0 引言

地震计的线性误差是影响地震观测数据质量的关键指标，对实际观测振动信号的准确度、失真度等有直接影响。地震观测对地震计线性度要求较高，中华人民共和国地震行业标准DB/T 22—2007规定地震计的线性误差不大于万分之一。DB/T 22—2007规定的测试方法对标定信号源的精确度、稳定度均有要求，测试需要另外配备高精度信号发生器及匹配电路。逐个信号调试控制、测试是比较繁琐的，且许多测试现场难以找到高水平信号发生器。宽频带、甚宽带地震计的调零时间和稳定时间较长，按照DB/T 22—2007规定进行实验，工作量大、耗时长。

电标定在地震计测试中广泛使用（王广福，1986；Rodgers P W et al，1995）。国内外主流地震仪器厂家在地震计数据采集器中集成标定信号发生器，可以提供多种标定信号。因此可以考虑采用地震数据采集器来直接测量地震计的线性误差。但使用采集器提供的标定信号测试，受标定信号电流精度影响，要达到国家标准规定的测试精度是有难度的。本文提出同步测试地震计线性误差的方法，通过改进电标定测试电路，在地震计标定时同步记录标定信号，在数据处理时一并测量地震计在标定信号激励下的输出和标定信号，克服标定信号精确度和稳定度的不足，保证测试质量，得到较好的测试效果。通过实际测量，该测试方案满足DB/T 22—2007规定的测试精度，同时显著提高了测试效率，具有较强的可操作性。

1 正弦波标定信号测试方法 1.1 标定参数确定

结合DB/T 22—2007要求，标定测试地震计线性度步骤如下：利用地震数据采集器的正弦波标定功能，向地震计标定线圈输出同一频率、不同幅度的正弦波信号，按地震计满量程的（0.1，0.2，…，1.0）设定标定信号幅值，记录地震计在标定信号作用下的输出信号，测量不同幅值对应的响应信号幅度，通过最小二乘拟合计算地震计的线性度，进而计算线性误差。

采用北京港震仪器设备有限公司研发的EDAS-24GN地震数据采集器和BBVS-120宽频带地震计，进行正弦波标定测试地震计线性度实验。BBVS-120地震计采用电流标定，标定灵敏度约10.0 m/(s²·A)，限幅速度约10 mm/s；EDAS-24GN地震数据采集器提供的电流标定信号最大标定电流为20 mA。通过计算，在测试信号频率5 Hz处达到10 mm/s需要的电流约31.46 mA，超过EDAS-24GN地震数据采集器所能提供的最大电流，故不能在5 Hz频率处实施上述线性度测试实验。为此本文选择较低频率进行测试。经分析，1 Hz大约在主流地震计频带范围(120 s—50 Hz、120 s—80 Hz、60 s—50 Hz、60 s—80 Hz等）的倍频中心，因此选用1 Hz作为测试频率。

经粗略估算，设定初始电流值150 μA，步长150 μA，至6 300 μA，共43个电流样值，每个电流样值点发送60个周期的正弦波信号，可在工作量不显著增加的情况下(测试时间约45 min)，取得更多不同激励速度的测试样本数据，提高测试的可靠性。为方便测试地震计线性度的同时测试地震计限幅速度，实验设置计算速度大于10 mm/s。

1.2 线性度偏差计算

地震计记录信号幅度是在同一标定电流的输出信号中，取10个连续周期的数据，通过正弦波高精度拟合取得。DB/T 22—2007标准规定10次重复实验取均值，本文取10个连续周期的波形数据拟合得到的振幅与10次重复试验取得的均值一致。当摆锤运动速度大于10 mm/s时，地震计输出电压超地震数据采集器输入电压导致波形失真，波形失真的数据不纳入线性度及线性偏差计算，线性偏差是按照DB/T21—2007规定计算得到的。

采用直接标定信号测试方法测试得到的线性度偏差曲线，见图 1。可见，该方法测得的线性偏差存在明显变化，尤其激励速度在约3 mm/s到4 mm/s之间存在大幅度变化；最大线性偏差为18 mV，考虑到满幅值为20 000 mV，最大线性误差为0.09%，与DB/T 22—2007规定的0.01%相差甚远，大致高一个数量级。因此，直接正弦波标定测试方法不能满足DB/T 22—2007的要求。

