日本地震对我国精密测量和计量产生影响

2011-3-17 17:40 来源: 中国质量报
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  3月11日,日本东北地区发生9.0级强烈地震。中国计量科学研究院力学与声学研究所振动冲击研究室的副研究员蔡晨光在接受本报记者采访时表示,如此强度的大地震,对我国精密测量和计量将带来一些影响。

  蔡晨光所在的振动冲击研究室是从事振动、冲击、转速3个计量专业的实验室。振动冲击转速计量是涉及多学科的动态测量技术,它广泛应用于机械制造、车辆船舶、航空航天地球物理、地质物探等众多科研和工程领域,在国民经济建设中发挥着十分重要的作用。蔡晨光说,日本地震对精密测量和计量的影响,从时间上可以分为两个阶段:第一个阶段是地震和余震持续发生时;第二个阶段是震后地质稳定周期。

  这次日本地震的震级达到了9.0级,释放的能量较大,其低频振动分量传递较远,对我国高精密计量仪器有显著的影响。

  据了解,高精密测量和计量仪器对环境振动的要求极高。美国环境科学和技术研究院经过大量的理论和实验研究推荐:微米级的测量要求1~100赫兹频带内的环境振动控制在12.5微米/秒以下(VC-C级),否则无法保证精密测量的测量精度。例如,1000倍的精密显微镜,要想保证其测量精度,必须对环境振动进行严格控制,否则就会出现丢失像素,甚至丢失整帧图像的问题;而对于测量精度更高的扫描电子显微镜和透射电子显微镜,则要求环境振动控制在VC-D级(即1~100赫兹频带内的环境振动控制在6微米/秒以下);对于纳米级的精密测量,例如半导体线宽、三磷酸腺苷及DNA测量,对环境振动的要求更高。美国国家标准和技术研究院(NIST)还针对纳米尺度的计量开展了大量研究,制定了纳米计量需要满足的环境振动标准。

  据蔡晨光介绍,由于日本地震的影响,中国计量科学研究院的环境振动远远超出了精密计量所需要控制的量级。“虽然计量院昌平基地的一些精密实验室位于地下14米,可以隔离掉一部分地表传播的地震波,但是对于深度传播的低频地震波却无法进行有效衰减,致使高精密测量仪器无法正常工作。”他举例说,由于地震的影响,精密质量比较仪会长时间内无法稳定,致使高精度的质量量值无法传递和溯源;纳米尺度的精密测量仪器也会受影响而导致无法正常工作。

  蔡晨光说,目前中国计量科学研究院昌平基地还没有建立起环境振动的实时监测系统,还无法实时、有效、准确地评估日本大地震这类偶发事件对高精度计量溯源系统的具体影响。“我国现在急需建立环境振动的实时监测系统。”

  除了地震波给精密测量造成的直接影响外,在震后的地质稳定周期,精密测量和计量也会受到影响。据蔡晨光介绍,地震将会造成一定程度的地质运动,在震后需要长时间的稳定周期。例如由于地质的液化会造成地面倾斜,地面的倾斜角会在地质状况稳定过程中发生持续漂移变化,而地面倾斜角是精密导航系统中的一个关键参数,需要进行精确测量。

  据介绍,在地质情况稳定状态下,地面倾斜角的累积变化量较小,不会对精密导航系统造成太大的初始误差。而当地震发生时,由于地质运动及地质液化造成的倾斜角偏移,将极大地改变当地的倾斜角,从而带来较大的初始误差。所以在地震发生后的很长一段时间内,都需要对倾斜角进行监测,从而保证导航测量的精准。

  “在计量院昌平基地有很多精密隔振平台,这些平台上的很多测量系统对倾斜角都比较敏感。例如长度计量中,激光平台和被测平台可能在相邻两米的两个平台上,如果地面倾斜角发生0.001度的变化,垂直方向即会发生35 微米的位移变化,这么大的位移变化即使是微米级的测量都无法允许的,更不要说是纳米测量。”蔡晨光说,我国急需建立倾斜角测量系统和监测系统,来保障我国计量量值复现的准确性和可靠性。