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日本地震對(duì)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(jí)強(qiáng)烈地震。中國計(jì)量科學(xué)研究院力學(xué)與聲學(xué)研究所振動(dòng)沖擊研究室的副研究員蔡晨光在接受本報(bào)測試儀器儀表網(wǎng)采訪時(shí)表示，如此強(qiáng)度的大地震，對(duì)我國精密測量和計(jì)量將帶來一些影響。
蔡晨光所在的振動(dòng)沖擊研究室是從事振動(dòng)、沖擊、轉(zhuǎn)速3個(gè)計(jì)量專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室。振動(dòng)沖擊轉(zhuǎn)速計(jì)量是涉及多學(xué)科的動(dòng)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(duì)精密測量和計(jì)量的影響，從時(shí)間上可以分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是地震和余震持續(xù)發(fā)生時(shí);第二個(gè)階段是震后地質(zhì)穩(wěn)定周期。
這次日本地震的震級(jí)達(dá)到了9.0級(jí)，釋放的能量較大，其低頻振動(dòng)分量傳遞較遠(yuǎn)，對(duì)我國高精密計(jì)量儀器有顯著的影響。
據(jù)了解，高精密測量和計(jì)量儀器對(duì)環(huán)境振動(dòng)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(jí)的測量要求1～100赫茲頻帶內(nèi)的環(huán)境振動(dòng)控制在12.5微米/秒以下(VC-C級(jí))，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(duì)環(huán)境振動(dòng)進(jìn)行嚴(yán)格控制，否則就會(huì)出現(xiàn)丟失像素，甚至丟失整幀圖像的問題;而對(duì)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(dòng)控制在VC-D級(jí)(即1～100赫茲頻帶內(nèi)的環(huán)境振動(dòng)控制在6微米/秒以下);對(duì)于納米級(jí)的精密測量，例如半導(dǎo)體線寬、三磷酸腺苷及DNA測量，對(duì)環(huán)境振動(dòng)的要求更高。美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院(NIST)還針對(duì)納米尺度的計(jì)量開展了大量研究，制定了納米計(jì)量需要滿足的環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。
據(jù)蔡晨光介紹，由于日本地震的影響，中國計(jì)量科學(xué)研究院的環(huán)境振動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了精密計(jì)量所需要控制的量級(jí)。“雖然計(jì)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(duì)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(huì)長時(shí)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(huì)受影響而導(dǎo)致無法正常工作。
蔡晨光說，目前中國計(jì)量科學(xué)研究院昌平基地還沒有建立起環(huán)境振動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，還無法實(shí)時(shí)、有效、準(zhǔn)確地評(píng)估日本大地震這類偶發(fā)事件對(duì)高精度計(jì)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(dòng)的實(shí)時(shí)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(jì)量也會(huì)受到影響。據(jù)蔡晨光介紹，地震將會(huì)造成一定程度的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，在震后需要長時(shí)間的穩(wěn)定周期。例如由于地質(zhì)的液化會(huì)造成地面傾斜，地面的傾斜角會(huì)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(gè)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(huì)對(duì)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(shí)，由于地質(zhì)運(yùn)動(dòng)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(shí)間內(nèi)，都需要對(duì)傾斜角進(jìn)行監(jiān)測，從而保證導(dǎo)航測量的精準(zhǔn)。
“在計(jì)量院昌平基地有很多精密隔振平臺(tái)，這些平臺(tái)上的很多測量系統(tǒng)對(duì)傾斜角都比較敏感。例如長度計(jì)量中，激光平臺(tái)和被測平臺(tái)可能在相鄰兩米的兩個(gè)平臺(tái)上，如果地面傾斜角發(fā)生0.001度的變化，垂直方向即會(huì)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(jí)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(jì)量量值復(fù)現(xiàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。
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