2 地表地震計檢定規(guī)程-不確定度報告

《地表地震計檢定規(guī)程》測量不確定度評定報告《地表地震計檢定規(guī)程》編寫組2024.9.29目錄TOC\o"1-2"\h\u86471振動臺測量項目不確定度評定 振動臺測量項目不確定度評定1.1概述實驗室：中國地震局地震預(yù)測研究所振動實驗室中國計量科學研究院振動研究所中國地震局第一監(jiān)測中心振動實驗室中國地震局地球物理研究所地震儀器測試與質(zhì)檢中心主要實驗樣機：GL-CS60、ITC-60A寬頻帶地震計STS-2.5甚寬帶地震計。環(huán)境條件：23.5℃，36.5%RH。主要測量設(shè)備：絕對法超低頻振動標準裝置振動臺測量時，將被檢地震計安裝在振動臺臺面中心，使地震計的傳感方向與振動臺臺面運動方向一致，控制振動臺進行不同頻率正弦激振，激光干涉儀讀取振動臺輸入正弦信號峰值速度，數(shù)據(jù)采集器采集包括地震計1個振動方向和2個橫向的輸出電壓，根據(jù)輸出和輸入數(shù)據(jù)計算得到測量的各項數(shù)據(jù)。振動臺測量地震計的靈敏度、最大橫向靈敏度比、最大觀測速度、靈敏度幅值響應(yīng)波動、幅值線性度偏差等5個參數(shù)，下面分別、分組進行不確定度評定。1.2地震計靈敏度按《地表地震計檢定規(guī)程征求意見稿》規(guī)定，靈敏度在參考頻率點測量，甚寬帶、寬頻帶地震計(以下簡稱地震計)的參考頻率為1Hz。地震計靈敏度和橫向靈敏度同時測量。1.2.1測量模型振動方向地震計輸出電壓與振動臺輸出速度之比就是地震計該分向的靈敏度，2個橫向輸出電壓與振動臺輸出速度之比就是橫向靈敏度。計算公式見式(1)。(1)式中：s—地震計靈敏度/橫向靈敏度，單位：Vs/mV—地震計輸出電壓，單位：Vv—振動臺輸入振動的速度幅度，單位：m/s1.2.2確定不確定度分量根據(jù)測量模型，影響靈敏度測量結(jié)果包括輸出電壓的測量不確定度和振動臺輸入速度的測量不確定度，同時在測試過程中需要把地震計安裝到振動平臺上，振動臺面的橫向?qū)`敏度測量不確定度有貢獻，多次安裝的誤差會對測量不確定度有貢獻，同時在量值溯源傳遞中采用了標準低頻套組，其不確定度會傳遞到振動臺測量系統(tǒng)。綜上所述，影響測試結(jié)果不確定度的分量包括：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對采集信號的采集不確定度u1，激光干涉系統(tǒng)測量振動臺振動的不確定度u2，振動臺橫向振動的影響u3，安裝誤差引起的不確定u4，標準溯源設(shè)備低頻套組不確定度u各不確定分量的標準不確定度確定如下：a)數(shù)據(jù)采集器測量誤差引入的相對標準不確定度分量u使用美國NI公司的PXle-1071數(shù)據(jù)采集器，幅值測量精度：在1kHz的所有量程范圍具有±0.1%的測量精度，按均與分布，其相對標準不確定度分量值為：0.058%。b)激光干涉系統(tǒng)測量振動誤差引起的相對標準不確定度u據(jù)相關(guān)文獻報道，測量使用的激光干涉儀在位移100mm范圍內(nèi)，位移測量誤差小于0.7×10-6m，按1Hz計算速度測量誤差為：4.398×10-6m/s，測量靈敏度時用0.005m/s的速度，速度相對誤差小于：0.088%，按均勻分布，其相對標準不確定度分量值為：0.050%。c)振動臺橫向引入的相對標準不確定度u已知被校地震計橫向靈敏度比≤1.5%，振動臺橫向振動比≤3%，按測量時振動臺實際軸向運動與地震計正向夾角最大，最大的靈敏度測量誤差為1-cos(4.5°)=0.0031，按均勻分布，其相對標準不確定度分量值為：0.180%。d)安裝影響引入的相對標準不確定度u地震計在振動臺臺面的安裝力矩和連接電纜固定會產(chǎn)生影響。結(jié)合實際工作經(jīng)驗，估計引入標準不確定度分量值為：0.100%。e)低頻振動標準裝置引入的相對標準不確定度分量u校準用的低頻振動標準裝置溯源至國家基準，靈敏度幅值擴展不確定度在16Hz為0.5%，0.1Hz～120Hz為1%?？紤]均與分布，查看校準證書最大示值誤差0.82%，認為均勻分布，估計標準不確定度分量值為：0.473%。f)多次測量重復(fù)性引入的相對標準不確定度u根據(jù)《地表地震計檢定規(guī)程實驗報告》，10次重復(fù)測量的相對標準差為0.04%，作為該項標準不確定度分量值。