弹性波超前地质预报校准规范编制说明.docx

中华人民共和国国家计量校准规范弹性波超前地质预报仪校准规范编写说明规范编写组2024年01月一、任务来源根据市场监督管理局市监计量发202270号国家市场监督管理局关于下发2022年国家计量技术法规制定、修订计划的通知，由XXX作为第一编写单位牵头负责编写弹性波超前地质预报仪校准规范。二、项目背景在隧道工程中，超前地质预报工作的重要性不容忽视。在设计和开挖隧道期间，考虑到隧道围岩的稳定性是至关重要的问题。尽管一些地质灾害无法完全避免，但提前进行地质调查和评估可以减少这些意外事件的发生率，并掌握隧道施工过程中各种地质情况，对后续施工阶段起到指导作用。地质灾害往往会导致隧道开挖停工，使工期延长，造成投资浪费。更为严重的是，人员伤亡和设备损坏等事故的发生，给施工和社会带来不良影响。超前地质预报工作能够识别和解决潜在的安全隐患，从而保证施工的顺利完成，并降低工程风险。此外，超前地质预报还可以提高施工的经济效益。通过合理地利用地质资源，优化隧道的设计方案，降低材料消耗和施工成本，为工程节约巨额资金。同时，确保隧道建设的安全和高效也有助于提高社会信心和政治稳定。因此，在隧道工程中，超前地质预报工作的重要性不能被低估。为了解决隧道工程施工中由于地质情况不详导致的被动局面，世界各国在20世纪70年代就开始研发超前地质预报设备，并将其应用于隧道建设。在中国，超前地质预报研究始于20世纪70年代，而自20世纪90年代起引入了TSP隧道地震预警系统及相关仪器，目前该技术已经广泛应用于我国的隧道施工中并且有很多相关的研究。然而，尽管国内主流的超前地质预报方法和仪器如TSP、TRT和HSP等得到了广泛应用，但其仍存在一些问题需要解决。目前，国内外在隧道施工超前地质预报方面已广泛采用各种仪器和技术，但该领域缺乏相关仪器量值溯源的计量技术法规，这影响了超前地质预报仪的准确性和可靠性。为此，有必要制定弹性波超前地质预报仪校准规范，并提出通用的计量特性要求，以解决目前存在的技术问题，满足相关行业的计量需求。这将规范行业的量值溯源问题，确保超前地质预报仪的准确性和可靠性。三、编写过程2022年8月一2022年12月1 .项目启动和组建专家组，明确任务和责任；2 .确定草案内容，收集相关资料和信息；3 .进行前期调研和实地考察，了解标准适用情况；4 .初步分析和研究现行标准存在的问题和不足；5 .撰写项目启动资料汇总和前期调研数据汇总。2023年1月一2023年4月1 .确定标准制修订方案和目标，明确修订思路和方法；2 .开展专题研讨、座谈和讨论，确定修订方向；3 .编制修订草案，进行内部评审和修改；4 .准备预评审材料，并提交预评审。2023年4月一2024年4月1 .根据预评审意见进行修改完善，编制报批稿；2 .进行外部评审和公示，听取各方意见和建议；3 .最终确定修订版本，并完成文本编辑和排版；4 .提交审核报批，等待审定和发布；5 .完成标准宣传和培训，确保标准得到有效实施。四、编写依据本规范主要依据JJF1071-2010国家计量校准规范编写规则、JJF1059.1-2012测量不确定度评定与表示和JJF1001-2011通用计量术语及定义进行编写，并在编写中引用了以下有关文件：JJG134磁电式速度传感器JJG298标准振动台JJG676测振仪JJG834动态信号分析仪JJG990声波检测仪凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本规范。包括最新版本修改单五、主要内容按照JJF1071-2010国家计量校准规范编写规则要求，本规范包括九个章节和三个附录：1范围、2引用文件、3术语和计量单位、4概述、5计量特性、6校准条件、7校准项目和校准方法、8校准结果表达、9复校时间间隔，以及附录A预报仪分析仪时间相对误差测量结果的不确定度评定，附录B原始记录推荐格式，附录C校准证书内页参考格式。(1)概述标准结合JTGzT32222020公路工程物探规程、TBl(X)132010铁路工程物理勘探规范、T/CECS616-2019隧道施工超前地质预报技术规程、Q/CR92172015铁路隧道超前地质预报技术规程、JJG9902004声波检测仪和JJG2332008压电加速度计试验方法，给出了弹性波超前地质预报仪的用途,组成部分和结构示意图，并给出了弹性波超前地质预报仪的原理。