國家標準裝置為超低頻振動計量提供技術支撐

慕名步入中國計量科學研究院（以下簡稱“中國計量院”）昌平實驗基地的振動與重力實驗室，眼前這個地基構筑在基巖上的大家伙——超低頻振動國家標準裝置，讓人震撼不已。工作臺上，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。
　　“這個黑色方塊是用于橋梁振動測量的傳感器、這個高壓鍋狀的是長周期地震計……”，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、地震計等提供校準服務的，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”。                                                                                                 
                                                                                        超低頻振動計量需求迫切
　　行駛在跨海大橋上，由風導致的橋梁振動；在高層建筑的某層屋內，樓下汽車發動的振動；在實驗室里，一公里外地鐵駛過的振動……在日常生活中，這些細微振動變化您也許早已司空見慣，不以為意。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，振動監控具有重要的意義。　　據中國計量院振動與重力實驗室的楊麗峰介紹，計量部門通常將振動分為高頻、中頻、低頻三個頻段。高頻（5-50）kHz主要應用于航空航天領域；中頻（20-5000）Hz主要應用于電子通訊、交通車輛和機械制造等領域；低頻（0.1-120）Hz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（0.002-0.1）Hz，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。于梅研究員以我國近2000個測震臺、站廣泛使用的各類地震計為例，“如中周期地震計低頻為0.05 Hz，（甚）寬頻帶地震計低頻為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構自振頻率多數已低于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……”，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（最大加速度7.5mm/s2），最大振幅40mm，其測量能力遠不能滿足需求。在此背景下，在科技部科技基礎條件平臺項目的支持下，中國計量院于2005年開展了“超低頻振動國家標準裝置的研究與建立”工作。
                                                                                            自主創新，國際領先
　　于梅研究員介紹，這個構造繁雜超低頻振動基準裝置，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基準裝置特點的提煉。裝置在超低頻段實現的激光絕對法振動加速度幅值和相位測量，在國內外具有大位移（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）、失真度最小（加速度失真度1%）的顯著特點，可以滿足各類超低頻振動傳感器（包括大體積、大重量地震計）校準溯源的需求，而其測量不確定度更是控制在國際領先的范圍內。
　　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總結為：“課題的完成填補了國內外（0.002~0.1）Hz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。”
　　2010年8月，國際同行評審專家考察后，在《中國計量院質量體系和CMC同行評審報告》中得出如此評價“……在（中國計量院）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。”　　　　　                                                                   超低頻量值統一的源頭
        要想準確測量出頻率越來越低的振動，需要有更加精準的標準裝置作為校準測量的“尺子”和統一的量值源頭。
　　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，基準裝置已在地震、電力、物探和計量技術機構成功得到推廣移植，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。如，為北京地震局某型號地震計、成都松源有限公司及中國運載火箭技術研究院某所等單位超低頻振動測量儀器的研發提供技術支撐和校準服務，解決了國內現有低頻校準裝置無法滿足校準要求的難題。
　　在標準裝置的基礎上，2008年，中國計量院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。2009年，被作為核查標準器完成了超低頻裝置的穩定性考核，并在國內低頻振動量值比對中被成功應用，為我國低頻振動的量值統一發揮了重要作用。2010年還被亞太計量規劃組織（APMP）確定為低頻振動國際比對的傳遞標準，在中國計量院主導完成的亞太地區低頻振動國際比對發揮了重要作用。
　　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，被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，嚴重制約振動計量及地震、物探等相關行業測量技術發展的瓶頸問題。