慕名步入中國計量科學(xué)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(gòu)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，最先吸引了記者的注意。

　　“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(zé)人中國計量院力學(xué)與聲學(xué)研究所副所長于梅如數(shù)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(tǒng)“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(fēng)導(dǎo)致的橋梁振動；在高層建筑的某層屋內(nèi)，樓下汽車發(fā)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(zhì)勘探、環(huán)境監(jiān)測、航空航天、精密制造等領(lǐng)域來說，振動監(jiān)控具有重要的意義。

　　據(jù)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(yīng)用于航空航天領(lǐng)域；中頻（20-5000）Hz主要應(yīng)用于電子通訊、交通車輛和機械制造等領(lǐng)域；低頻（0.1-120）Hz主要應(yīng)用于水利電力、橋梁大壩和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。

　　超低頻振動（0.002-0.1）Hz，是近年來隨著地震觀測、地質(zhì)勘探、環(huán)境監(jiān)測、航空航天、結(jié)構(gòu)和生物動力學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展而出現(xiàn)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(jié)構(gòu)自振頻率多數(shù)已低于0.1Hz；廣泛應(yīng)用于交通運輸、機械制造、航空醫(yī)學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生和勞動防護等生物動力學(xué)研究領(lǐng)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(chǔ)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(chuàng)新，國際領(lǐng)先

　　于梅研究員介紹，這個構(gòu)造繁雜超低頻振動基準裝置，由超低頻振動激勵系統(tǒng)和激光測振系統(tǒng)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(tǒng)等，后者則由零差正交激光干涉儀和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成。其中，在水平向振動臺、拖曳同步跟蹤系統(tǒng)、負反饋控制系統(tǒng)、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(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新突破，解決了很多困擾國際振動計量界的技術(shù)難題。

　　“超低頻、大位移、大負載、低失真”，是于梅對超低頻振動基準裝置特點的提煉。裝置在超低頻段實現(xiàn)的激光絕對法振動加速度幅值和相位測量，在國內(nèi)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(lǐng)先的范圍內(nèi)。

　　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(jié)為：“課題的完成填補了國內(nèi)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(chuàng)新科研成果，研制的校準裝置屬國內(nèi)外首創(chuàng)，主要技術(shù)指標為國際領(lǐng)先水平，具有重大推廣應(yīng)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(zhì)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(qū)新的實驗室有很好的高精度儀器設(shè)備，特別是超低頻振動標準系統(tǒng)。基于這些設(shè)備和優(yōu)秀的團隊，振動實驗室無疑是領(lǐng)先實驗室之一。”

 超低頻量值統(tǒng)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(tǒng)一的量值源頭。

　　2009年，我國在超低頻振動裝置上完成了國內(nèi)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(shù)機構(gòu)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(guān)領(lǐng)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(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測量儀器的研發(fā)提供技術(shù)支撐和校準服務(wù)，解決了國內(nèi)現(xiàn)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(chǔ)上，2008年，中國計量院研發(fā)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(wěn)定性考核，并在國內(nèi)低頻振動量值比對中被成功應(yīng)用，為我國低頻振動的量值統(tǒng)一發(fā)揮了重要作用。2010年還被亞太計量規(guī)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(dǎo)完成的亞太地區(qū)低頻振動國際比對發(fā)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(xué)研究所的超低頻振動校準裝置項目的技術(shù)驗收；為中國地震局工程力學(xué)研究所強震動臺網(wǎng)中心研發(fā)的多通道超低頻振動標準套組，已應(yīng)用于地震計的現(xiàn)場檢測。

　　值得一提的是，被應(yīng)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套組，與其性能不相上下。在真正意義上實現(xiàn)超低頻振動加速度的測量，解決了因發(fā)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(tǒng)一，嚴重制約振動計量及地震、物探等相關(guān)行業(yè)測量技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題。