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  地震地磁观测与研究  2021, Vol. 42 Issue (1): 132-138  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2021.01.019
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引用本文  

张磊, 张新东, 刘爽, 等. 一种地震计固定装置[J]. 地震地磁观测与研究, 2021, 42(1): 132-138. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2021.01.019.
ZHANG Lei, ZHANG Xindong, LIU Shuang, et al. A seismometer fixture[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2021, 42(1): 132-138. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2021.01.019.

基金项目

河北省地震科技星火计划面上项目(项目编号:DZ20190418019)

作者简介

张磊(1981—),男,高级工程师,主要从事地震监测和仪器运维工作。E-mail:zhanglei14324@163.com

文章历史

本文收到日期:2020-07-13
一种地震计固定装置
张磊 , 张新东 , 刘爽 , 吴鹏 , 赵长红     
中国河北 056001 河北省地震局邯郸中心台
摘要:为了避免地震计由强振动引起的不同程度的位移、偏转或倾倒,研制出1套地震计固定装置,该装置使地震计能够经受强烈振动。与其他类似装置不同的是,该装置是通过地震计的3个底脚进行固定的,不与地震计其他位置接触,这有效避免了混入其他噪声。通过测试试验发现,在安装固定底座后,地震计运行和产出的波形均正常,噪声略有变小,平均信噪比变化不大。
关键词地震计    固定装置    噪声    信噪比    
A seismometer fixture
ZHANG Lei , ZHANG Xindong , LIU Shuang , WU Peng , ZHAO Changhong     
Handan Central Seismic Station of Hebei Earthquake Agency, Hebei Province 056001, China
Abstract: In order to avoid the displacement, deflection, or toppling of a seismometer caused by strong vibration, a set of seismometer fixing devices was developed to ensure that the seismometer can withstand strong vibration. Different from other similar devices, the seismometer is fixed by the device with its three feet and does not contact other parts of the seismometer, which effectively avoids introducing other noises. After installing the fixing devices, the seismometer works normally, and the waveform of the seismometer is normal. The noise becomes slightly smaller and the average signal-to-noise ratio does not change much.
Key words: seismometer    fixture    noise    signal-to-noise ratio    
0 引言

目前,国内常用的地震计,无论是国产的还是国外(英国、美国、加拿大等国)生产的,都只针对强震计进行了固定设计。相关资料中对地震计安装作了规范,但都未针对其固定提出要求(中国地震局,2005中国地震局监测预报司,2007)。因此,当强震发生时,极震区地震台站的地震计有的发生了倾倒,有的则发生了严重位移,这些均导致地震计无法正常工作或产出波形异常。

吕俊强等(2010)针对汶川8.0级地震提出了宁夏测震台网大震应对改进方案,方案中提到对机柜内部设备与服务器的加固问题,从而可保证强震发生时观测室机房的正常运行,但是忽略了最重要的地震计的运行问题;肖武军等(2019)对阳原台专业设备、公用设备、公用设施等合理地进行了加固;张新东等(2013)基于GURALP强震计的防震设计原理,提出了一种针对地震计的固定方法,但是该方法改变了地震计的底脚设计和地震计底板的接触面积;《地震台站标准化规范设计图册》(修订稿)(中国地震局监测预报司,2019)也给出了3种类型的固定装置,即A型—仅低位贴靠、B型—低位+中部贴靠、C型—高部贴靠,这3种固定装置均需要与地震计部分贴靠。本文的固定装置与以往设计不同,是通过地震计的3个底脚进行固定的,不与地震计其他位置接触,同时没有改变原有地震计的结构,有效避免了混入其他噪声。

1 固定装置设计与安装 1.1 固定装置设计

固定装置各个部件均采用6 mm厚不锈钢材料,其主要由2部分组成,一部分是1个固定底盘,通常使用膨胀螺栓与摆墩固定;另一部分是3个固定器,通过固定片锁死地震计3个底脚的调节器(图 1)。该固定装置未改变原有地震计的设计和任何零部件,也未与地震计外壳有任何接触,同时也保证了地震计原底脚与摆墩的正常接触。

图 1 固定装置示意图 1—固定底板;2—固定片;3—调节螺母;4—外侧调节螺栓;5—内侧调节螺栓;6—地震计底板;7—地震计底脚螺栓;8—地震计底脚;9—膨胀螺栓固定孔;10—底脚孔洞;11—调节孔 Fig.1 Schematic diagram of the fixing device
1.2 安装方法

根据摆墩方位标志及地震计上的方位角标识线,确定固定底板的相对位置。固定底板贴紧摆墩表面放置,用膨胀螺栓将固定地底板固定在摆墩上,将地震计底脚穿过底脚孔洞(不接触)放置在摆墩上,安装固定片,调节固定片上的内侧调节螺栓,调节内侧调节螺栓上的螺母,最后调节外侧调节螺栓,以保证固定片水平并均匀地压在地震计底脚螺栓上。

2 测试试验 2.1 测试场地概况

测试场地为河北省武安市活水乡长寿村内秋树坪地震台。台站地处中朝准地台山西断隆太行拱段束的武安凹断束内。周围断裂有涉县断裂、南山口—岔口断裂、紫山西断裂、北洺河断裂和邯郸断裂等。台站附近出露基岩岩性为震旦系石英岩状砂岩,上部夹紫红色、灰绿色页岩。观测山洞位于砂岩内,进深10 m,测试摆墩位于山洞最深处(图 2)。

