第四节 振动测量仪器和实验设备
第四节 振动测量仪器和实验设备
一、强震仪
1984～1987年，工力所孙桂绵，王家行，李忠良，于海力，刘长江等研制SCQ－1型数字磁带强震仪，1987年 8月通过鉴定，认为，SCQ－1系统是国内首次研制成功的数字磁带强震加速度观测系统，产品设计思路正确，在吸收、引进产品的基础上有了改进和提高，系统配套性强，并注意与已有产品的兼容，在抗线路电器干扰能力方面明显优于国外同类产品。经测试表明其主要技术指标已达到国外同类产品水平，经使用证明该产品性能稳定可靠，记录质量优良，能满足当时实际观测的要求。该系统还具有时间显示和野外回放的功能，并开发了与国内主流微机兼容的联机回放处理软件。该仪器生产了60余台，用于中国强震观测中。该强震仪1990年获得国家科技进步奖三等奖。
1990年，工力所王家行、胡振荣等对RDZ1－12－66型强震仪（工力所1966年研制）的电子部分进行改造，研制RDZ1－12－90型强震仪。主要改造了相对时标，增加了马达稳速电路，改造了触发控制系统等。对地震局系统所属强震仪均进行了改造（约75套）。该成果获得国家地震局科技进步奖三等奖。
1997～1998年，工力所杨学山、魏继武、徐增标、刘华泰等研制GDQJ－1型固态地震动强度记录仪，并通过中国地震局组织的专家验收。验收专家一致认为，该仪器采用了近年来国际强震仪器的若干新技术，是中国第一台既能远程遥控自动速报烈度有关参数，又具有固态数字强震仪功能的地震动强度记录仪，实现了一机两用。该仪器具有多种触发方式和多种数据传输方式，可提供7个工作窗供用户编程，采用了先进的GPS授时技术。该仪器是一种自动记录地震、自动远程遥控速报地震参数和建筑物破坏情况（烈度大小）的多功能智能化仪器，可用于微震观测、强震观测和工程振动测量。2000年1月又研制GDQJ－1A型固态地震动强度记录仪，并通过中国地震局组织的专家验收，该仪器，采用24位ΔΣA／D芯片，提高了仪器的分辨率；采用FIR数字滤波器，提高了工作频带性能和滤波陡度，消除了化名频率。2000年2月24日，中国地震局指定工力所生产68台GDQJ－1A型固态地震动强度记录仪。2001年4月，在首都圈防震减灾示范区系统工程项目国际招标，工力所研制的GDQJ—1A型固态地震仪器中标（50套）。同年，承担福建省11台强震观测台网建设（11台强震仪）任务。 同年5月，完成中国援助智利6台GDQJ—1A型固态地震动强度记录仪的任务，10月24日由时任国家主席江泽民赠送智利总统。
2002年，工力所魏继武、高峰、刘华泰等研制GDQJ－2型系列固态数字强震仪，与GDQJ－1型固态数字强震仪相比，提高了内存量，增加了实时显示功能。
二、工程振动测量仪器
为了准确测定落锤对桩基的冲击力，1989年工力所黄振平、王绍荣等研制DY－1型动态压力计。该仪器既可用于桩基动测中，亦可用于各种结构物振动试验中的冲击力的测量。该仪器已多次应用于工程实测中。整套仪器由力传感器和显示器两部分组成，可直接显示出冲击力的峰值，亦可配接记录器记录冲击力的时程曲线，以供分析之用。主要技术指标：灵敏度〖SX（〗1mv〖〗kg·f〖SX）〗；最大量程2500kg·f；通频带0.2～500赫兹；分辨率2kg·f。同年，工力所王家行、胡振荣等研制WLJ－1型微功耗力平衡加速度计。WLJ－1型微功耗力平衡加速度计是SCQ－1型数字记录器的配套仪器，该仪器最大特点是功耗低，仅有0.7毫安，动态范围广，可广泛用于强震观测和一般低频振动测量。该加速计与SCQ－1型记录器配套1990年获得国家科技进步奖三等奖。
1990年，工力所黄振平、王绍荣，杨学山等研制SD－1型速度摆速度计、WY－1型位移摆位移计，已多次在测试现场实际应用，获得了多条有实用价值的记录数据。该两种型号的传感器均采用了先进的闭环伺服及电容换能技术。机械结构相同，但由于电参数设计上的区别，因而构成了速度计和位移计。该仪器主要用于测量基岩、深井的微弱振动信号及地面、结构物的脉动信号等。该仪器具有稳定可靠，低频特性好、瞬态失真小、输出阻抗低等特点，可直接与各种记录仪器配接。
1992年，工力所王绍荣、黄振平等研制ZF型振动幅值仪系列。其特点是把传感器、适配器和显示器集为一体，使整套仪器小型化，结构简单、操作方便、易于携带，普通工作人员既可很快掌握和使用。仪器具有峰值保持功能，可直接测量测点振动的最大峰值，亦可与各种记录仪器连接，记录测点振动的时程曲线，以供分析之用。该类仪器采用干电池供电，耗电极省，因此，特别适合无交流电测试场合使用。该类仪器研制成功以后，为了满足各种场合和领域的需要，先后开发了ZF－1型（单通道）、ZF－3型（三通道）、ZF－31型（用于大位移测量）、ZF－32型（用于爆破影响场的测量）等四个型号的振动幅值仪。已广泛应用于铁路、桥梁、工程振动等多个领域。由于该类仪器使用方便，价格低廉，深受用户欢迎，已向社会销售多台。
