GL- CS120 型地震计在永安下渡基准站的应用分析

张宝剑，黄鹤凌，陈 东

（福建省地震局，福建福州）

三分向小型甚宽频带地震计GL-CS120 由3 个沿圆周均匀分布的完全相同的倾斜悬挂摆组成，内置力平衡电子反馈电路、坐标变换电路、控制电路等。该型地震计的功耗仅有0.7 W，频带范围120 s～80 Hz，仪器自身噪声在40 s～10 Hz 的频带内低于最新地球最小噪声模型；而且易于安装，通过双定向指针保证定向精度，上电自动开摆、调零，断电自动锁摆。该型地震计还具有自动零位监测功能，长期观测中当摆锤位置偏出较大时自动调零，保证正常工作。可远程控制开摆、调零、标定、锁摆，及查询地震计零点。

1 内部结构

地震计，或称拾震器，是接收地面运动的一种传感器[1]。为了观测地球各个方向的运动，集成了北南向（NS），东西向（EW）和垂直向（UD）三个单分向的地震计到一套设备内，是近一个世纪以来行业内标准的做法；然而，由于垂直向地震计和水平向地震计在结构上的差异，造成他们之间传递函数很难做一致。一种新的做法如图1 所示，使用三个相同结构的传感器，使三个传感器传感轴与垂直向夹角为54.7°，构成一个三分向地震计。GL-CS120 的几何结构如图1 所示。

图1 GL-CS120 三轴对称结构示意

2 安装

三分向小型甚宽频带地震计GL-120 的频带覆盖了从短周期（80 Hz）至宽频带（120 s）的范围，要求安装环境应能满足观测短周期、中长周期地震波的观测条件：

（1） 安装台面应构建在完整的基岩上，表面平整无尘。

（2） 防止和减少气流扰动，避开人为振动冲击和大的声波冲击的影响。

（3） 周围不应该存在其他可能产生交变磁场的设备，以防止变化的磁场对地震计产生影响、引入噪声甚至妨碍正常的观测。

2.1 安装和定方位

安装之前需要参照相关行业规范及标准选择观测台址，并提前在安装台面（建议安装台面与水平面夹角不大于±3°）上画好一条南北方向的直线作为方位基准线。

将穿好保温罩的GL-120 放置到安装台面，使其顶盖上的方位标识的箭头方向指向地理北，然后平移并旋转地震计，使仪器底座上的两个定位箭头与安装台面上的基准线重合。调节GL-120 的底脚螺丝，同时观察水平泡，使气泡处于水平泡中央位置。之后再次检查底部的定位箭头是否与方位基准线重合。确保地震计方位和水平均满足安装要求后，逆时针拧紧底脚锁紧环，锁紧底脚螺丝，即可完成GL-120 的放置与定方位。方位角作为数据质量的一部分，需要我们对其准确性进行及时监控，并反馈给台站维护人员进行现场的校核和校正[2]。为了观测数据质量，减少不必要的外界干扰，建议使用专用保温罩和防潮隔离罩对GL-120 进行防护与隔离，并将电缆的悬空部分与仪器本体捆绑固定，以减少电缆晃动引起的数据异常。需要采取必要措施，如：摆房需采取多层保温材料与防气流扰动的密封处理，保持室内常年恒温；地震计需加盖填充式保温罩等措施[3]。

2.2 连接GL-120 与数据采集器

依照数据采集器的使用说明正确连接电源线、数据线及GPS 线等，开启外部电源使数据采集器启动，打开与数据采集器连接的笔记本电脑，实时监测GL-120 的输出波形。使用专用线缆连接GL-CS120和数据采集器。为保证内部储能装置充分充电，地震计将在正确连接电缆并供电2 min 后自动执行开摆、调零流程，无需人为操作。整个调零过程需要几分钟时间，最长不超过20 min。需要注意的是，调零过程中为避免不必要的损害请不要移动地震计，也不要通过数据采集器向地震计发送任何控制指令和标定新型号。