图 2 测试摆墩 Fig.2 Instrument pier for testing
2.2 试验仪器

试验仪器为2套北京港震科技股份有限公司生产的EDAS-24GN型数据采集器和BBVS-120型地震计,采样率为100 Hz。

2.3 试验方法

试验分为2个阶段。将2个阶段都未安装固定底座的一个地震计命名为qsp;另一个安装了固定底座的命名为qsp 2。

第1阶段:2019年11月16日至12月13日,一个地震计不固定,按照常规方法放置在摆墩上;另一个地震计安装固定装置后固定在摆墩上(图 3图 4)。

图 3 第1阶段qsp地震计 Fig.3 The qsp seismometer in the first stage
图 4 第1阶段qsp 2地震计 Fig.4 The qsp2 seismometer in the first stage

第2阶段:2019年12月13日至2020年1月13日,2个地震计都未固定(注:图 6中固定装置的固定片已经卸掉,固定底板未与测试地震计有任何接触)(图 5图 6)

图 5 第2阶段qsp地震计 Fig.5 The qsp seismometer in the second stage
图 6 第2阶段qsp 2地震 Fig.6 The qsp 2 seismometer in the second stage
2.4 试验数据分析 2.4.1 噪声

从第1、2阶段各选了2天各24 h的连续波形进行计算。第1阶段选择的时间分别为2019年11月27、29日,第2阶段分别为2019年12月28、29日(图 7图 8图 9图 10)。计算结果如表 1所示。

图 7 2019年11月27日00:00—24:00功率谱密度 (a)qsp地震计;(b)qsp 2地震计 Fig.7 PSD curves of two seismometers on November 27, 2019
图 8 2019年11月29日00:00—24:00功率谱密度 (a)qsp地震计;(b)qsp 2地震计 Fig.8 PSD curves of two seismometers on November 29, 2019
图 9 2019年12月28日00:00—24:00功率谱密度 (a)qsp地震计;(b)qsp 2地震计 Fig.9 PSD curves of two seismometers on December 28, 2019
图 10 2019年12月29日00:00—24:00功率谱密度 (a)qsp地震计;(b)qsp 2地震计 Fig.10 PSD curves of two seismometers at 0-24 o'clock on December 29, 2019
表 1 噪声对比结果 Table 1 Noise result

第1阶段qsp/qsp 2比值的平均值为1.017 8;第2阶段为1.012 8,比值相差0.5%。由此可见,地震计安装固定装置后,记录的噪声相对要小一些。说明安装固定装置并没有使地震计混入有影响的噪声。

2.4.2 信噪比

分别从2个试验阶段各找出2个典型地震,并将记录到的地震信号的功率平均值与地脉动信号的功率平均值进行比较,得出2个地震计记录到的地震事件波形的信噪比SNR(图 11图 12图 13图 14表 2)。

图 11 2019年11月21日2时54分河北沙河ML1.5地震波形 (a)qsp地震计;(b)qsp 2地震计;起始时刻02:52:00 Fig.11 Earthquake in Shahe county, Hebei Province
图 12 2019年12月2日23时42分河北临城ML1.7地震波形 (a)qsp地震计;(b)qsp 2地震计;起始时刻23:41:00 Fig.12 Earthquake in Lincheng county, Hebei Province
图 13 2019年12月15日1时32分山西襄垣ML 2.7地震波形 (a)qsp地震计;(b)qsp 2地震计;起始时刻01:30:00 Fig.13 Earthquake in Xiangyuan county, Shanxi Province
图 14 2019年12月26日2时33分河北任县ML1.7地震波形 (a)qsp地震计;(b)qsp 2地震计;起始时刻02:32:00 Fig.14 Earthquake in Ren county, Hebei Province
表 2 信噪比SNR对比 Table 2 SNR comparison table

从计算结果看,qsp、qsp 2地震计信噪比之比的平均值相差3.9%,小于5%,说明安装固定装置对地震计记录地震事件波形的信噪比影响不大。

3 结论

本文研制的地震计固定底座能够很好地固定地震计,可保证地震计在经历强烈振动时不会发生位移、转动和倾倒。由于采用了地震计底脚固定的设计,固定装置不与其他位置接触,从而有效避免了因固定装置而混入的干扰噪声。

通过试验测试发现,安装固定底座后地震计运行正常,噪声值略有变小,说明未混入多余噪声;信噪比均值在安装固定底座前后变化不大;通过对记录波形进行分析后认为,波形正常,定位结果亦正常。

综上所述,本文介绍的地震计固定装置基本可行。

参考文献
吕俊强, 杜文勇, 许文俊. 宁夏测震台网的大震应对改进方案[J]. 华南地震, 2010, 30(4): 55-59.
肖武军, 张尧, 王立森, 等. 地震台站标准化设计在冬奥会保障项目中的应用——以河北阳原台为例[J]. 中国地震, 2019, 35(3): 565-572.
张新东, 闫俊岗, 张小涛. 地震计的固定[J]. 地震地磁观测与研究, 2013, 34(3/4): 186-187.
中国地震局. 中国数字测震台网技术规范[M]. 北京: 地震出版社, 2005.
中国地震局监测预报司. 地震学与地震观测[M]. 北京: 地震出版社, 2007.
中国地震局监测预报司. 关于开展2019年地震台站标准化改造工作的通知[Z]. 2019