國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)裝置為超低頻振動(dòng)計(jì)量提供技術(shù)支撐

慕名步入中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱“中國(guó)計(jì)量院”）昌平實(shí)驗(yàn)基地的振動(dòng)與重力實(shí)驗(yàn)室，眼前這個(gè)地基構(gòu)筑在基巖上的大家伙——超低頻振動(dòng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)裝置，讓人震撼不已。工作臺(tái)上，一排大小不一、形狀各異的待檢儀器，最先吸引了大家的注意。
　　“這個(gè)黑色方塊是用于橋梁振動(dòng)測(cè)量的傳感器、這個(gè)高壓鍋狀的是長(zhǎng)周期地震計(jì)……”，裝置負(fù)責(zé)人中國(guó)計(jì)量院力學(xué)與聲學(xué)研究所副所長(zhǎng)于梅如數(shù)家珍。而為這些傳感器、地震計(jì)等提供校準(zhǔn)服務(wù)的，正是獲得2011年度全國(guó)質(zhì)檢系統(tǒng)“科技興檢”一等獎(jiǎng)的“超低頻振動(dòng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)裝置”。                                                                                                 
                                                                                        超低頻振動(dòng)計(jì)量需求迫切
　　行駛在跨海大橋上，由風(fēng)導(dǎo)致的橋梁振動(dòng)；在高層建筑的某層屋內(nèi)，樓下汽車發(fā)動(dòng)的振動(dòng)；在實(shí)驗(yàn)室里，一公里外地鐵駛過的振動(dòng)……在日常生活中，這些細(xì)微振動(dòng)變化您也許早已司空見慣，不以為意。但對(duì)于地震觀測(cè)、地質(zhì)勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)、航空航天、精密制造等領(lǐng)域來說，振動(dòng)監(jiān)控具有重要的意義。　　據(jù)中國(guó)計(jì)量院振動(dòng)與重力實(shí)驗(yàn)室的楊麗峰介紹，計(jì)量部門通常將振動(dòng)分為高頻、中頻、低頻三個(gè)頻段。高頻（5-50）kHz主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域；中頻（20-5000）Hz主要應(yīng)用于電子通訊、交通車輛和機(jī)械制造等領(lǐng)域；低頻（0.1-120）Hz主要應(yīng)用于水利電力、橋梁大壩和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。
　　超低頻振動(dòng)（0.002-0.1）Hz，是近年來隨著地震觀測(cè)、地質(zhì)勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)、航空航天、結(jié)構(gòu)和生物動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展而出現(xiàn)的一個(gè)新概念。于梅研究員以我國(guó)近2000個(gè)測(cè)震臺(tái)、站廣泛使用的各類地震計(jì)為例，“如中周期地震計(jì)低頻為0.05 Hz，（甚）寬頻帶地震計(jì)低頻為0.003Hz，海底地震觀測(cè)更屬于超低頻特大位移（0.05Hz；±10m）的測(cè)量……”。
　　此外，“懸索、斜拉等大跨度橋梁和高層建筑結(jié)構(gòu)自振頻率多數(shù)已低于0.1Hz；廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、機(jī)械制造、航空醫(yī)學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生和勞動(dòng)防護(hù)等生物動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域的人體振動(dòng)計(jì)，其頻率測(cè)量下限為0.063Hz；核爆炸的振動(dòng)下限已達(dá)0.003Hz……”，超低頻振動(dòng)計(jì)量需求迫切。
　　而目前，我國(guó)的國(guó)家低頻振動(dòng)基準(zhǔn)頻率下限為0.1Hz（最大加速度7.5mm/s2），最大振幅40mm，其測(cè)量能力遠(yuǎn)不能滿足需求。在此背景下，在科技部科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)項(xiàng)目的支持下，中國(guó)計(jì)量院于2005年開展了“超低頻振動(dòng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究與建立”工作。
                                                                                            自主創(chuàng)新，國(guó)際領(lǐng)先
　　于梅研究員介紹，這個(gè)構(gòu)造繁雜超低頻振動(dòng)基準(zhǔn)裝置，由超低頻振動(dòng)激勵(lì)系統(tǒng)和激光測(cè)振系統(tǒng)兩部分組成，前者包括水平和垂直向振動(dòng)臺(tái)、功率放大器、反饋控制器和拖曳同步跟蹤系統(tǒng)等，后者則由零差正交激光干涉儀和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成。其中，在水平向振動(dòng)臺(tái)、拖曳同步跟蹤系統(tǒng)、負(fù)反饋控制系統(tǒng)、零差正交激光干涉儀、超低頻伺服加速度計(jì)套組等部分都實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新突破，解決了很多困擾國(guó)際振動(dòng)計(jì)量界的技術(shù)難題。

