烈度速报与预警工程”项目台站建设的完成，建成了由基准站、基本站和一般站构成的间距在10～15 km 的高密度综合地震观测网络，部署了地震预警与烈度速报技术系统，形成了完善的地震预警能力和基于乡镇实测值的烈度速报能力（金星，2021）。与四川省数字地震台网固定台站采用的宽频带地震计、大动态范围的24 位数据采集器（谢江涛等，2021）和临时流动地震台站采用的便携式一体化短周期地震计（谢江涛等，2019）不同，该项目的一般站均是采用了基于MEMS 芯片传感器的地震烈度仪，选择通信铁塔站点的机房作为观测场地，部分台站的烈度仪固定在一个不高于地面30 cm 的墙体上（江鹏等，2021）。与传统的力平衡地震仪器相比，MEMS 地震烈度仪具有成本低、体积小等优点，适合大面积架设台站，能有效地提升重点区域的地震监测能力。通过噪声分析和震动波形分析发现，当地震动振幅达到一定水平时，MEMS 加速度计所记录的波形与传统强震仪基本吻合，其数据的幅频特性和传统加速度计也基本一致（王浩等，2013）。但MEMS 烈度仪确实存在灵敏度较差和运行相对不稳定等缺点。近年来多位研究者通过不同方法分析地震仪器的性能特征，比如李兴泉等（2020）利用相干性分析方法对BBVS-60 型和CMG-3ESPC 型两种地震计进行了对比分析；龙剑峰等（2021）利用RMS 值和噪声功率谱对MI 3000 型和GL-P2C型两种型号烈度仪进行了对比分析。四川省地震局建成的超低频振动平台系统技术指标达到国内先进水平，能够满足地震仪器的检定要求（王余伟等 ，2017），该平台系统可以提供不同频率、不同幅值的振动信号，获得烈度仪的输出响应。本研究利用超低频振动平台系统，对GL-P2B和TMA-33两种烈度仪进行振动测试，对比分析两种烈度仪在线性特性和幅频百分比两方面的差异，拟解决台站日常运维管理中不同型号烈度仪在数据质量以及仪器稳定性方面存在的差异问题。

1 研究方法及数据

1.1 研究方法

地震烈度仪作为当下地震观测站网主要运行仪器，其在地震烈度速报与预警信息产出中发挥着重要作用，当地震震级达到一定水平后，烈度仪测出的仪器烈度结果和强震动仪的结果一致（白立新等，2019）。本文研究的两种烈度仪分别是北京港震机电技术有限公司研制的GL-P2B 型和珠海市泰德企业有限公司研制的TMA-33 型，两种烈度仪主要参数指标有：（1）三分向量程为4 g。（2）幅频特性（GL-P2B 为-0.5～0.5 dB（0～60 Hz）；TMA-33 为-0.5～0.5 dB（0.1～20 Hz）或-3～1 dB（20～40 Hz））。（3）标准灵敏度为500 count／gal。

超低频振动平台能产生各种振幅、频率的振动，是检测和研究振动传感器各项参数最直接的实验平台（王余伟等，2017）。该平台包括垂直振动平台、水平振动平台、激光测振仪、数据采集及处理系统。在此次测试过程中，环境温度均控制在20 ℃～25 ℃，消除温度变化等因素的影响。水平振动平台示意图如图1所示。

1.2 研究内容

本研究主要针对仪器的线性特性和幅频百分比开展的测试。为保持与烈度仪实际的观测运行标准一致，更好地模拟仪器真实的观测运行环境，测试前搭建了jopens6.05 软件系统，以实现两套烈度仪的测试数据收集与存储；为达到对测试数据深入分析的目的，同时使用配套MSDP 软件完成记录波形的振幅量取，且在测量过程中烈度仪运行采样率参数均设置为100 Hz。因该平台装置台面范围的局限性，两个烈度仪需要进行独立测量，且各个分向也是逐一进行测量的，所涉及到的幅值单位为重力加速度。

线性特性测试前根据地震波的有效频段以及仪器的有效频带范围，选取最优的振动平台系统输入信号的频率为10 Hz，根据烈度仪的量程，选取了5 个不同振幅值的输入信号，对每个振幅值依次进行测量。幅频百分比测试则是在输入不同频率振动信号下烈度仪的输出响应，测量选取9 个不同输入信号的频率：1、5、10、15、20、30、35、39 和65 Hz，对每个频率依次进行响应结果测量。

1.3 测试过程及数据处理

超低频振动平台系统中的激光测振仪用来定量检测仪器台面的振动幅度。在平台测试系统充分预热后开始测试，具体步骤为：第一步，使用被测烈度仪测试记录振动平台台面噪声，并分析计算台面噪声功率谱；第二步，在振动台上按照预先选取的参数进行测试，每个测点需要保存烈度仪输出响应数据文件，数据文件的有效记录长度均大于4 min；第三步，每个仪器的各个分向独立进行第2 步，直到两个烈度仪所有分向测试完毕；第四步，整理烈度仪输出响应数据，每个测量点读取3 次不同时段的最大幅值，取平均值做为烈度仪在该测量点上的输出响应值。

在进行线性特性测试前，在烈度仪量程范围内选取5 个幅值进行测试，对某一个测试点（i）的幅值（x）测量N 次，从超低频振动平台系统中可直接获得该测试点的振动平台输出信号平均幅值（¯xi），即烈度仪的输入值，烈度仪的输出响应幅值为yij（i、j=1，2，3，…，n），并量取计算数据组yij的平均值（¯yi）；对选择的每一个幅值进行多次测量，可得输入值幅值（x）的集合（xi）和输出值（y）的集合（yi）。输出值量取后对其进行去均值化处理，以消去烈度仪各分向零点偏移对测试结果造成的影响。测试结果数据见表1。由拟合原理可知，输出值y 和输入值x 的线性拟合关系为y=ax+b；记¯x 和¯y 分别为集合（xi）和（yi）的均值，则a 和b 的值可以由公式（1）和（2）获得。

