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

發(fā)布時(shí)間:2012-06-14 作者:劉旭紅 來源:國家計(jì)量院 瀏覽:3198

  慕名步入中國計(jì)量科學(xué)研究院(以下簡稱“中國計(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,最先吸引了記者的注意。

  “這個(gè)黑色方塊是用于橋梁振動(dòng)測量的傳感器、這個(gè)高壓鍋狀的是長周期地震計(jì)……”,裝置負(fù)責(zé)人中國計(jì)量院力學(xué)與聲學(xué)研究所副所長于梅如數(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年度全國質(zhì)檢系統(tǒng)“科技興檢”一等獎(jiǎng)的“超低頻振動(dòng)國家標(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。但對于地震觀測、地質(zhì)勘探、環(huán)境監(jiān)測、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、地質(zhì)勘探、環(huán)境監(jiān)測、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。于梅研究員以我國近2000個(gè)測震臺(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,海底地震觀測更屬于超低頻特大位移(0.05Hz;±10m)的測量……”。

  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,我國的國家低頻振動(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,中國計(jì)量院于2005年開展了“超低頻振動(dòng)國家標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究與建立”工作。

自主創(chuàng)新,國際領(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)的激光絕對法振動(dòng)加速度幅值和相位測量,在國內(nèi)外具有大位移(1m(p-p)水平、0.1m(p-p)垂直)、頻率最低(頻率測量下限0.002Hz)、承載最大(最大可承載30kg)、失真度最?。铀俣仁д娑?%)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,而其測量不確定度更是控制在國際領(lǐng)先的范圍內(nèi)。

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  鑒于此,專家鑒定意見書上,對裝置的重要意義及其國際地位精準(zhǔn)總結(jié)為:“課題的完成填補(bǔ)了國內(nèi)外(0.002~0.1)Hz激光絕對法振動(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)裝置屬國內(nèi)外首創(chuàng),主要技術(shù)指標(biāo)為國際領(lǐng)先水平,具有重大推廣應(yīng)用價(jià)值。”

  2010年8月,國際同行評(píng)審專家考察后,在《中國計(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)測量的“尺子”和統(tǒng)一的量值源頭。

  2009年,我國在超低頻振動(dòng)裝置上完成了國內(nèi)低頻振動(dòng)量值比對實(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運(yùn)載火箭技術(shù)研究院某所等單位超低頻振動(dòng)測量儀器的研發(fā)提供技術(shù)支撐和校準(zhǔn)服務(wù),解決了國內(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,中國計(jì)量院研發(fā)了超低頻振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)套組,為我國低頻振動(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,并在國內(nèi)低頻振動(dòng)量值比對中被成功應(yīng)用,為我國低頻振動(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)國際比對的傳遞標(biāo)準(zhǔn),在中國計(jì)量院主導(dǎo)完成的亞太地區(qū)低頻振動(dòng)國際比對發(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)場檢測。

  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)是目前國際上公認(rèn)精度最高的伺服加速度計(jì)。中國計(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)加速度的測量,解決了因發(fā)達(dá)國家的禁銷,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)測量技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題。

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