强震培训手册GLA系列.docx

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强震培训手册GLA系列

地震观测仪器

GL-A系列

三分向加速度计

培训手册

合肥震中工程技术有限公司

2019年3月

第一章GL-A系列加速度计概述

1.1GL-A系列加速度计的结构

GL-A系列加速度计用于感应三轴向的振动加速度信号，并把振动信号按比例转换为电压信号输出，实现振动测量。

其整体由北南、东西、垂直三个分向的加速度传感器组成，三个独立传感器相互正交，密封在一个122mm×122mm×63mm铝制机壳内。

GL-A系列加速度计内部包括三个独立的单分向加速度传感器和各分向对应的反馈电路、标定控制电路及零点调节电路，以及三个分向共用的DC/DC电源变换电路、正弦振荡电路等。

GL-A系列加速度计外观如图1-1所示。

GL-A系列加速度计内部组装结构如图1-2所示。

GL-A系列加速度计内部单分向加速度计的结构如图1-3所示。

图1-1GL-A系列加速度计外观

图1-2GL-A系列加速度计内部组装结构图

图1-3GL-A系列加速度计内部分向结构图

1.2GL-A系列加速度计的基本特征与功能

GL-A系列加速度计采用机电一体化设计，应用了力平衡电子反馈技术，具有线性好，频带宽，动态范围大的特点。

1）GL-A系列加速度计的外部电源由19芯航空插座接入，电压范围为+9~+18伏直流，单电源供电。

输出的电压信号也由19芯航空插座输出，信号输出采用了双端平衡驱动方式。

2）GL-A系列加速度计采用先进的电路设计，使得传感器的技术参数一致性好、性能稳定，整机重量轻、体积小。

3）GL-A系列加速度计的机壳上设置了两个可调的底脚螺钉和水平泡，用于安装时调整水平。

机壳底部设计有安装孔，安装方式简便。

4）GL-A系列加速度计的机壳上设置有三个零点调整窗口，借助于专用工具可以调整三个分向的机械零点。

这一特点使得GL-A系列加速度计在重新调整零点后能够安装到垂直墙面上使用。

5）GL-A系列加速度计内部设置了标定电路，可通过计算机远程对仪器进行检查和标定，大大的方便了检测工作。

6）GL-A系列加速度计使用寿命长、性能可靠，对仪器的运输不必防护，不必担心机械零件损坏，并可在恶劣环境中使用。

7）GL-A系列加速度计采用反馈技术来弥补普通传感器的机械特性缺陷，克服了弹性测量部件的非线性失真。

其低频从0赫兹开始，可以实现各种低频、超低频振动测量，适用于建筑、交通、地质、地震、海洋、水利、机械、军事、桥梁、环境等工程低频振动测量。

1.3GL-A系列加速度计工作原理

GL-A系列加速度计内部三个单分向加速度计的结构完全相同，其原理框图如下：

图1-4GL-A系列加速度计反馈原理图

信号源输出一个高频的载波信号并加载到电容换能器极板上，当地面静止时，加速度输入为零，此时如果机械零点调节良好，电容换能器中间极板位于上下极板的正中心，地震计的输出电压为零。

当地面发生运动时，连接在弹簧片末端的电容上下极板相对于固定不动的中间极板产生相对位移，导致中间极板偏离上下极板的正中心，此时，与载波信号频率相同的一个AC信号将被传送到放大器1的输入端，经放大器1放大后输出到解调器进行解调。

解调器根据来自信号源的同步信号对输入AC信号实施同步解调和滤波，最终得到一个输出信号，该信号与电容极板偏离中心位置的位移量成正比。

为了改变以弹簧、上下电容极板构成的弹性振荡系统的性能，从加速度计的输出端引出部分电信号，经过反馈网络加载到反馈线圈上，反馈线圈与电容极板相连，并置于永磁体产生的静磁场中。

流经反馈线圈的电流在磁场的作用下产生抵抗极板运动的力，从而改变机械振荡体系的性能，使摆体闭环特性达到预期的性能要求。

1.4GL-A系列加速度计性能指标

第二章GL-A系列加速度计安装指南

2.1GL-A系列加速度计的附件

图2-1GL-A系列加速度计标配附件

图2-2GL-A系列加速度计选配附件

2.2GL-A系列加速度计方位指向定义

GL-A系列加速度计的三个传感器分向相互正交，构成XYZ三轴坐标系。

X、Y、Z轴的正方向分别对应摆体三分向输出的正方向。

GL-A系列加速度计的顶盖上印有标示箭头，指明三分向坐标系的对应方向。

见图2-3。

当XYZ坐标系对应于地理方位时，应遵循：

X+→地理-东（EW+）X-→地理-西（EW-）

Y+→地理-北（NS+）Y-→地理-南（NS-）

Z+→垂直-上（UD+）Z-→垂直-下（UD-）

图2-3GL-A系列加速度计方位指向示意图

2.3GL-A系列加速度计安装前准备

正式安装之前，要根据观测目的选择安装场地，同时准备好必要的工具（冲击钻、钻头、锤子、指南针等），确认数据采集器、专用电缆、笔记本电脑已安置到位，并保证场地供电正常。