工力所杨学山、王绍荣、程建伟、杨巧玉、董玲等将无源伺服技术应用于低频往复摆上，1994年研制适用于一般桥梁和大跨度桥梁动态特性测量的超低频、大量程、宽频带、多功能的941B型超低频测振仪。在低频工程振动测量中得到广泛应用，且出口美国、瑞典等国。
1994～1996年，工力所王家行、胡振荣、吕尊子、宋银美、杜美琪等研制SLJ－100型三分向力平衡加速度计，1996年通过鉴定，鉴定意见认为，该仪器的研制得到国家地震局8.5重点科技项目的支持，国内首次采用力平衡原理研制机电一体化三分向加速度计，仪器设计技术线路先进，具有高精度，大动态范围，主要技术指标优于国际地震界通用产品的技术指标，总体达到同类产品国际先进水平。该仪器参与澳大利亚、日本、美国、古巴、巴基斯坦、智力、中国香港等国家和地区的技术合作项目，并出口上述国家。1997年获得国家地震局科技进步奖二等奖。
针对传统测振仪在大跨度斜拉桥、悬索桥和高层建筑等结构健康诊断和超低频振动测量存在的问题，1995～2002年，工力所杨学山、黄振平、黄浩华、程建伟、马树林等研制低频和超低频工程振动测量仪器。在科技部专项基金和哈尔滨市科委的支持下，利用新技术研制成功多种低频及超低频工程防灾检测仪器。出版专著《工程振动测量仪器和测试技术》一书，发表多篇论文，从理论上对低频和超低频振动测量仪器及有关测试技术作了较为详细的分析研究。并研制如下系列仪器：①将无源伺服技术应用于特殊设计的往复摆上，研制全天候抗冲击的891型系列（891－1、891－2、891－3）多功能测振仪（已获专利权），为公路、铁路桥梁等低频结构的振动监测和健康诊断提供理想的仪器；②将无源伺服技术应用小体积回转摆上，研制991型超低频（0.05赫兹）多功能测振仪，解决了悬索桥斜拉桥等超低频工程防灾检测问题；③将有源伺服技术应用于小体积的直线摆上，研制921型超低频（0.05赫兹）特大量程（±10米）的速度（位移）计 （已获专利权），解决了海浪预报等超低频特大位移的振动测量；④研制闭环极点补偿式拾振器。在小体积的地震检波器上实现了低频和中频特性的扩展，为汽轮机等大型机械的故障诊断提供了新手段；⑤研制单线圈自反馈式加速度计，为人体关节的振动测量提供了新仪器，该项技术具有潜在的应用前景；⑥研制ZF－3型振动幅值仪，为低频机械振动和结构振动的振幅测量提供了新手段。这些低频及超低频仪器已经广泛应用于地震工程、桥梁工程、场地地震安全性评价、桩基和建筑等动力基础的振动测量中。获得显著的经济和社会效益 ，产品已进入国际市场。该系列仪器2004年获国家科技进步奖二等奖。
三、振动台
工力所黄浩华、李秀菊、徐文德等与天水红山试验机厂共同研制的5×5米双水平向地震模拟振动台，于1988年通过鉴定并建成投入使用，该设备为中国自行研制的最大的地震模拟振动台，获建设部科技进步奖三等奖。
1996～1997年，工力所黄浩华、王绍荣、李忠良、刘永昌等对邮电部中国通讯建设第一工程局的2×1.5米振动台进行改造，研制2×1.5米垂直或水平二用地震模拟振动台，实现了地震模拟，获邮电部科技进步奖二等奖。
四、土动力学试验设备
动三轴装置是土动力学实验室的主要仪器，可用来测定土的动强度和变形特性，是国内外进行土动力学实验的必备装置。为了满足科研和工程咨询工作需求，1998～2001年，在国家科技部和中国地震局支持下，工力所袁晓铭、韩俊伟、孙锐、石兆吉、赵惠与哈尔滨工业大学合作研制ZDSZ－1全自动地震波输入动三轴装置。该装置具有力和位移两种实验控制方式，由两台单向振动三轴仪组成，具有常规静动功能，同时增加了任意波输入功能，并初步实现了联机系统的硬件配套，在一些重要指标和功能上有所进展和突破。该装置特点：①实现了动三轴系统的全数字闭环控制，实现了系统围压、反压、液压源的自动控制和系统参数的自动测量，有效地提高了系统的频宽并改善了系统精度；②实现了力、位移控制下的数字式滞后校正，提高了力、位移控制的静态精度，使研制的动三轴具有静态精度高、动态频响宽的特点；③实现了动三轴系统控制的全自动化；④实现了具有柔性负载的力控制系统补偿，使力控制下系统的频宽达到20赫兹，很好地实现了地震波实验功能；⑤实现了力、位移控制的软切换，扩展了仪器功能；⑥具有专为土工实验设计的Windows环境下实验控制界面和系统调节界面，操作方便。
共振柱试验机是研究岩土介质动力学性能的重要设备，主要用于测定材料的动剪切模量和阻尼比，由于共振柱试验机原理简单、操作方便、边界条件清晰、结果离散小等优点，已成为小应变范围内测定材料动剪切模量的最好的仪器。为了满足科研和工程咨询工作需求，在国家科技部和中国地震局支持下，1998～2001年，工力所徐增标、刘华泰、庞兵、石兆吉研制DGZ－1多功能共振柱实验机。该实验机能完成一般土工试验，其特点：①实现了试验安装和施加围压过程的机械手控制，可保证软土试样的横平竖直；②实现了试样偏压固结功能；③实现了岩石及试样动剪切模量和阻尼比测试功能；④实现了饱和土动剪切模量和阻尼比测试功能；⑤具有专为土工实验设计的Windows环境下实验控制界面和系统调节界面，具有自动扫频和图形显示功能，操作方便。
