國家標準裝置為超低頻振動計量提供技術支撐

工作臺上放著一排大小不一、形狀各異的待檢儀器，有方塊狀、圓柱狀、高壓鍋狀；黑色、銀色、綠色，銀黑相間。“這個黑色的方塊是用于橋梁振動測量的傳感器，這個高壓鍋狀的儀器是長周期地震計……”裝置負責人、中國計量院力學與聲學研究所副所長于梅如數家珍。而為這些傳感器、地震計提供校準服務的，正是獲得2011年度全國質檢系統科技興檢一等獎的超低頻振動國家標準裝置。

    需求迫切

    行駛在跨海大橋上，由風吹導致的振動；在高層建筑的某個房間里，樓下汽車發動時引起的振動；實驗室里，一公里外地鐵駛過時產生的振動……日常生活中，您也許對這些細微的振動早已司空見慣，甚至根本就沒有留意到。但對于地震觀測、地質勘探、環境監測、航空航天、精密制造等領域來說，這些微小得幾乎感覺不到的振動監控卻有著重要意義。

    據中國計量院振動與重力實驗室的楊麗峰介紹，計量學通常將振動分為高頻、中頻、低頻3個頻段。高頻（5~50kHz）主要應用于航空航天領域；中頻（20~5000Hz）主要應用于電子通訊、交通車輛和機械制造等領域；低頻（0.1~120Hz）主要應用于水利電力、橋梁大壩和環境監測等領域。

    “超低頻振動（0.002~0.1Hz）是近年來隨著地震觀測、地質勘探、環境監測、航空航天、結構和生物動力學等領域的發展而出現的一個新概念。”于梅以我國近2000個測震臺、站廣泛使用的各類地震計為例告訴記者，中周期地震計低頻為0.05Hz，寬頻帶地震計低頻只有0.003Hz，海底地震觀測則屬于超低頻特大位移的測量。此外，懸索、斜拉等大跨度橋梁和高層建筑結構自振頻率多數也已低于0.1Hz；廣泛應用于交通運輸、機械制造、航空醫學、醫療衛生和勞動防護等生物動力學研究領域的人體振動計，其頻率測量下限為0.063Hz；核爆炸的振動下限已達0.003Hz。可見，超低頻振動計量需求迫切。

    而目前，我國的國家低頻振動基準頻率下限為0.1Hz，最大振幅為40mm，其測量能力遠不能滿足需求。

    自主創新

    據于梅介紹，眼前這個構造繁雜的超低頻振動標準裝置，由超低頻振動激勵系統和激光測振系統兩部分組成，前者包括水平和垂直向振動臺、功率放大器、反饋控制器和拖曳同步跟蹤系統等，后者則由零差正交激光干涉儀和數據采集處理系統組成。其中，在水平向振動臺、拖曳同步跟蹤系統、負反饋控制系統、零差正交激光干涉儀、超低頻伺服加速度計套組等部分，都實現了關鍵技術的創新突破，解決了很多困擾國際振動計量界的技術難題。

    “超低頻、大位移、大負載、低失真”，是于梅對超低頻振動標準裝置特點的提煉。在鑒定意見書上，專家們對裝置的重要意義及其國際地位總結為：“課題的完成填補了國內外（0.002~0.1Hz）激光絕對法振動幅值和相位校準的空白，屬自主創新科研成果，研制的校準裝置屬國內外首創，主要技術指標為國際領先水平，具有重大推廣應用價值。”國際同行評審專家考察裝置后作出評價：“在昌平院區新的實驗室有很好的高精度儀器設備，特別是超低頻振動標準系統。基于這些設備和優秀的團隊，振動實驗室無疑是領先實驗室之一。”

    成功推廣

    2009年，我國在超低頻振動裝置上完成了國內低頻振動量值比對實驗。目前，標準裝置已在地震、電力、物探和計量技術機構成功得到推廣，解決了伺服加速度計、地震計、人體振動計等超低頻振動傳感器校準及相關領域超低頻振動標準裝置的量值溯源問題，為它們提供檢測和校準服務共享平臺。

    在標準裝置的基礎上，中國計量院又研發了超低頻振動標準套組，為我國低頻振動量值溯源體系提供了傳遞和核查標準。目前，這套超低頻振動套組已完成了湖南電力公司試驗研究院、中國地震局哈爾濱工程力學研究所的超低頻振動校準裝置項目的技術驗收；為中國地震局工程力學研究所強震動臺網中心研發的多通道超低頻振動標準套組，已應用于地震計的現場檢測。

    值得一提的是，應用于飛行器姿態控制等航空航天和軍事領域的低頻QA3000型伺服加速度計是目前國際上公認精度最高的伺服加速度計。中國計量院研制的超低頻振動套組，與其性能不相上下，在真正意義上實現了超低頻振動加速度的測量，解決了因發達國家的禁銷，造成低頻和超低頻振動沒有傳遞標準器、量值無法統一、嚴重制約振動計量，以及地震、物探等相關行業測量技術發展的瓶頸問題。《中國質量報》