对加速度计进行校准,一般是对其灵敏度、频率特性等技术参数开展标定检测,再根据校准结果判定加速度计的性能。校准方法有相对校准与绝对校准两种,相对校准以某个经检测的“标准仪器”为基准,将需检测仪器与“标准仪器”对比,进而确定被检测仪器是否达标; 绝对校准是用激光干涉振动仪直接测量振动台振幅,再与被校准仪器输出比较后确定被校准仪器灵敏度等性能。两种校准法相比,相对校准原理简单,所用设备少且操作方便,已在强震动加速度计校准中得到应用; 绝对校准可避免相对校准存在的允许误差值,在无接触远距离校准中确保测量精度高准稳。

国际对精密仪器的校准以绝对校准为主,特别在航空精密传感器及各种机床的几何动态性能方面,激光干涉绝对校准系统(±0.5 ppm长期稳频精度与0.001 μm线性测量分辨率)为高质量校准工作提供精确保证。国内,于梅等(2003,2004a,b,2005,2007)通过振动台试验总结并分析了相对校准法主要特征及适用范围。随着数字技术飞速发展,于梅和孙桥(2005)进一步使用绝对校准法对加速度计灵敏度特性进行测量,并将绝对校准结果与相对校准结果进行对比,实测结果显示绝对校准检定效果更好。

地震行业对标准加速度计的性能质量要求极高,使用绝对校准法对标准强震动加速度计开展性能测试,不仅保证校准结果精确可靠,更利于对强震动加速度计振动特性做出系统性评估分析(DB/T 10-2001)。本文根据激光干涉校准原理,开展了基于激光干涉的绝对校准技术研究,首次在地震行业中运用绝对校准进行强震动加速度计的相位测量,并系统总结绝对校准检测强震动加速度计灵敏度、频率特性的试验方法,为强震动加速度计性能校准工作提供基础参考。

在地震行业领域,强震动加速度计的性能指标直接影响地面振动记录的准确可靠程度,对强震动加速度计进行振动特性检测极为必要(Harris et al,2007)。随着电子技术和计算机技术发展,基于激光干涉的绝对校准以光学干涉原理为基础,采用稳频He-Ne激光光源,可广泛应用于各类传感仪器性能测试(周小珊,李岩,2010)。

使用光学干涉原理作为测量工具可上溯至Albert Michelson 研制出的Michelson干涉镜。Michelson 干涉镜包括一个单一波长单色光源、一个半银色透镜以及两个反射镜,如图1所示。光源在半银色透镜表面分开,一半光源呈 90°反射至一个固定距离透镜,剩余另一半则透过另一个可移动的透镜。两个透镜互相垂直,从透镜反射的还原光束互相平行,并一同反射向观测者。若每个透镜与半透镜距离完全相同,光束会同步到达观测者处,并发生相长性干涉,使光源更加明亮; 若放置可移透镜位置偏移大约四分之一个波长,光束会以 180°的相位差异步射向观测者,并发生相消性干涉,产生较暗淡光源。因此,观测者可利用透镜移动时光源变亮次数去测量可移透镜所移动的距离(周小珊,李岩,2010)。

图1 Michelson 干涉镜
Fig.1 Michelson interference microscopy

图2 基于激光干涉的绝对校准
Fig.2 Absolute calibration based on Laser interferometer

待测强震动加速度计固定于振动台台面,强震动加速度计与振动台做同步输入运动,输入信号用纯正弦波。正弦信号发生器产生正弦激励经功率放大器放大后推动低频振动台运动,振动产生位移输出量为电压值,不同振动频率下,待校准强震动加速度计相应输出电压值可用电压表直接读取,振动台的振动频率可由频率计测读,进而计算待测强震动加速度计的角频率。由激光干涉采集系统记录下振动周期内产生干涉条纹数,根据实测干涉条纹数目与振动角频率,即可计算出待校准强震动加速度计的加速度幅值。

相位实质为两个同频率信号间的相位差测量,使用纯正弦波信号循环一周周期为2π,从指定起始时刻t₀起算,根据(t-t₀)期间的振动周期(t-t₀)/2π可测出任意振动时刻t的相位。振动实验中,固定于振动台面上的强震动加速度计与振动台各自输出波形明确、频率相同的振动信号,由激光干涉系统与数据采集系统分别记录两者输出信号,将两个采集系统记录的输出信号波形进行叠加对比,通过振幅变化产生波形延时就可得出待测强震动加速度计相位差(叶林等,2006)。

绝对校准法测试强震动加速度计灵敏度时,对该加速度计使用相对校准法进行灵敏度对比测试。在相对校准试验中,试验提供的参考强震动加速度计电压灵敏度S₁恒为0.012 mV/mm·s^-2,直接读出两个强震动加速度计的输出电压值u₁和u₂,根据式S₂=(u₂)/(u₁)S₁计算被校准强震动加速度计的电压灵敏度值S₂,具体测试数据见表4。

表4 相对校准法标定强震动加速度计
灵敏度的试验数据
Tab.4 Sensitivity test data of the strong motion accelerometer calibrated by relative calibration method

在绝对校准试验中,两个强震动加速度计的灵敏度在不同振动频率下均是变化状态,并非恒定不变。分别对参考强震动加速度计与待测强震动加速度计的电压灵敏度进行绝对校准,测试数据分别见表5和表3。

对比表3及表5的强震动加速度计电压灵敏度测试数据,绘制被校准强震动加速度计频率—灵敏度特性曲线,见图5。

表5 绝对校准法标定参考强震动加速度计灵敏度的试验数据
Tab.5 Sensitivity test data of the reference strong motion accelerometer calibrated by absolute calibration method

图5 绝对校准与相对校准测试强震动加速度计灵敏度对比分析
Fig.5 Sensitivity comparative analysis of strong motion accelerometer tested by absolute calibration and relative calibration tests

强震动观测是认识强地震动特征的关键手段,其主要依靠强震动加速度仪的记录数据去开展相关应用与研究。作为强震动加速度仪的核心测量装置,强震动加速度计的准确可靠性尤为重要,一般情况下,需定期对强震动加速度计进行灵敏度、频率特性等技术指标的校准工作。在实际工作中,日常使用的强震动加速度计,相对校准即可满足其性能精度的校准要求; 而相对校准可靠程度的核心保证:标准强震动加速度计,其高精度性能要求必须由绝对校准提供。笔者基于激光干涉仪开展了绝对校准检测技术研究,通过低频标准振动台试验,证实了基于激光干涉仪的绝对校准理论成熟、方法可行,激光干涉仪的高分辨率特征为数字化仪器的频率特性测试,尤其为低频或超低频特性测试提供保证。