“背景場(chǎng)”強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站加速度計(jì)零位電壓的計(jì)算

李垚奇，白若冰

陜西省地震局，陜西 西安 710068

目前，陜西省地震局共有采用EDAS-24GN型數(shù)采和SLJ-100型加速度計(jì)的臺(tái)站10個(gè)。在日常觀測(cè)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，加速度計(jì)會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)飄移，為了保證加速度計(jì)正常工作，需要定期檢查加速度計(jì)的零位電壓[1]。在日常工作中發(fā)現(xiàn)，該套觀測(cè)系統(tǒng)無(wú)法從軟件中直接查詢得到加速度計(jì)的零位電壓，在日常觀測(cè)中無(wú)法準(zhǔn)確掌握加速度計(jì)工作狀態(tài)。因此，文章研究了一種能夠遠(yuǎn)程檢查加速度計(jì)零位電壓的方法。

1 零位電壓的計(jì)算原理

根據(jù)數(shù)采單位count值對(duì)應(yīng)的電壓值和采集到的加速度計(jì)輸出電壓對(duì)應(yīng)的count值，可以通過(guò)計(jì)算得到加速度計(jì)輸出的電壓值。數(shù)采單位count值對(duì)應(yīng)的電壓值為數(shù)采模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的電壓最小分辨率，即能引起ADC輸出數(shù)值變化的最小電壓值[2-4]。

利用數(shù)采配套的波形顯示軟件，可以查看到實(shí)時(shí)波形居中時(shí)每道波形的顯示幅寬count值，通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算可以得到居中時(shí)波形的中位count值，即采集到的加速度計(jì)輸出電壓對(duì)應(yīng)的count值，或可直接查詢當(dāng)前顯示波形的零點(diǎn)修正count值，該數(shù)值與實(shí)時(shí)波形的中位count值相同[5-7]。

2 數(shù)采分辨率的計(jì)算

數(shù)采的分辨率與其采用的ADC位數(shù)及量程有關(guān)。計(jì)算公式為

EDAS-24GN型數(shù)采在實(shí)用軟件查看實(shí)時(shí)波形時(shí)，波形數(shù)據(jù)的位數(shù)為24位，即此時(shí)數(shù)采的ADC位數(shù)為24位。同時(shí)，日常觀測(cè)中，數(shù)采的采集量程設(shè)置為-10～10V。將相關(guān)參數(shù)代入式（1），計(jì)算可得單位count對(duì)應(yīng)的電壓值：。

3 加速度計(jì)零位電壓的計(jì)算

以薛鎮(zhèn)的強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)為例，計(jì)算加速度計(jì)輸出的零位電壓方法如下：使用配套的波形顯示軟件連接數(shù)采查看實(shí)時(shí)波形，并顯示每道幅寬的count值。此時(shí)，實(shí)時(shí)顯示的波形幅度count值未添加零點(diǎn)修正值。

3.1 計(jì)算實(shí)時(shí)波形中位count值

點(diǎn)擊軟件“縮小”按鈕，并點(diǎn)擊波形居中按鈕后，軟件實(shí)時(shí)波形如圖1所示。從圖1中可以看出，垂直（UD）、東西（EW）、北南（NS）3道波形的上下顯示幅寬分別為23492count～-9276count、-93531count～-126299count、-4521count～-37289count。居中后波形的中位count值可利用如下計(jì)算公式得到：

圖1 增大顯示幅寬并居中后的實(shí)時(shí)波形圖

式中：count中為波形的中位count值；count上、count下分別為幅寬的上下限。

通過(guò)計(jì)算可得實(shí)時(shí)波形的中位count值：UD項(xiàng)為7108count，EW項(xiàng)為-109915count，NS項(xiàng)為-20905count。

3.2 查詢實(shí)時(shí)波形的零點(diǎn)修正值

通過(guò)軟件查詢波形的零點(diǎn)修正值如圖2所示?？梢?jiàn)，各道的零點(diǎn)修正值如下：UD項(xiàng)7108count，EW項(xiàng)-109917count，NS項(xiàng)-20904count。與第3.1節(jié)中計(jì)算得到的中位count值基本一致。

圖2 各道零點(diǎn)修正值（count）

3.3 計(jì)算實(shí)時(shí)波形對(duì)應(yīng)的零位電壓值

通過(guò)對(duì)數(shù)采分辨率的計(jì)算，得到該數(shù)采的分辨率即單位count值對(duì)應(yīng)的電壓值約為1192nV，再結(jié)合波形中位count值或波形零點(diǎn)修正值的count值，得到實(shí)時(shí)波形的零位電壓值，即加速度計(jì)輸出的零位電壓，如表1所示?？梢?jiàn)，采用實(shí)時(shí)波形中位count值和零點(diǎn)修正值計(jì)算得到的加速度計(jì)輸出電壓值基本一致。

表1 計(jì)算所得零位電壓值表

4 零位電壓計(jì)算值的準(zhǔn)確性

在不移動(dòng)和改變加速度計(jì)安裝狀態(tài)的情況下，采用專用零位檢查線將加速度計(jì)連接到數(shù)字萬(wàn)用表，使用滿足加速度計(jì)供電要求的外部電源為加速度計(jì)供電[8-9]。此時(shí)，通過(guò)數(shù)字萬(wàn)用表可以讀出UD項(xiàng)、EW項(xiàng)、NS項(xiàng)通道輸出的零位電壓值，即實(shí)際測(cè)量值分別為9mV、-131mV、-25mV。采用計(jì)算得到的零位電壓值減去測(cè)量值即得到計(jì)算值的絕對(duì)誤差，計(jì)算結(jié)果如表2所示。對(duì)比分析表2的數(shù)據(jù)可知，計(jì)算得到的加速度計(jì)零位電壓值與實(shí)際測(cè)量得到測(cè)量值之間的絕對(duì)誤差小于1mV，完全滿足日常工作中對(duì)強(qiáng)震動(dòng)加速度計(jì)零位檢查的需要，即能夠滿足檢查加速度計(jì)零位電壓值在-50～50mV范圍內(nèi)的要求。

表2 計(jì)算得到的零位電壓值與測(cè)量值誤差 單位：mV

5 結(jié)論

通過(guò)以上論述可知，在不采用專用的零位檢查轉(zhuǎn)接線及萬(wàn)用表的情況下，可以通過(guò)數(shù)采配套的單臺(tái)實(shí)時(shí)波形顯示軟件進(jìn)行加速度計(jì)零位檢查。同時(shí)，因?yàn)樗捎玫氖菃闻_(tái)實(shí)時(shí)波形顯示軟件，所以可以在遠(yuǎn)程進(jìn)行加速度計(jì)的零位檢查工作，不需要到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查。當(dāng)發(fā)現(xiàn)加速度計(jì)零位超出要求范圍后，再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查和調(diào)整，可以節(jié)省大量的人力、物力，提高站點(diǎn)的運(yùn)維效率。