1.3 误差分析

正弦波标定测试方法之所以不满足国家行业标准，主要是由于地震数据采集器标定电流存在偏差。标定电流偏差表现在：①绝对幅度存在偏差可能对测试数据拟合结果的斜率有影响，对线性度及线性误差的测试结果无影响；②随名义电流变化的偏差对线性度测试产生直接影响。采用下文中同步电标定测试电路得到的名义电流与实际电流值的偏差曲线，见图 2。由图 2可知，名义电流和实际电流的平均比例系数为0.986，即名义电流1 mA对应实际电流约为0.986 mA；电流线性偏差随名义电流有明显的不规律变化，变化范围约-0.3%—0.15%，与地震计线性度误差测试要求的0.01%相差甚远。因此，直接采用地震数据采集器正弦波标定方法来测试地震计的线性误差，不能满足DB/T 22—2007规定的精度要求。

2 同步电标定测试 2.1 测试原理

为达到0.01%的测试精度，尝试改进电标定线性误差测试方案，在地震计标定时同步记录标定信号。改进后同步电标定测试电路见图 3。实际测试采用一台6通道EDAS-24GN地震数据采集器，A端口连接被测地震计，采集参数为采样率500 sps、线性相位、满幅值±20 V。采集器产生的标定电流通过1只阻值为1 006 Ω（在1 000 Ω左右选择的器件）的电阻流入地震计，通过地震计3个分向的标定线圈流回地震数据采集器。标定电流流过电阻R时产生一个电压信号，输出到地震数据采集器B端口的任意通道，B端口采集参数设置为采样率500 sps、线性相位、满幅值±10 V。地震计标定时，EDAS-24GN同时记录标定电流流过R产生的电压信号和地震计输出，用记录的R两端的电压及R值计算实际电流，避免了实际电流和名义电流不一致的问题。同步电标定测试方法采用的正弦波标定参数与上文相同，不再赘述。

2.2 数据处理过程

对记录的每一个幅度标定信号对应的地震计信号和标定电流通过电阻R的电压信号，按10个周期一组，每次向前滑动一个周期，使用固定频率正弦波拟合方法高精度确定各自幅值，同时计算每组信号的波形失真度，挑选一个波形失真度最小的连续10个周期，计算标定信号振幅A_c和地震计信号振幅A_s。

（1）标定信号幅度转换为激励速度。计算公式为

$ v=\frac{{{A}_{\text{c}}}\times 1.192}{16000\times 10006}\cdot \frac{{{S}_{\text{c}}}}{2\pi f} $

(1)

其中v为激励速度，单位为mm/s；A_c为标定信号测量振幅，单位为counts；S_c为标定灵敏度，单位为m·s^-2·A^-1；f为测试频率，在本测试中，f=1 Hz。

（2）地震计输出信号转换为输出电压。计算公式为

$ V={{A}_{\text{s}}}\times \text{2}\text{.384/}16000 $

(2)

其中V为地震计输出信号电压，单位为mV，A_s为地震计输出信号测量振幅，单位counts。

上述计算得到的激励速度v作为x，地震计输出电压V作为y，采用中华人民共和国地震行业标准DB/T 21—2007规定的方法计算拟合直线参数及线性偏差，并判定结果是否满足DB/T 22—2007规定的标准。

2.3 测试结果

为降低环境噪声对测试的影响，通过地震数据采集器设置标定自动启动时间为01:00，按照电标定同步测试方法设置参数，测试过程持续约45 min。使用本文提及的方法对测试数据进行计算处理，得到图 4所示标准地震计3个分向的线性偏差实测结果。

由图 4可见，实测地震计3个分向线性度偏差在5 mm/s附近时波动较大，结合记录波形进行分析，认为在该测试时段，附近有重型货车通过，记录波形的信噪比有所降低，影响了测试结果质量；据测试状态下地震计的最大输出值（20 000 mV），则可知允许的最大线性偏差为2 mV，实测最大线性偏差约0.85 mV，计算得到线性误差为0.004 25%，小于0.01%。可见被测地震计的线性度误差满足DB/T 21—2007规定要求。

从图 4还可以看出，在无明显外部干扰情况下，测试的线性偏差波动较小，经计算，标准差为0.057 mV，可以初步认定，同步电标定方法的测试误差精度可达0.000 285%，精度较高，满足地震计线性度及线性误差测试需要。

3 结论

地震计线性误差是影响地震观测资料质量的关键技术指标，有必要精确测试地震计线性误差。本研究提出的采用标准地震数据采集器，外加同步电流测试电路测试地震计的线性度及线性误差的方法，在数据处理时严格按照中华人民共和国地震行业标准DB/T 21—2007的规定进行计算和评价，可以准确测定地震计线性误差，且符合DB/T 21—2007及DB/T 22—2007的规定，是DB/T 22—2007规定的线性误差测试方法的一个具体实现。该方法具有操作简单、对设备要求低、易实现等特点，初步判断测试精度可达0.000 285%的水平，满足地震计线性误差测试0.01%的精度要求。