在结构上安装（对结构的方向要求较严谨）

在已经存在的结构上安装GL-A系列加速度计，可能需要根据实际情况订制安装附件（随机安装附件可能不适合所有场合的安装情况）。

注：

安装GL-A系列加速度计到任何层面或钢结构之前，要提前确定GL-A系列加速度计的定位方向。

对于在结构上安装，GL-A系列加速度计的定位方向通常与结构的主轴平行。

在自由场安装

在自由场安装GL-A系列加速度计，一般需要一个水泥台基用于固定。

水泥台基应构建在完整的基岩上，表面应确保平整、无尘、干燥。

如使用随机附件安装GL-A系列加速度计，在水泥台基上预留的安装面积不应小于200x200mm。

注：

水泥台基上应提前标有与地理南-北或东-西一致的方位标线，以便在安装时使GL-A系列加速度计顶上的坐标系箭头地理方向对应，即Y轴箭头指向地理北，而这正是自由场强震研究的正常定向。

假如用指南针来确定地理正北，就要根据当地地理正北与磁北的偏差加以修正。

2.4GL-A系列加速度计的自由场安装

在确认场地及相关设备准备好以后，请按照以下步骤进行安装：

1.使用指南针在水泥台基上预留的安装平面的正中位置画一条方位基准线，该基准线应为东-西走向（方位角为0度）。

在线的两端标明东和西。

注：

如果在水泥台基上已经留有南-北方位线，可以在安装平面上画一条与该基准线垂直的线作为东西向基准线。

2.用Φ14的冲击钻头在上步画好的基准线上打两个不少于8cm深的安装孔，两个孔间隔14.5cm，尽量靠近安装平面的中心位置。

3.将附件里的两根膨胀螺栓钉入孔内，用锤子敲打使其固定，并用附件里的两用安装扳手顺时针紧固膨胀螺栓顶部的螺母，将膨胀螺栓的套筒顶进安装孔内，直至套筒的上沿沉入于安装表面以下。

4.用两用安装扳手逆时针松开两根膨胀螺栓顶部的螺母，取下螺母、弹簧垫圈和平垫圈置于一旁，只保留膨胀螺栓和套筒在安装孔内（见图2-4）。

图2-4GL-A系列加速度计的自由场安装——基准线和膨胀螺栓的固定

5.将附件里的专用安装衬板放置在安装平面上，将两根膨胀螺栓留在台基以外的部分从安装衬板两侧的圆孔中穿出。

调整安装衬板的位置和姿态，使其与水泥台基表面接触平稳，并尽量保证安装衬板的长边与安装面上的基准线保持平行。

6.把第4步取下的平垫圈、弹簧垫圈和螺母依次从安装衬板的上方套回在膨胀螺栓上，并用两用安装扳手顺时针紧固顶部的螺母，直至安装衬板稳定可靠地固定在安装平面上（见图2-5）。