调研范围包括5个厂家。(2)计量特性分析仪时间相对误差、预报仪时间相对误差、通道隔离度、测长误差、幅值一致性和横向振动比是保证设备准确性的重要参数。其中分析仪时间相对误差是以函数信号发生器作为标准器，提供标准的时间值，来校准包括信号采集模块、信号A/D转换模块和信号处理模块的预报仪主机；预报仪时间相对误差是以中频振动标准台系统作为标准器，通过标准振动台提供模拟隧道现场频率范围的振动信号，来评价包含设备上位机、主机和检波器这一整体预报仪输出量值的准确性和可靠性；通道隔离度是以函数信号发生器作为标准器，为预报仪某一指定接收通道提供稳定的频率值和幅值，用于观察和判断预报仪其他接收通道与该指定通道间串扰的问题；测长误差用来直观评价预报仪设备在长度测量上的准确度；幅值一致性指标主要用来评价预报仪各个通道之间的一致性，由振动台作为标准器，提供恒定的幅值和频率的振动信号，评价各个通道之间幅值的差异；横向振动比用来衡量三分量检波器相互之间影响的指标，当某一分量工作时，其他两个分量的传感器产生的信号不应有干扰，所以同样将振动台作为标准器，来评价横向振动比指标。见表1,在前期文献查阅与厂家调研中了解到在不同材料的地质中，隧道弹性波频率在(100-1500)Hz之间。隧道弹性波超前预报中IOHz以下都是干扰波，高频一般不会超过1500Hz。表1隧道弹性波频率黄土软岩硬岩完整坚硬岩100200Hz200400HZ400-100OHzIOoo150OHZ可以通过合理调节一些参数的采样间隔和采样点数来进行鼠标点选，从分析仪中采集数据，比如采集低频信号时，可以将采样间隔调高，采集高频信号时将采样间隔调小。但由于高频时，人眼识别波峰较为困难，引入的误差较大，最大人眼可识别的频率为1500Hzo图1为1Hz、40Hz.100OHz的波形。图1分析仪频段故选择的实验点为(10Hz,30Hz,50Hz,100Hz,200Hz,300Hz,400Hz,500Hz,700Hz,900Hz,HOOHz,1300Hz,1500Hz),共13个实验点。结合对TSP、AGI-T3>SAP、HSP方法的分析仪时间相对误差、预报仪时间相对误差、通道隔离度、测长误差、幅值一致性、横向振动比的试验验证(详见试验验证报告)。分析仪时间相对误差，分析仪一般指整套地质预报仪的主机部分，主要功能是接受并处理检波器的数据，分析仪时间相对误差是指在对分析仪进行测试时，通过输入标准信号后，分析仪输出的信号与标准信号之间的时间差的相对误差。这个指标通常用来评估分析仪在测量过程中的时间精度和准确性。通过使用标准信号发生器产生己知频率和幅度的标准信号，然后观察分析仪输出的信号与标准信号之间的时间差，可以评估分析仪的时间测量准确性。如果输出信号的时间与标准信号之间的偏差在可控范围内，说明分析仪在测量时间上的精度和稳定性较IrJO预报仪时间相对误差是指在对预报仪进行测试时，通过使用标准振动台作为标准器，固定检波器在振动台上，将振动台的振动频率与预报仪主机显示的频率进行比较，从而评估预报仪的时间测量准确性的指标。通过固定检波器在标准振动台上，可以保证振动频率的稳定性和精确性。然后将预报仪主机显示的频率与振动台的频率进行比较，通过观察两者之间的差异，可以评估预报仪在测量时间上的精度和准确性。由于JJG9902004声波检测仪中对通道隔离度提出了具体的误差范围，即为各通道间隔离度大于40dB°首先声波检测仪与预报仪同属声波范畴，区别为声波检测仪对应的IOokHZ左右的波，而预报仪对应I(X)HZ左右的波，相差三个数量级。而通过调研得知，波的频率越高，对于多通道的设备，其通道间的干扰越大，其通道隔离度指标的要求越严格。故认为JJG9902004声波检测仪中对于通道隔离度的指标要求适用于本规程。部分厂家设备为模块化传感器，不存在通道之间串扰的问题，故这部分厂家不需要进行通道隔离度的测试。测长误差是用来评估测量长度准确度的指标，通过比较实际长度与通过设备测量得出的长度之间的差值来计算。通过评估测量设备在实际测量过程中得出的测量结果与实际值之间的差距，可以帮助用户了解设备的测量准确性和可靠性。