表1 GL-P2 B 和TMA-33 型烈度仪线性测试数据

线性偏差计算公式为：

设FS 为满度值，则线性度误差Ei为：

幅频百分比测试共选取9 个测试频率点，对每一个频率点（i）的幅值（x）测量n 次，从超低频振动平台系统可直接获得该频率点的振动平台输入信号平均幅值（¯xi），而烈度仪对应的输出响应幅值为yij（i、j=1，2，3，…，n），并量取计算数据组（yij）的平均值（¯yi）；对选择的每一个频率点进行多次测量。输出值（¯yi）量取后对其进行去均值化处理。则该频率点的误差百分比δ可由公式（5）获得。根据以上方法进行取数及数据计算处理，其测试结果数据见表2。

表2 GL-P2 B 和TMA-33 型烈度仪幅频测试数据

2 结果分析

2.1 线性特性分析

对超低频振动平台系统不同测试点的平均输入幅值（即为烈度仪的输入值）和烈度仪的输出响应平均幅值进行线性拟合，拟合结果见表3。

表3 两种烈度仪线性特性测试拟合分析结果

由表3 的测试分析结果可知，GL-P2B 型烈度仪三个分向上的线性度误差平均值为0.17%，TMA-33 型烈度仪的线性度误差均值是前者的2 倍，其均值为0.33%。而从各个分向分析结果可以明显看出两种仪器存在差异，在EW 向，GL-P2B 的线性度误差为0.25%，TMA-33 为0.44%，前者是后者的55%；在NS 向，GL-P2B 的线性度误差为0.20%，TMA-33 为0.32%，前者是后者的60%；在UD 向，GL-P2B 的线性度误差为0.05%，TMA-33 为0.24%，前者是后者的20%。由线性度误差分析结果可知GL-P2B 的线性特性明显优于TMA-33。烈度仪UD 向的线性度误差水平要明显小于EW 向和NS 向，两个水平分向之间的线性度误差相差不大。

图2 为两种仪器在各个分向测试数据的线性拟合结果，图中添加了y=x 的标准方程作为参考曲线。从拟合结果进行分析对比可知，在三个分向上GL-P2B 的拟合曲线相较于TMA-33 更加趋近标准方程，尤其是在NS 和UD 两个分向上更为明显，在这两个分向上GL-P2B 的拟合曲线斜率分别为1.012 5 和1.016 9，与标准曲线斜率的差值远小于TMA-33 在这两个分向上的测试拟合结果。由线性度误差和线性拟合结果综合分析可知，GL-P2B 的线性特性要优于TMA-33。

图2 两种仪器在EW（a）、NS（b）、UD（c）方向的线性度拟合曲线

2.2 幅频误差分析

根据奈奎斯特（Nyquist）采样定理，65 Hz 输入信号频率已超过烈度仪自身采样频率（100 Hz）的一半，且65 Hz 也远超出地震波的有效频率范围，故此频率点测试结果不再做讨论。图3 是两种仪器在1～39 Hz 范围内输出值的误差百分比。从图中可明显看出，两种烈度仪在某些频率点上的误差百分比均存在较大差异，GL-P2B 在各频率点上的误差百分比结果相对收敛，大致位于4%以下；而TMA-33 在各频率点上的误差百分比结果则较为分散，主要呈现出随频率增大，误差百分比值变大的趋势。从不同频率点区间分析可知，在1～20 Hz 范围内，两种仪器的误差百分比相差不大，最大值相差了5%；当振动平台输出信号频率大于20 Hz 时，两种仪器则呈现不同的结果，TMA-33 的NS 和UD 两个分向呈现出误差百分比值随着频率增大而增大的趋势，在测试频率点39 Hz 时，两个分向的误差百分比约为25%，EW 向的误差百分比则是在测试频率点30 Hz 后开始随着频率增大而增大；GL-P2B 在1～39 Hz 范围内的误差百分比基本保持在3%以下。由此可见GL-P2B 在不同频率的输入条件下，其仪器稳定性要优于TMA-33。

图3 两种仪器在EW（a）、NS（b）、UD（c）方向的幅频百分比分析结果

3 结论

本研究选取目前广泛使用的两种烈度仪做对比分析研究，利用超低频振动平台对比分析两种烈度仪的线性特性和幅频百分比的差异，通过对比分析得到以下结论：

（1）在输入信号为10 Hz 的线性测试中，两种烈度仪的输出响应与输入之间均具有良好的线性关系；从线性度误差以及线性拟合结果来看，GL-P2B 在各个分向上的线性度误差均小于TMA-33，其线性拟合方程与标准方程一致性也更好。

（2）幅频百分比测试中，两种烈度仪在1～20 Hz 的测试频率点上，其误差百分比无太大差距，大约处于5%以下的水平，但是当测试频率大于20 Hz 以后，则呈现出完全不同的走势；GL-P2B 随着测试信号频率增加，其误差百分比还是处于相对较低的水平，均位于4%以下，而TMA-33 则是随着测试信号频率的增加，其误差百分比呈现出逐渐增大的趋势；在整个测试频率段内，GL-P2B 稳定性要优于TMA-33。

由于条件有限，本研究振动测试分析只针对线性特性和幅频百分比两方面展开，且本次研究使用的仪器数偏少，所得出的分析结果只针对所选取测试的两台烈度仪。今后在增加仪器数的前提下，可在噪声、环境温差等相关指标上继续深入探讨，以获得更加全面深入的分析结果。