强震仪的应用及作用介绍

观测记录地震动的仪器叫地震仪。早在公元132 年 （东汉），我国古代科学家张衡创造了世界上第一台地震仪——张衡地动仪，安置在当时的京城洛阳。6 年后甘肃发生了一次地震，地动仪正西方向的龙吐出一珠，使张衡首先知道正西方向发生了地震，开创了人类用仪器记录地震的先河。

地震学的研究对象主要是地球内部构造和地震机理，需要用能记录微小地震波到达的绝对时间和波形的仪器。这种仪器要求灵敏度高、放大倍数大，这就是微地震仪。但遇到强烈地震，就会超出记录范围，甚至可能损坏仪器。地震工程的研究对象是强烈地震的地面运动的加速度、速度和位移等量及其时间过程，以及建筑物在地震时的各种反应，这就需要强震仪。

强震仪的类型很多，分类的方法也不一样，最常见用于水工强震监测台阵的仪器有以下五类：

（1）按记录监测路径分：有直接记录方式和间接记录方式。前者主要有机械 （笔）记录式和光记录式，后者主要是将地震动转换为相应的电信号、磁信号、光信号进行记录。

（2）按记录监测方式分：有笔记录式、光记录式、磁记录式及存储器记录式四种。

（3）按记录介质分：有与笔记录对应的蜡纸记录、熏烟记录，有与光记录对应的感光胶卷记录、感光相纸记录，与磁记录对应的主要有磁带记录。

（4）按监测物理量分：有记录地震位移运动的位移式强震仪、记录地震速度运动的速度式强震仪、记录地震加速度运动的加速度式强震仪和记录地震库水动水压力强震仪及判断地震土坝液化情况的波速式强震仪。

（5）按记录的通道分：有三分量一体式强震仪和多通道中心记录式强震仪。

水工强震仪通常由拾震系统、信号放大记录系统、触发启动系统、时标服务系统、不间断电源系统及信号显示采集分析系统等六个系统组成（见文献[5]）。

1.拾震系统

为完整描述测点运动通常采用三个拾震器（简称摆）进行相互垂直的三分向测量，也可采用一个或两个拾震器对测点的危险分量进行控制监测。拾震器通常都是一个单自由度系统。它由一个质量块m、一个平衡恢复力K 和一个阻尼系统C 所组成。质量块又称惯性元件，通过惯性元件与测点之间的相对运动x（t）来进行信号测量。平衡恢复力的作用是使质量块尽量处于稳定的平衡状态，即在受到振动时，力图使质量块回到其原来的平衡位置。通常平衡恢复力由弹簧力和重力来实现。为了准确地反映地震动的实际情况，克服质量块的自由振动对测量的干扰，还必须在质量块上增设一个阻尼系统，以改善拾震器的动力特性，如图1.21 所示。

图1.21　机械式强震仪原理图

m—振子；k—弹簧；c—阻尼器；x—振子对地震仪底盘的振动位移；xg—地震仪底盘对地面不动轴（未发生地震时的位置）的振动位移

电磁式强震仪由强磁铁和缠绕线圈的重锤组成。重锤由钢板弹簧支承。地震时，重锤对磁铁作相对运动，线圈切割磁力线产生电流，其电压与单位时间内切割的磁力线数成比例，亦即电压与振子（重锤系统）运动的速度成正比。电流和电压通过示波器记录下来。经过换算即可得到地震动的加速度记录。把振子的自振周期调整到与地震卓越周期相同（卓越周期的定义见1.9.2 节），所用示波器的振动周期为1/30～1/50s。则振子线圈与磁场的相对位移与地震动的速度成比例，线圈内产生的电压与地震动的加速度成比例。所以这种强震仪可记录地震动的速度和加速度（仪器示意图未示）。

光学式加速度强震仪 （图1.22）是把矩形线圈的一条与一根上下端固定的可扭转的吊丝牢系在一起，此矩形线圈的另一条边则置于永久磁铁的磁力场中。吊丝上安装一个小镜片。当地震时，矩形线圈以吊丝为轴在磁场中扭转，切割磁力线，使线圈中形成涡流产生黏滞阻力，因而使吊丝产生扭矩。此扭矩由弹簧测记下来，吊丝扭转的角度则由镜片的反射测记下来。根据线圈的质量和吊丝的扭矩以及扭转角，可以计算地震动的加速度。

2.信号放大记录系统

在实际测量中，从拾震器得到的信号是非常微弱的，必须经过放大才能进行记录，它关系到强震记录的精度问题。在国内外各种强震仪中，信号放大记录系统各有不同，主要有如下几种记录型式：

