日本地震對我國精密測量儀器產(chǎn)生影響
2011-04-07
3月11日，日本東北地區(qū)發(fā)生9.0級強(qiáng)烈地震。中國計量科學(xué)研究院力學(xué)與聲學(xué)研究所振動沖擊研究室的副研究員蔡晨光在接受本報測試儀器儀表網(wǎng)采訪時表示，如此強(qiáng)度的大地震，對我國精密測量和計量將帶來一些影響。
蔡晨光所在的振動沖擊研究室是從事振動、沖擊、轉(zhuǎn)速3個計量專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室。振動沖擊轉(zhuǎn)速計量是涉及多學(xué)科的動態(tài)測量技術(shù)，它廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、車輛船舶、航空航天地球物理、地質(zhì)物探等眾多科研和工程領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著十分重要的作用。蔡晨光說，日本地震對精密測量和計量的影響，從時間上可以分為兩個階段：第一個階段是地震和余震持續(xù)發(fā)生時;第二個階段是震后地質(zhì)穩(wěn)定周期。
這次日本地震的震級達(dá)到了9.0級，釋放的能量較大，其低頻振動分量傳遞較遠(yuǎn)，對我國高精密計量儀器有顯著的影響。
據(jù)了解，高精密測量和計量儀器對環(huán)境振動的要求極高。美國環(huán)境科學(xué)和技術(shù)研究院經(jīng)過大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究推薦：微米級的測量要求1～100赫茲頻帶內(nèi)的環(huán)境振動控制在12.5微米/秒以下(VC-C級)，否則無法保證精密測量的測量精度。例如，1000倍的精密，要想保證其測量精度，必須對環(huán)境振動進(jìn)行嚴(yán)格控制，否則就會出現(xiàn)丟失像素，甚至丟失整幀圖像的問題;而對于測量精度更高的掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡，則要求環(huán)境振動控制在VC-D級(即1～100赫茲頻帶內(nèi)的環(huán)境振動控制在6微米/秒以下);對于納米級的精密測量，例如半導(dǎo)體線寬、三磷酸腺苷及DNA測量，對環(huán)境振動的要求更高。美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院(NIST)還針對納米尺度的計量開展了大量研究，制定了納米計量需要滿足的環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)。
據(jù)蔡晨光介紹，由于日本地震的影響，中國計量科學(xué)研究院的環(huán)境振動遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了精密計量所需要控制的量級。“雖然計量院昌平基地的一些精密實(shí)驗(yàn)室位于地下14米，可以隔離掉一部分地表傳播的地震波，但是對于深度傳播的低頻地震波卻無法進(jìn)行有效衰減，致使高精密測量儀器無法正常工作。”他舉例說，由于地震的影響，精密質(zhì)量比較儀會長時間內(nèi)無法穩(wěn)定，致使高精度的質(zhì)量量值無法傳遞和溯源;納米尺度的精密測量儀器也會受影響而導(dǎo)致無法正常工作。
蔡晨光說，目前中國計量科學(xué)研究院昌平基地還沒有建立起環(huán)境振動的實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，還無法實(shí)時、有效、準(zhǔn)確地評估日本大地震這類偶發(fā)事件對高精度計量溯源系統(tǒng)的具體影響。“我國現(xiàn)在急需建立環(huán)境振動的實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)。”
除了地震波給精密測量造成的直接影響外，在震后的地質(zhì)穩(wěn)定周期，精密測量和計量也會受到影響。據(jù)蔡晨光介紹，地震將會造成一定程度的地質(zhì)運(yùn)動，在震后需要長時間的穩(wěn)定周期。例如由于地質(zhì)的液化會造成地面傾斜，地面的傾斜角會在地質(zhì)狀況穩(wěn)定過程中發(fā)生持續(xù)漂移變化，而地面傾斜角是精密導(dǎo)航系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵參數(shù)，需要進(jìn)行精確測量。
據(jù)介紹，在地質(zhì)情況穩(wěn)定狀態(tài)下，地面傾斜角的累積變化量較小，不會對精密導(dǎo)航系統(tǒng)造成太大的初始誤差。而當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，由于地質(zhì)運(yùn)動及地質(zhì)液化造成的傾斜角偏移，將極大地改變當(dāng)?shù)氐膬A斜角，從而帶來較大的初始誤差。所以在地震發(fā)生后的很長一段時間內(nèi)，都需要對傾斜角進(jìn)行監(jiān)測，從而保證導(dǎo)航測量的精準(zhǔn)。
“在計量院昌平基地有很多精密隔振平臺，這些平臺上的很多測量系統(tǒng)對傾斜角都比較敏感。例如長度計量中，激光平臺和被測平臺可能在相鄰兩米的兩個平臺上，如果地面傾斜角發(fā)生0.001度的變化，垂直方向即會發(fā)生35微米的位移變化，這么大的位移變化即使是微米級的測量都無法允許的，更不要說是納米測量。”蔡晨光說，我國急需建立傾斜角測量系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)，來保障我國計量量值復(fù)現(xiàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。
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