　　“超低頻、大位移、大負(fù)載、低失真”，是于梅對(duì)超低頻振動(dòng)基準(zhǔn)裝置特點(diǎn)的提煉。裝置在超低頻段實(shí)現(xiàn)的激光絕對(duì)法振動(dòng)加速度幅值和相位測(cè)量，在國(guó)內(nèi)外具有大位移（1m（p-p）水平、0.1m（p-p）垂直）、頻率最低（頻率測(cè)量下限0.002Hz）、承載最大（最大可承載30kg）、失真度最小（加速度失真度1%）的顯著特點(diǎn)，可以滿足各類超低頻振動(dòng)傳感器（包括大體積、大重量地震計(jì)）校準(zhǔn)溯源的需求，而其測(cè)量不確定度更是控制在國(guó)際領(lǐng)先的范圍內(nèi)。
　　鑒于此，專家鑒定意見書上，對(duì)裝置的重要意義及其國(guó)際地位精準(zhǔn)總結(jié)為：“課題的完成填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外（0.002~0.1）Hz激光絕對(duì)法振動(dòng)幅值和相位校準(zhǔn)的空白，屬自主創(chuàng)新科研成果，研制的校準(zhǔn)裝置屬國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)，主要技術(shù)指標(biāo)為國(guó)際領(lǐng)先水平，具有重大推廣應(yīng)用價(jià)值。”
　　2010年8月，國(guó)際同行評(píng)審專家考察后，在《中國(guó)計(jì)量院質(zhì)量體系和CMC同行評(píng)審報(bào)告》中得出如此評(píng)價(jià)“……在（中國(guó)計(jì)量院）昌平院區(qū)新的實(shí)驗(yàn)室有很好的高精度儀器設(shè)備，特別是超低頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。基于這些設(shè)備和優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)，振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室無疑是領(lǐng)先實(shí)驗(yàn)室之一。”　　　　　                                                                   超低頻量值統(tǒng)一的源頭
        要想準(zhǔn)確測(cè)量出頻率越來越低的振動(dòng)，需要有更加精準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)裝置作為校準(zhǔn)測(cè)量的“尺子”和統(tǒng)一的量值源頭。
　　2009年，我國(guó)在超低頻振動(dòng)裝置上完成了國(guó)內(nèi)低頻振動(dòng)量值比對(duì)實(shí)驗(yàn)。目前，基準(zhǔn)裝置已在地震、電力、物探和計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)成功得到推廣移植，解決了伺服加速度計(jì)、地震計(jì)、人體振動(dòng)計(jì)等超低頻振動(dòng)傳感器校準(zhǔn)及相關(guān)領(lǐng)域超低頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)裝置的量值溯源問題，為它們提供檢測(cè)和校準(zhǔn)服務(wù)共享平臺(tái)。如，為北京地震局某型號(hào)地震計(jì)、成都松源有限公司及中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院某所等單位超低頻振動(dòng)測(cè)量?jī)x器的研發(fā)提供技術(shù)支撐和校準(zhǔn)服務(wù)，解決了國(guó)內(nèi)現(xiàn)有低頻校準(zhǔn)裝置無法滿足校準(zhǔn)要求的難題。
　　在標(biāo)準(zhǔn)裝置的基礎(chǔ)上，2008年，中國(guó)計(jì)量院研發(fā)了超低頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)套組，為我國(guó)低頻振動(dòng)量值溯源體系提供了傳遞和核查標(biāo)準(zhǔn)。2009年，被作為核查標(biāo)準(zhǔn)器完成了超低頻裝置的穩(wěn)定性考核，并在國(guó)內(nèi)低頻振動(dòng)量值比對(duì)中被成功應(yīng)用，為我國(guó)低頻振動(dòng)的量值統(tǒng)一發(fā)揮了重要作用。2010年還被亞太計(jì)量規(guī)劃組織（APMP）確定為低頻振動(dòng)國(guó)際比對(duì)的傳遞標(biāo)準(zhǔn)，在中國(guó)計(jì)量院主導(dǎo)完成的亞太地區(qū)低頻振動(dòng)國(guó)際比對(duì)發(fā)揮了重要作用。
　　目前，這套超低頻振動(dòng)套組已完成了湖南電力公司試驗(yàn)研究院、中國(guó)地震局哈爾濱工程力學(xué)研究所的超低頻振動(dòng)校準(zhǔn)裝置項(xiàng)目的技術(shù)驗(yàn)收；為中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心研發(fā)的多通道超低頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)套組，已應(yīng)用于地震計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。
　　值得一提的是，被應(yīng)用于飛行器姿態(tài)控制等航空航天和軍事領(lǐng)域的低頻QA3000型伺服加速度計(jì)是目前國(guó)際上公認(rèn)精度最高的伺服加速度計(jì)。中國(guó)計(jì)量院研制的超低頻振動(dòng)套組，與其性能不相上下。在真正意義上實(shí)現(xiàn)超低頻振動(dòng)加速度的測(cè)量，解決了因發(fā)達(dá)國(guó)家的禁銷，造成低頻和超低頻振動(dòng)沒有傳遞標(biāo)準(zhǔn)器，量值無法統(tǒng)一，嚴(yán)重制約振動(dòng)計(jì)量及地震、物探等相關(guān)行業(yè)測(cè)量技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題。