图2-5GL-A系列加速度计的自由场安装——安装衬板的安置与固定

7.将附件里的安装衬板固定钉与其配套螺母分离，将固定钉拧入GL-A系列加速度计底部中心的螺纹孔中，用两用安装扳手将其紧固（见图2-6）。

然后将GL-A系列加速度计放置在安装衬板之上，固定钉从衬板中心的孔中穿出（见图2-7）。

图2-6GL-A系列加速度计的自由场安装——安装衬板固定钉的安装

图2-7GL-A系列加速度计的自由场安装——加速度计安置

8.旋转GL-A系列加速度计，确认其航空插座指向地理南、外壳与安装衬板的长边外沿比齐，此时加速度计的XYZ坐标系应与地理坐标系正确对应（见图2-8）。

注：

如果安装过程中方位出现偏差，应在此时使用指南针重新校准安装角度。

图2-8GL-A系列加速度计的自由场安装——加速度计定方位

9.将固定钉的配套螺母从衬板下方套回到固定钉上，用手继续旋拧螺母，不要完全拧紧，保证螺纹留有1-2mm的余量。

10.调节GL-A系列加速度计基面水平：

观察GL-A系列加速度

计机壳顶部的气泡显示，并同时旋转两个调节底脚，改变底脚的高度，

直至气泡处于圆环中央为止。

然后将底脚上的两个锁紧环旋转至最下

方拧紧，锁定底脚高度（见图2-9）。

图2-9GL-A系列加速度计的自由场安装——加速度计调水平

11.用两用安装扳手的棘轮将安装衬板下方的固定钉螺母完全紧固（见图2-10）。

注：

在禁锢固定钉螺母的过程中，应保证加速度计的方位和水平不发生改变。

图2-10GL-A系列加速度计的自由场安装——安装衬板固定钉的紧固

此时安装过程基本完成，请参照下一章的方法调节加速度零点并正确连接数据采集器。

2.5GL-A系列加速度计的接口定义

GL-A系列加速度计采用一个19芯的航空插座，型号为Y50X-1419ZJ14A，电缆线的加速度计端对应插头型号为Y50X-1419TK3。

GL-A系列加速度计航空插座的定义如下：

第三章GL-A系列加速度计使用指南

3.1GL-A系列加速度计的电源供电

GL-A系列加速度计采用是单电源直流供电方式，标准的工作电压是+12V，如果采用港震公司生产的数据采集器作为记录仪与GL-A系列加速度计相连，则数据采集器内部的电压转换模块可以提供给GL-A系列加速度计合适的工作电压。

如果采用其他记录仪，应保证供电电压范围不超出+9V~+18V。

3.2GL-A系列加速度计的零点调节

在GL-A系列加速度计安装完成并调节水平之后，加速度计输出的直流偏置电压（即零点）应该在0~±25mV之间。

注：

GL-A系列加速度计在出厂时已经将零点调节至小于±10mV，以便使记录数据中的直流成分较小，故能够测量满量程输入信号。

GL-A系列加速度计零点的测量方法：

方法1：

连接GL-A系列加速度计与对应的记录系统，从计算机实时波形中测量偏离基线的count值，根据记录系统的转换因子把count值转换为GL-A系列加速度计的输出电压，即得到直流偏置零点电压值。

方法2：

把专用的加速度计调零器（选配附件）连接到GL-A系列

加速度计的航空插座之上，打开加速度计调零器的开关，并选择差分的输出方式。

选通不同的分向，加速度计调零器的液晶屏将直接显示GL-A系列加速度计对应分向的直流偏置零点电压值。

注：

加速度计调零器的使用方法请详见《加速度计调零器使用说明》。

如果测量出的零点输出的直流偏置电压绝对值大于50mV，则需要对GL-A系列加速度计的零点进行调节。

GL-A系列加速度计的零点调节方法：

1.NS向（北南向）调零

用附件里的调零孔开启螺丝刀将机壳外盖的NS向调零孔的螺丝拧开（见图3-1），然后用附件里的专用调零螺丝刀伸入调零孔进行调节。

如果测出的零点电压值小于0mV，则调零螺丝刀以顺时针方向调节；如果测出的零点电压值大于0mV，则以逆时针方向调节。

零点调节后再用调零孔开启螺丝刀将NS向调零孔上方的螺丝拧紧。

2.EW向（东西向）调零

用附件里的调零孔开启螺丝刀将机壳外盖的EW向调零孔的螺丝拧开（见图3-1），然后用附件里的专用调零螺丝刀伸入调零孔进行调节。

如果测出的零点电压值小于0mV，则调零螺丝刀以顺时针方向调节；如果测出的零点电压值大于0mV，则以逆时针方向调节。

零点调节后再用调零孔开启螺丝刀将EW向调零孔上方的螺丝拧紧。

3.UD向（垂直向）调零

用附件里的调零孔开启螺丝刀将机壳外盖的UD向调零孔的螺丝拧开（见图3-1），然后用附件里的专用调零螺丝刀伸入调零孔进行调节。

如果测出的零点电压值小于0mV，则调零螺丝刀以顺时针方向调节；如果测出的零点电压值大于0mV，则以逆时针方向调节。

零点调节后再用调零孔开启螺丝刀将UD向调零孔上方的螺丝拧紧。

注意：

零点调节的幅度必须限定在比较小的范围之内，如果调节过度，可能造成机械损害

图3-1GL-A系列加速度计三分向调零孔位置

3.3GL-A系列加速度计的灵敏度标定

GL-A系列加速度计输出的下限频率为0Hz，可以响应零频的加速度信号，因此可以利用地球的重力场对仪器的灵敏度进行静态标定。

正确安装并接通电源后，根据三轴向所在不同位置，对应不同分向的摆体，在其正常观测状态下把摆体左右翻转90度，使该分向加速度计承受±1g的重力加速度。

测量翻转后加速度计的输出电压，即可求出加速度计的灵敏度S：

3.4GL-A系列加速度计的传递函数测试

港震开发出专用的地震计传递函数测试软件，详细的测试方法请参考港震公司的传递函数测试软件使用手册。

该软件中的测量原理为：

从标定线圈输入伪随机的M序列作为测试信号；记录GL-A系列加速度计的标定响应响应数据；利用相关技术求出GL-A系列加速度计的频率特性；最后根据得到的频率特性数据，用系统辨识的最小二乘方法得到GL-A系列加速度计的传递函数表达式。