1.2.3各標準不確定度分量匯總示值誤差校準不確定度評定各標準不確定度分量見表1。表1標準不確定度分量標準不確定度分量u不確定度來源標準不確定度/%u數(shù)據(jù)采集器測量誤差0.058u激光干涉系統(tǒng)測量振動誤差0.050u橫向振動對地震計輸出電壓的影響0.180u安裝誤差對地震計靈敏度幅值測量影響0.100u低頻振動標準裝置對測量結(jié)果的影響0.473u多次重復(fù)性對測量結(jié)果的影響0.0401.2.4合成標準不確這些分量之間的無關(guān)或相關(guān)性很弱，在本報告中按相互獨立處理。合成標準不確定度ucuc=u11.2.5擴展不確定度U取包含因子k=2，則擴展不確定度為：U=k?u1.3地震計最大橫向靈敏度比因為橫向靈敏度和靈敏度是一起測量的，其影響因素也是一樣的，但振動臺橫向振動的影響不同，應(yīng)當為：最大的橫向靈敏度測量相對誤差為sin(3.0°)=0.052，考慮均勻分布，其相對標準不確定度分量值為：3.020%，表1中其它項不變，u3修改為3.020%，用(2)計算出橫向靈敏度相對標準不確定度為3.059%，擴展不確定度(k=2)為需要測量的是最大橫向靈敏度比，首先一個分向相對于另一個正交分向的橫向靈敏度比，為該分向相對正交分向的橫向靈敏度與該分向靈敏度的比，因為靈敏度標稱值為1000Vs/m，橫向靈敏度比的不確定度就是橫向靈敏度不確定度0.10%，即：0.006%。最大橫向靈敏度比取6個橫向靈敏度比中的最大值，故認定最大橫向靈敏度比的不確定度為0.006%，擴展不確定度(k=2)為0.012%。1.4靈敏度幅值頻率響應(yīng)靈敏度幅值頻率響應(yīng)測量與靈敏度測量方法相似，只是在不同頻率點輸入振動，測量地震計分向輸出在該頻點的響應(yīng)靈敏度。認定其不確定度與靈敏度測量不確定度一樣。1.5最大限幅速度最大限幅速度測量實際上是檢驗地震計在指定速度時輸出波形的失真度是否在限值以內(nèi)，只有滿足或不滿足，不做不確定評定。1.6幅值線性度幅值線性度偏差測量與靈敏度測量方法相似，只是在參考頻率點輸入不同振動，測量地震計分向輸出在參考頻率點、不同振動幅值輸入的電壓輸出，然后用輸入速度、輸出電壓的線性擬合得到線性參數(shù)，按擬合線性參數(shù)計算出不同振動幅值對應(yīng)輸出，再計算實測值與計算之差，并除以滿幅值得到各振幅點的線性偏差，然后所有偏差的最大值作為地震計該分向的線性偏差。顯然測量振幅點的輸出與振動臺振幅測量與不確定度的影響因素一致，但是振動臺振幅測量的絕對量值對線性偏差的影響可以不計，故表1中溯源傳感器的不確定度分量不考慮，這樣計算出表中剩余5個不確定分量合成的相對不確定度為0.22%。此外，線性偏差計算中的除以滿幅值對結(jié)果有衰減作用，通常地震計輸出的滿幅值可按單端10V計算，認為計算得到的線性度偏差不確定度應(yīng)當為：0.022%，擴展不確定度(k=2)為：0.044%。1.7振動臺測量項目不確定度評定結(jié)果匯總振動臺測量項目不確定評定結(jié)果匯總見表2。表2振動臺測量的地震計參數(shù)不確定評定結(jié)果序號測量項目不確定度(k=2)/%1靈敏度1.0322最大橫向幅值靈敏度比0.0123最大觀測速度——4靈敏度幅值響應(yīng)波動1.0325幅值線性度偏差0.0442電信號測量項目不確定度評定2.1概述實驗室：中國地震局地震預(yù)測研究所振動實驗室中國地震局第一監(jiān)測中心振動實驗室中國地震局地球物理研究所地震儀器測試與質(zhì)檢中心主要實驗樣機：GL-CS60、ITC-60A寬頻帶地震計，STS-2.5甚寬帶地震計。環(huán)境條件：23.5℃，36.5%RH。主要測量設(shè)備：GL-24GN地震數(shù)據(jù)采集器、DS360信號發(fā)生器。被測地震計安放在穩(wěn)固、振動干擾較小的平臺上或地面上。信號發(fā)生器（或：地震數(shù)據(jù)采集內(nèi)置校準信號發(fā)生器）的輸出端連接到被檢地震計的標定裝置驅(qū)動線圈。2.2固有周期和阻尼系數(shù)測量不確定度評定2.2.1測量方法信號發(fā)生器向校準線圈發(fā)送階躍信號，地震數(shù)據(jù)采集器記錄地震計的輸出信號，利用記錄的地震計階躍幅值響應(yīng)擬合，得到地震計的固有周期和祖尼系數(shù)。2.2.2固有周期和阻尼系數(shù)計算模型可以推導出地震計階躍響應(yīng)得振幅譜可以表示為(4)式。