3 运行情况检查

3.1 检查机械零位

GL-CS120 具有零位信息实时输出功能，将三根零位监控线（VLP_U+，VLP_V+，VLP_W+，）与具有对应接收功能的数据采集器对接，便可远程查询地震计机械零点位置信息。当发现地震计零位发生偏移时，可通过数据采集器发出调零控制命令，实现远程调零，提高维护效率。同时地震计自身也具有零位监测功能，当地震计零位超出一定范围时，地震计自动启动调零，从而保证仪器正常工作。

3.2 标定

地震计的技术指标取决于周期、阻尼、灵敏度等参数。这些参数在仪器运行过程中会随着仪器元件的老化，或者受到温度等因素的影响而有所变化。若不及时了解这种变化，将降低地震计输出结果的可信度[5]。GL-CS120 的三分向传感器各自具有独立的标定线圈，用于检查或测试地震计的工作状态和基本性能。

常用的标定有两种：脉冲标定和正弦标定。脉冲标定用来检测地震计的等效自振周期和阻尼，正弦标定用来检测地震计的幅频特性。在发送标定信号之前，需要通过数据采集器向GL-CS120 发出“标定使能”命令，从而打开标定功能。GL-CS120 会连通标定回路，并将输出信号自动切换为UVW 输出；在标定结束后，应通过数据采集器向GL-CS120 发出“标定结束”的命令，GL-CS120 会切断标定回路，并将输出信号自动切换XYZ 输出，恢复正常记录状态。其正弦标定参数如表1 所示。

表1 GL-CS120 正弦标定频点参数

采用EDSP-icheck125 软件对正弦标定数据进行处理，从幅频响应（见图2）可以看出，在其工作频率区间，曲线非常平坦，而且其三分向也非常的一致，这反应出GL-CS120 的良好的一致性和稳定性。

图2 正弦标定幅频响应

3.3 回收

GL-CS120 具有断电自动锁摆功能，但需要注意的是，地震计通电时间大于2 min 的条件下，此功能是可靠的。为保证可靠锁摆，断电时请将电缆线的航空插头从地震计端彻底移除。请勿上电后立即断电，此操作可能导致摆体无法可靠锁摆，造成搬运过程中的损坏。

4 反馈原理

采用位移换能器构成的力平衡机械——电子一体化反馈系统是实现宽频带、大动态地震计的经典技术[4]。三分向小型宽频带地震计GL-120 是机械、电子相互耦合的系统，采用力平衡式电子- 机械一体化反馈系统，实现了宽频带、大动态范围的记录要求。

当地面运动传递到地震计框架后，位移换能器将摆锤相对于框架的位移变化转换为电压量，该信号经放大、检波、积分放大后，通过反馈网络电路产生与地动加速度成比例的电流。该电流驱动处于封闭磁钢的反馈线圈，从而产生与摆锤惯性力相平衡的力。反馈电路由积分、微分、比例三条支路构成，地震计的闭环传递函数主要由反馈网络决定。三分向传感器（UVW）的信号输出与地动速度成正比，经坐标变换后，实现了东西、北南、垂直正交信号（ZXY）的转换。同时，三分向传感器的输出信号连接于积分器电路，积分器的输出与传感器的零位位移成正比，该接口与数据采集器相连，实现了远程地震计零点查询功能。

5 地震记录

GL-120 地震计在永安下渡基准站安装运行以后，记录了大量的国内外地震资料，例如福建漳州东山县海域2023 年10 月23 日凌晨3 时发生的4.9 级地震，震中距离永安下渡基准站大约300 km，数据完整、可靠，地震波高频成分丰富，地震波记录线性良好，震相清晰可读取。具体记录如图3 所示。

图3 2023 年10 月23 日福建漳州东山县海域地震

6 结论

自安装运行以来，仪器各项参数稳定，故障率低。这体现了GL-120 地震计高性能的特点，受益于其倾斜悬挂的摆体结构，支撑摆锤所需的力相对于垂直向摆体要小得多，对于相同质量的摆锤可以采用面积更小的弹性簧片，使得机械结构的皮实程度更高、抗外界冲击能力更强。另外，由于悬挂簧片面积小了，受外界磁场变化的影响更小、抗环境干扰能力更强。这些特点正符合了国家地震烈度速报与预警工程的高精度、高稳定性的需要。