（1）机械放大记录式：将拾震器的振动通过机械杠杆进行信号放大，并通过记录笔将信号画在匀速转动的记录纸上。

（2）光臂放大记录式：将拾震器的振动通过固定在拾震器上的镜片产生动光臂，并经光臂放大后照射在匀速转动的感光胶片上，达到记录地震信号的目的。

（3）电流计记录式：在地震时通过固定在摆上的线圈在磁缸中切割磁力线产生电信号（简称动圈），经过放大，用电流驱动磁缸中电流计（振子）产生偏转，再通过光系统将地震信号记录到感光记录胶片上。

（4）模拟磁带记录式：将动圈所产生的地震模拟信号进行电压放大并调制成音频信号，再通过录音磁头把信号记录到磁带上。

图1.22　电磁阻尼光学式加速度强震仪示意图

（5）数字磁带记录式：将动圈所产生的地震模拟信号进行电压放大后，通过A/D 模数转换成数字信号，再通过录音磁头把信号记录到磁带上。

（6）存储器记录式：与数字磁带记录式强震仪所不同的是，运用计算机技术，将数字化的地震信号直接记录到数字存储器中。

3.触发启动系统

在强震仪中，用来控制仪器启动和停止的系统，称为触发启动系统。它是区别强震仪和普通地震仪所特有的装置。该系统利用地震时最先到达的压缩波 （P 波）作为触发信号，尽快接通全机电路，使仪器进入记录状态，通常从触发到全机进入记录状态的时间不得大于0.2s。(https://www.xing528.com)

4.时标服务系统

工程强震仪所记录的是测点振动的时间过程，为了精确反映测点运动，需在记录地震信号的同时记录较精确的时钟信号。这是因为水工建筑物规模巨大，同一工程中所设置的多个强震仪应尽量采用统一的时钟信号或者钟差尽可能小 （一般应小于0.01s）的时标服务系统。需要指出，强震仪时标服务系统强调的是相对时差精度，这是由于强震监测与地震观测的目的、目标是不同的。当然为了与微震观测资料接轨，近年来，强震仪时标系统已开始引入绝对时间。

5.不间断电源系统

电源是工程强震仪的动力能源。考虑到中、强地震发生时，正常交流供电系统往往被破坏或中断，所以工程强震仪应选用两种电源，即采用直流蓄电池作为主电源，同时配备交流稳压、直流充电电源，以不断补充蓄电池中的能量损耗，保证强震仪在突然交流断电的情况下能正常运行3 天以上。

6.信号显示采集分析系统

该系统直接与记录方式有关。对笔记录式强震仪，需配备图形数字转换仪，对强震记录曲线进行数字化，以便下一步送入计算机进行强震分析处理；对光记录式强震仪（含光臂放大记录式和电流计记录式），除需配备图形数字转换仪外，还需配备显影、定影、暗室等光学处理设备，方法与照相、摄影底片处理方法类似；对模拟磁带记录式强震仪，需通过回放仪将信号送入A/D板进行模数转换，送入计算机进行强震分析处理；对数字磁带记录式强震仪，可将磁带放入回放仪，通过I/O 接口将信号送入计算机，并立即进行强震分析处理，实现强震安全报警的目的；对存储器记录式强震仪，可直接用计算机从存储器中调取强震记录并进行分析处理，使监测报警的周期进一步缩短。但水利工程对存储器等计算机中的一些电路工作环境要求较高，目前尚难以在水利工程中推广。根据《国家地震科学技术发展规划》（2006～2020 年）中提出的 “中国台阵”（China Array）研究计划，已将大型水利工程的大坝地震反应台阵列入其中，希望在不久的将来，强震监测技术可进入全自动化的水平。

表1.3 列举了中国、日本、美国、苏联几种强震仪的性能。

近年来，国外强震加速度仪的发展很快，主要表现在两个方面。

（1）继续改进并发展成本低、性能稳定可靠的光记录三分量强震仪。美国Kinemetrics公司的SMA—1型强震仪是这种仪器的代表。目前SMA—1型的销量已经超过5000台。应当强调的是，这种仪器的性能仍在不断地改进，以进一步提高仪器的可靠性和实用性。例如：增设了TCG—1 型编码时钟，增加了仪器序列号编码选件等。仪器在野外使用的可靠性可以达到99%，野外的检查工作减少到只需进行电池或胶卷的例行更换，检查周期已延长到9 个月。用先进的数字化设备对记录进行数字化记录的动态范围达60dB。

表1.3　几种型号强震仪的性能

* g 为重力加速度。
注 1.GQ—Ⅲ型强震仪是中国国家地震局工程力学研究所研制的。由强震自动触发运转。加速度计的角位移经反射镜反射聚焦，照到胶卷上记录下来，可自动记录三个方向的加速度分量。
2.SMAC型加速度仪是日本强震加速度协会 （StrongMotion Acceleration Commitee）制造的一种机械式强震仪，能自动记录三个方向 （竖向，水平东西向，水平南北向）的加速度分量。
3.USCGS型强震仪是美国海岸和大地测量局 （United States Coast and Geodetic Survey）制造的一种光学式强震仪，曾测到最大加速度记录1.25g （1971 年2 月9 日，San Fernando地震）。
4.UAR型强震仪是苏联地球物理研究所制造的一种光学式强震仪。
5.SMA—1 是美国Kinemetrics仪器公司制造的。全称Strong Motion Accelerograph，是光学照相记录的强震仪。0.01g 自动触发启动，一次触发，运行20s。