（无需了解）

3.5GL-A系列加速度计的强震标定

GL-A系列加速度计的强震标定应使用港震公司强震记录仪配套软件来配合完成。

通过设置标定参数，记录设备将输出如下图3-2所示的一个标定电压信号（a）和一个标定控制信号（b）到GL-A系列加速度计。

同时，记录器将在存储设备中记录GL-A系列加速度计的响应输出波形，通过分析输出波形数据，就可以得到GL-A系列加速度计的参数。

图3-2GL-A系列加速度计标定信号和标定控制信号图

记录系统内部的标定信号发生器发出的脉冲CAL_OUT为一对振幅为5V、宽度为2.3秒、间隔为2秒的方波信号，其对应的阻尼控制信号CAL_CTL也是一个方波。

两个信号同时送到GL-A系列加速度计，当CAL_OUT的第一个方波结束时，CAL_CTL的上升沿使GL-A系列加速度计进入欠阻尼状态。

到CAL_OUT的第二个脉冲来临时，CAL_CTL的下降沿使GL-A系列加速度计恢复阻尼。

标定完成之后，记录系统得到的响应波形如下图3-3所示：

图3-3GL-A列加速度计强震标定响应波形

在上图中，利用第二个方波脉冲，可以计算出阻尼系数D：

l

此外，利用标定记录中第一个方波脉冲后的自由振荡记录，得到闭环摆体的自振周期。

下图3-4为GL-A系列加速度计标定响应波形的局部放大。

在图中，测量10个周期的总时间T0，即可知道摆体自振周期为：

图3-4GL-A系列加速度计强震标定响应波形局部放大

第四章GL-A系列加速度计维护指南

GL-A系列加速度计是为长期免维护使用设计的，但为保险起见，建议每年至少做一次常规检查。

假如GL-A系列加速度计与带有网络（或拨号）支持的记录器相连接并可遥控进行检查，则检查的次数可以适当增加。

检查的内容如下：

1.零点调整。

如零点漂移超过50mV时，必须重新调整零点。

调节方法请参考第三章第2节。

2.功能测试。

为保证GL-A系列加速度计的输出数据准确可靠，需要定期对其功能进行标定测试，测试方法参考第三章。

如果发现出现故障，建议先检查电缆是否完好、供电电源是否正常。

在确认外围设施完好而故障依旧时，请将仪器返回港震公司进行维修。

第五章大坝强震观测系统建设要求及相关介绍

5.1加速度计墩建设要求

1.加速度传感器应固定安装在现浇的混凝土监测墩上，监测墩出露部分尺寸长、宽、高，宜为40cm×40cm×20cm，顶面要求平整，墩体宜预留出导线穿入孔。

2.监测墩应与被测物牢固连成一体，其建造要求是：

1）在混凝土坝及在新鲜基岩上，现浇混凝土观测墩前，应先将接触面打毛，并打孔预埋插筋，冲洗干净后，用混凝土现浇，硬化后，将加速度传感器底板用环氧树脂或螺栓加以固定。

尚应外加保护罩。

2）在土石坝及土基上现浇混凝土观测墩时，观测墩埋设深度不小于0.8m。

加速度传感器宜通过螺栓或可靠的粘合剂固定在观测墩上。

尚应外加保护罩。

5.2基岩场地仪器墩示意图（坝体内部）

图5.1基岩场地（坝体内部）仪器墩平面图（单位：

毫米）

图5.2基岩场地仪器墩剖面图（单位：

毫米）

5.3土层场地仪器墩示意图

图5-3土层场地仪器墩平面图（单位：

毫米）

注：

每个仪器墩均匀布置8根插筋；插筋的倾角为45°~60°；插入土层的长度0.5m~1.0m（视土层硬软而定）；保留在仪器墩内的长度为0.15m。

图3-2土层场地仪器墩剖面图（单位：

毫米）

5.4自由场观测室平面布置图（参考）

图4-1观测室（自由房）平面布置图（单位：

米）

5.5安装完成样例

1.加速计

大坝内未装修强震观测间—仪器墩与加安装后的加速度计

坝顶或者暴露在外在加速度计保护样例

大坝内部装修后的观测间，加速度计与墩子

2.GPS天线

GPS授时天线的安装样例

第六章软件培训

注：

强震软件培训将专门开设。