慕名步入中國計量科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中國計量院”）昌平實(shí)驗基地的振動(dòng)與重力實(shí)驗室，眼前這個(gè)地基構筑在基巖上的大家伙——超低頻振動(dòng)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(cháng)周期地震計……”，裝置負責人中國計量院力學(xué)與聲學(xué)研究所副所長(cháng)于梅如數家珍。而為這些傳感器、地震計等提供校準服務(wù)的，正是獲得2011年度全國質(zhì)檢系統“科技興檢”一等獎的“超低頻振動(dòng)國家標準裝置”。                                                                                                 

超低頻振動(dòng)計量需求迫切

　　行駛在跨海大橋上，由風(fēng)導致的橋梁振動(dòng)；在高層建筑的某層屋內，樓下汽車(chē)發(fā)動(dòng)的振動(dòng)；在實(shí)驗室里，一公里外地鐵駛過(guò)的振動(dòng)……在日常生活中，這些細微振動(dòng)變化您也許早已司空見(jiàn)慣，不以為意。但對于地震觀(guān)測、地質(zhì)勘探、環(huán)境監測、航空航天、精密制造等領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，振動(dòng)監控具有重要的意義。

　　據中國計量院振動(dòng)與重力實(shí)驗室的楊麗峰介紹，計量部門(mén)通常將振動(dòng)分為高頻、中頻、低頻三個(gè)頻段。高頻（5-50）kHz主要應用于航空航天領(lǐng)域；中頻（20-5000）Hz主要應用于電子通訊、交通車(chē)輛和機械制造等領(lǐng)域；低頻（0.1-120）Hz主要應用于水利電力、橋梁大壩和環(huán)境監測等領(lǐng)域。

　　超低頻振動(dòng)（0.002-0.1）Hz，是近年來(lái)隨著(zhù)地震觀(guān)測、地質(zhì)勘探、環(huán)境監測、航空航天、結構和生物動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展而出現的一個(gè)新概念。于梅研究員以我國近2000個(gè)測震臺、站廣泛使用的各類(lèi)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(guān)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(xué)、醫療衛生和勞動(dòng)防護等生物動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域的人體振動(dòng)計，其頻率測量下限為0.063Hz；核爆炸的振動(dòng)下限已達0.003Hz……”，超低頻振動(dòng)計量需求迫切。

　　而目前，我國的國家低頻振動(dòng)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(mǎn)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(kāi)展了“超低頻振動(dòng)國家標準裝置的研究與建立”工作。

自主創(chuàng )新，國際領(lǐng)先

　　于梅研究員介紹，這個(gè)構造繁雜超低頻振動(dòng)基準裝置，由超低頻振動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)現了關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng )新突破，解決了很多困擾國際振動(dòng)計量界的技術(shù)難題。

　　“超低頻、大位移、大負載、低失真”，是于梅對超低頻振動(dòng)基準裝置特點(diǎn)的提煉。裝置在超低頻段實(shí)現的激光絕對法振動(dòng)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?。铀俣仁д娑?%）的顯著(zhù)特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足各類(lèi)超低頻振動(dòng)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(lǐng)先的范圍內。

　　鑒于此，專(zhuān)家鑒定意見(jiàn)書(shū)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(dòng)幅值和相位校準的空白，屬自主創(chuàng )新科研成果，研制的校準裝置屬?lài)鴥韧馐讋?chuàng )，主要技術(shù)指標為國際領(lǐng)先水平，具有重大推廣應用價(jià)值。”

　　2010年8月，國際同行評審專(zhuān)家考察后，在《中國計量院質(zhì)量體系和CMC同行評審報告》中得出如此評價(jià)“……在（中國計量院）昌平院區新的實(shí)驗室有很好的高精度儀器設備，特別是超低頻振動(dòng)標準系統?；谶@些設備和優(yōu)秀的團隊，振動(dòng)實(shí)驗室無(wú)疑是領(lǐng)先實(shí)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(lái)越低的振動(dòng)，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(dòng)裝置上完成了國內低頻振動(dòng)量值比對實(shí)驗。目前，基準裝置已在地震、電力、物探和計量技術(shù)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(dòng)計等超低頻振動(dòng)傳感器校準及相關(guān)領(lǐng)域超低頻振動(dòng)標準裝置的量值溯源問(wèn)題，為它們提供檢測和校準服務(wù)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(shù)研究院某所等單位超低頻振動(dòng)測量?jì)x器的研發(fā)提供技術(shù)支撐和校準服務(wù)，解決了國內現有低頻校準裝置無(wú)法滿(mǎn)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(fā)了超低頻振動(dòng)標準套組，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(dòng)量值比對中被成功應用，為我國低頻振動(dòng)的量值統一發(fā)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(dòng)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(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)校準裝置項目的技術(shù)驗收；為中國地震局工程力學(xué)研究所強震動(dòng)臺網(wǎng)中心研發(fā)的多通道超低頻振動(dòng)標準套組，已應用于地震計的現場(chǎng)檢測。

　　值得一提的是，被應用于飛行器姿態(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(dòng)套組，與其性能不相上下。在真正意義上實(shí)現超低頻振動(dòng)加速度的測量，解決了因發(fā)達國家的禁銷(xiāo)，造成低頻和超低頻振動(dòng)沒(méi)有傳遞標準器，量值無(wú)法統一，嚴重制約振動(dòng)計量及地震、物探等相關(guān)行業(yè)測量技術(shù)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。