(4)式中：A(ω)——階躍響應(yīng)振幅譜，（m/s)/Hzω——角頻率,rad/sb、c——待求系數(shù)，a僅與階躍響應(yīng)幅度有關(guān)，b與自振周期和阻尼系數(shù)的關(guān)系，b與固有周期和阻尼系數(shù)有關(guān)系，c與固有周期有關(guān)T0——地震計固有周期D0——地震計阻尼系數(shù)2.2.3影響測試結(jié)果的不確定度分量地震計階躍響應(yīng)振幅譜的絕對響應(yīng)幅值對測量固有周期和阻尼系數(shù)沒有影響，影響測試結(jié)果不確定度因素主要包括信號發(fā)生產(chǎn)生的階躍信號的上升時間、階躍水平的穩(wěn)定度和環(huán)境噪聲?？紤]到現(xiàn)在信號發(fā)生器產(chǎn)生的階躍信號上升時間達到ns級、電路維持電平的穩(wěn)定度優(yōu)于10-6量級，階躍信號本身引起不確定度對地震計固有周期和阻尼系數(shù)測量可以忽略不計，主要的考慮來自環(huán)境振動。2.2.4影響測試結(jié)果的不確定度分量評定環(huán)境振動影響通過實際測試的重復(fù)性實驗來確定。根據(jù)實驗報告，三家實驗室的10次重復(fù)測量的固有周期最大相對標準差為：0.02%，阻尼系數(shù)最大相對標準差為：0.11%，分別作為其標準不確定度。2.2.5擴展不確定度評定因為只有一個影響測量結(jié)果不確定的分量，故認為固有周期、阻尼系數(shù)測量不確定度評定就是環(huán)境影響的分量不確定度，按包含因子2計算得到的固有周期、阻尼系數(shù)擴展不確定結(jié)果見表3。表3固有周期、阻尼系數(shù)擴展不確定度評定結(jié)果標準相對不確定度/%擴展不確定度(K=2)/%固有周期0.020.04阻尼系數(shù)0.110.223寧靜硐室自噪聲測量項目不確定度評定3.1實驗概述實驗室：中國地震局地震預(yù)測研究所振動實驗室中國地震局第一監(jiān)測中心振動實驗室中國地震局地球物理研究所地震儀器測試與質(zhì)檢中心主要實驗樣機：GL-WS120、JS-120、STS-2.5甚寬帶地震計。測試環(huán)境：分別為中國地震局地球物理研究所白家疃地震臺寧靜硐室、山東馬陵山國家比測基地觀測寧靜硐室，都符合《地表地震計檢定規(guī)程征求意見稿》規(guī)定自噪聲測量環(huán)境條件。主要測量設(shè)備：GL-24GN地震數(shù)據(jù)采集器。被測地震計安裝寧靜硐室內(nèi)儀器平臺上，地震計單獨防護，連接到地震數(shù)據(jù)采集器，連續(xù)觀測記錄3個月以上。取得觀測數(shù)據(jù)后，按規(guī)程規(guī)定的計算方法處理數(shù)據(jù)得到地震計的自噪聲。3.2影響測量結(jié)果的不確定因素分析地震計自噪聲測量可能受到地震數(shù)據(jù)采集器噪聲的影響、儀器對齊誤差、環(huán)境干擾的影響。就目前的技術(shù)而言，選擇目前的高水平地震數(shù)據(jù)采集器，選擇合適的測量檔位，可以達到較好的地震計自噪聲測量效果。采用本檢定規(guī)程規(guī)定的測量方法，可以消除儀器對齊的影響，同時只要測量場地條件符合規(guī)程規(guī)定的自噪聲測量場地要求，算法可以消除環(huán)境干擾、安裝對齊誤差產(chǎn)生的影響。自噪聲檢定測量產(chǎn)出指標有3個：長周期自噪聲、短周期自噪聲。3.3地震計自噪聲測量不確定度確定綜上，按本規(guī)程規(guī)范操作，可以得到準確的地震計自噪聲測量結(jié)果。但是因為自噪聲本身是一個本底，在此基礎(chǔ)上測量的波動與本底是同一數(shù)量水平，采用相對標準差看起來很大，并不合適，而用絕對值，波動又會隨著自噪聲的變化而變化，要確定地震自噪聲相關(guān)的測量不確定度目前來看還比較困難。表4給出三家實驗測量得到長周期自噪聲、短周期自噪聲、動態(tài)范圍均值和的標準差。本報告暫不做不確定評價表4多家實驗室測量得到的地震計自噪聲數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果測量項目分向預(yù)測所一測地球所均值標準差均值標準差均值標準差長周期自噪聲

/(m2s-4Hz-1)Z2.12E-194.80E-201.83E-192.19E-202.29E-194.35E-20X2