研究校正儀器的相應(yīng)誤差
對(duì)模擬強(qiáng)震儀系統(tǒng)的儀器高頻誤差校正，美國(guó)學(xué)者M(jìn).D.Trifunac，等作過(guò)研究，我國(guó)學(xué)者謝禮立等對(duì)電流計(jì)和直接光記錄式加速度計(jì)的模擬強(qiáng)震儀系統(tǒng)也作過(guò)研究。近年來(lái)，對(duì)數(shù)字強(qiáng)震儀系統(tǒng)的儀器高頻誤差進(jìn)行過(guò)研究。本文通過(guò)對(duì)力平衡加速度計(jì)的儀器響應(yīng)失真和誤差進(jìn)行分析，提出了一個(gè)校正這類誤差的處理方法（微分-微分方法），即對(duì)未校正記錄做低通濾波后運(yùn)用近似理想微分器做兩次微分得到校正加速度記錄，針對(duì)大亞灣核電站地震儀表系統(tǒng)（KIS）給出了儀器校正示例，并編制了相應(yīng)計(jì)算軟件。但是，需要指出的是近些年來(lái)美國(guó)和我國(guó)生產(chǎn)的力平衡加速度計(jì)儀器頻帶范圍通常為0至80Hz，高低頻響應(yīng)特性均優(yōu)于早期的力平衡加速度計(jì)。理論上認(rèn)為不作儀器頻率響應(yīng)失真校正處理就能滿足地震工程感興趣的頻率范圍要求。儀器響應(yīng)失真和誤差分析FBA-3傳感器傳遞函數(shù)對(duì)力平衡加速度計(jì)的工作原理不做詳細(xì)介紹，它與其它類型傳感器的差別在于它有一個(gè)電子反饋閉環(huán)，通過(guò)反饋閉環(huán)能夠調(diào)整和改變阻尼和自振頻率，能提供比一般的傳感器更寬的有效頻響范圍。但是它和其它儀器一樣，存在著儀器響應(yīng)誤差，即其記錄只能在一定頻段內(nèi)代表所測(cè)的振動(dòng)，超出這個(gè)頻段，儀器記錄將有嚴(yán)重失真。對(duì)于FBA-3力平衡加速度計(jì)來(lái)說(shuō)，對(duì)接近和超過(guò)其自振頻率的高頻振動(dòng)分量，儀器記錄將包含很大誤差。振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)測(cè)得FBA-3力平衡加速度計(jì)的傳遞函數(shù)如所示，結(jié)果表明：0至30Hz傳遞函數(shù)曲線是平坦的。
根據(jù)地震儀理論，這類傳感器，引進(jìn)反饋技術(shù)后，可使系統(tǒng)自振頻率大大提高，且靈敏度并不下降，系統(tǒng)自振頻率遠(yuǎn)大于被測(cè)振動(dòng)的頻率，傳感器的振動(dòng)中心相對(duì)位移與被測(cè)地面運(yùn)動(dòng)加速度成正比，即：2nXr=Xg由FBA-3力平衡加速度計(jì)的傳遞函數(shù)看到，當(dāng)擺的自振頻率Fn=51.2Hz，時(shí)，在0-30Hz范圍內(nèi)，曲線是平坦的，亦即只有在這樣的頻段，能精確地代表地面運(yùn)動(dòng)加速度，超過(guò)這個(gè)頻段范圍，傳感器的運(yùn)動(dòng)微分方程則不能成立，此時(shí)得到的加速度記錄將會(huì)失真，因此必須對(duì)失真的記錄進(jìn)行儀器響應(yīng)校正。儀器失真校正方法數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)曲線數(shù)字強(qiáng)震儀系統(tǒng)記錄到的是傳感器擺體相對(duì)位移，是離散化的數(shù)據(jù)序列，寫成Xn，為防止高頻噪聲對(duì)數(shù)字微分計(jì)算的影響，應(yīng)用數(shù)字濾波器做一次低通濾波，高頻截止頻率數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)曲線如所示。傳感器的運(yùn)動(dòng)微分方程可改寫為其中xn是地面運(yùn)動(dòng)加速度xg的離散化表達(dá)形式。對(duì)失真的記錄進(jìn)行兩次微分便能得到擺體相對(duì)速度xn和相對(duì)加速度xn，再按上式組合后，即可得到儀器響應(yīng)失真校正后的記錄。應(yīng)用此公式，做褶積運(yùn)算求出一階微分Xn。同樣，將Xn代入上式后經(jīng)過(guò)整理，求出二階微分xn。近似理想微分運(yùn)算傳遞函數(shù)為了消除由于將傅里葉級(jí)數(shù)截?cái)喽斐傻募匪宫F(xiàn)象，我們引進(jìn)了窗函數(shù)Wk進(jìn)行平滑化，這里使用的是漢寧窗。
取N=10時(shí)，進(jìn)行微分運(yùn)算，然后按改寫后的傳感器的運(yùn)動(dòng)微分方程式得到校正后的加速度記錄。以上給出儀器校正方法稱做微分-微分法儀器失真校正方法，為近似理想微分運(yùn)算傳遞函數(shù)，為數(shù)字強(qiáng)震儀儀器失真校正框圖。數(shù)字強(qiáng)震儀儀器失真校正框圖儀器校正示例利用高級(jí)設(shè)計(jì)語(yǔ)言，針對(duì)本文提出的儀器校正方法編制了計(jì)算程序，并在大亞灣核電站地震儀表系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理軟件中得到了應(yīng)用。KIS系統(tǒng)的加速度計(jì)是采用美國(guó)公司生產(chǎn)的型力平衡式加速度計(jì)。由于該系統(tǒng)自建立以來(lái)，未曾獲取地震記錄，因此采用人工模擬地震方法，獲取人工模擬地震記錄。是采用本文提出的儀器校正方法對(duì)KIS系統(tǒng)的一個(gè)測(cè)點(diǎn)的人工模擬地震加速 度記錄進(jìn)行儀器失真校正計(jì)算前后人工模擬記錄時(shí)程。a、v、d表示未校正加速度和積分速度、位移時(shí)程，A、V、D表示校正后加速度和積分速度、位移時(shí)程。儀器失真校正前后人工模擬記錄時(shí)程結(jié)語(yǔ)利用本文提出的儀器校正方法，經(jīng)過(guò)儀器校正處理的加速度時(shí)程的頻率響應(yīng)范圍得到擴(kuò)展，其頻段為0至50Hz，且在此頻段內(nèi)加速度記錄沒有高頻失真現(xiàn)象。因此滿足了地震工程感興趣的頻率范圍要求。該方法適用于我國(guó)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)數(shù)字強(qiáng)震儀獲取的加速度記錄的儀器失真校正處理。但是，需要指出的是，近些年來(lái)美國(guó)和我國(guó)生產(chǎn)的力平衡加速度計(jì)可不作儀器頻率響應(yīng)失真校正處理。中國(guó)糧油儀器網(wǎng) http://www.52lvi.cn/