（2）重点研制、生产、推广新型的数字加速度仪。在美国，生产数字加速度仪的厂商主要有Kinemetrics，Sprengnether，Teledyne Geotech，Terra Technology，Woo d Hole Geophysical Inst.等，此外，美国地质调查局（USGS）和南加州大学 （USC）也在研制发展数字仪。近十年，各种型号的数字仪已有十几种之多。这些仪器普遍选用力平衡式加速度计作为传感器，都配有可以记录绝对时间的编码钟，精度为10—5～10—7s，A/D转换器为12 位或16 位，动态范围为72～114dB，最高采样率为200～1200SPS，每个通道的预存能力为192～4096 字节。等待状态耗电为35～100μA，触发方式大多采用阈值式或短项平均/长项平均（STA/LTA）式。表1.4 给出了美国现有数字加速度仪的主要技术性能。

表1.4　美国现有数字加速度仪的主要技术性能

续表

在日本，一方面着手进行对SMAC型强震仪的改造更新，在SMAC的摆体上附加一个位移—电压换能器，输出电信号送入数字记录器，使系统的动态范围扩大到66dB；另一方面也在发展全新的数字加速度仪。东京大学地震研究所已在骏河海湾布设了一个以SMAD—1 型数字加速度仪为主体的强震台阵。每个台站还配备了TRM—811 型遥控设备。通过TRM—811，在中心站随时可以了解到野外各台站的工作和运行情况。SMAD—1 还配有精度达10—8s的TC—8100 型编码钟，每天可进行两次自动对钟。

近十年来，国内强震加速度仪的研制也有很大发展，制成了下列三个品种的仪器：

（1）新型的加速度计。中国国家地震局工程力学研究所研制生产了DCJ 型伺服式加速度计和RCJ 型差容式力平衡加速度计，同济大学研制生产了CYJ—1 型差容式加速度计。这些新型的加速度计均已通过鉴定，并在实际使用中得到良好的记录。和强震仪过去采用的动圈式传感器相比，这些加速度计体积小、重量轻、灵敏度高、通频带宽，可以直接和模拟磁带记录器或数字磁带记录器配套使用。表1.5 给出了它们的主要技术性能。

表1.5　国内新型加速度计的主要技术性能

注 g 代表一个重力加速度。

（2）模拟磁带强震加速度仪。中国国家地震局工程力学研究所和地震仪器厂联合研制生产了GQⅣ型模拟磁带强震仪，同济大学研制了CQZ—1 型模拟磁带强震仪。这些仪器采用了脉冲调宽调制技术，自行设计了良好的带输系统，仪器的动态范围超过了50dB，配有编码时钟，价格约为国产三分量光记录仪器的1.2 倍，试运行中所得中小地震记录相当令人满意。

（3）新型光记录式强震仪。中国国家地震局工程力学研究所和地震仪器厂研制生产了GQ—Ⅲ和GQ—ⅢA型三分量直接光记录式强震仪，性能和SMA—1 相当。此外，还研制了新型的电流计多道记录式强震加速度仪GQI 型和GQⅡA 型，这些仪器的满刻度量程均可达到1g，采用了电阈值触发，提高了仪器的可靠性，有的仪器还采用了自动换挡衰减技术，扩大了仪器的动态范围。1985 年8 月，新疆乌恰地震的余震中，新疆地震局用GQⅢA得到了最大值约为0.3g 的好记录。

表1.6 给出了国内新型强震加速度仪的主要技术性能。其中SCQ—1 型强震仪是数字磁带记录的三分量加速计，它由WJL—1 型微功耗力平衡伺服加速度计、数字磁带记录装置 （具有绝对时码，预存储器，动态范围102dB）和回放装置三部分组成，其特点是抗干扰能力强，触发装置可靠，适用范围广。20 世纪90 年代哈尔滨工程力学研究所研究生产了GDQJ—1A 固态存储地震动强度记录仪是一种三分量数字强震仪。仪器输入幅度为±2.5V （最大±2g）。动态范围90dB，自动触发，带预存储装置，存储时间40s，采样率62.5SPS、125SPS、250SPS和500SPS 可调，可配备回放装置RS232，并在现场或用调制解调器（MODEM）遥控使用。由于采用RAM模块存储，信号不易丢失，其性能明显优于磁带记录仪器，该仪器的监控程序使用全汉字菜单，使用方便。

表1.6　国内新型强震加速度仪的主要技术性能