准确的测长结果对于地质预报和勘探工作非常重要，因此评估测长误差可以帮助用户确认测量结果的可靠性，提高工作效率和数据准确性。通过监测和控制测长误差，可以优化测量过程，并确保得到准确可靠的测量数据。幅值一致性是用来评估不同通道之间幅值测量的一致性的指标。通过使用标准振动台作为标准器，以已知的固定频率和加速度进行振动，依次接入预报仪的各个通道，记录每个通道接收到的振动幅值。在测试中，如果不同通道接收到的幅值存在较大差异，可能会影响测量结果的准确性和可靠性。因此，幅值一致性指标的主要目的是检验各个通道在相同振动条件下是否能够稳定地接收到相似的振动幅值，以确保各个通道测量结果的一致性和可比性。横向振动比”是用来评估三个方向(X轴、y轴和Z轴)振动幅值之间的比例关系的指标。用来评估在振动测试中，当将三分量检波器的某一方向放在振动台上时，其他两个方向是否能够保持无振动信号的一致性。在正常情况下，在振动台上只有一个方向振动时，其他两个方向应该不会有振动信号产生。通过监测这种情况下三个方向的振动信号，可以评估设备的性能，确保不同通道的测量结果一致性。这有助于排除干扰和误差，提高振动测试结果的准确性和可靠性。（3）校准方法功能性检查预报仪具有多个接收通道，且无影响仪器正常工作及读数的机械损伤、按键失灵和接触不良等现象。分析仪时间相对误差分析仪接通电源，连接函数信号发生器和分析仪，如图2示。验证对象函数信号发生器图2时间误差校准方法示意图选择接收通道并调至可采数据状态，保证每个完整的采样周期内至少有50个采样点。函数信号发生器输出电压应在分析仪额定电压范围内，依次调节函数信号发生器输出的正弦信号频率标准值九。九与周期标准值7；。的对应关系见表2o表2R对应表序号12345678910111213Zozhz1030501002003004005007009001100130015007tms100.0033.33320.000IO.(XX)5.0003.3332.52.0001.4291.1110.9090.7690.667取3次采集软件中完整正弦波周期的均值彳为该频率下分析仪时间测量值。分析仪时间相对误差马按公式（1）计算：(1)式中：r,.第i个标准频率时的分析仪时间相对误差;Ti第，个标准周期试验均值，ms；TiQ第i个周期标准值，ms；i分析仪时间相对误差中第i次试验(/=1,2,3-13)O预报仪时间相对误差连接分析仪和检波器，见图3。预报仪标准振动台图3预报仪时间相对误差校准方法示意图选择接收通道并调至可采数据状态，保证每个完整的采样周期内至少有50个采样点。将检波器刚性地安装在中频标准振动台试验平台中心，调整检波器和振动台振动方向一致。启动中频标准振动台系统，依次调节频率标准值九。九与周期标准值4的对应关系见表I0取3次采集软件中完整正弦波的均值月为该频率下系统时间的测量值。预报仪时间相对误差按公式(2)计算：AT=ZLzZk×100%ZO式中:Nrl第i个标准频率时的预报仪时间相对误差;Ti第，个标准周期试验均值，ms；Tio第i个周期标准值，ms；i预报仪时间相对误差中第i次试验（/=1,2,3-13）O三分量检波器在校准时应依次将三个工作方向固定于振动台面上，校准各分量。通道隔离度调整函数信号发生器输出500Hz的正弦信号，输出电压幅值不低于分析仪量程的80%。随机选取分析仪中一个通道为参考通道,其他通道作为测试通道（试验应覆盖所有测试通道）。保证一个完整的振动波形至少有20个采集数，读取3次参考通道完整正弦波电压幅值峰峰值的均值可为参考通道的测量值。读取3次测试通道呈现的最大幅值的均值弓为测试通道的测量值。通道隔离度乙按公式（3）计算：V1.=201g（3）匕式中：1.1第，个测试通道通道隔离度，dB；½参考通道电压幅值均值，V；½第，个测试通道最大幅值均值，V；i第i次试验（i=l,2,3）。测长误差a.准备测长参考样块和钢卷尺，以及待校准的弹性波超前地质预报仪。首先，利用钢卷尺测量测长参考样块的宽度。接着，将检波器固定在参考样块宽度方向的一端，并将激振装置置于样块宽度方向另一端的对应位置。当激振装置激发弹性波后，弹性波会在样本中传播，通过弹性波超前地质预报仪得出的弹性波反射时间，计算并记录弹性波在该测长参考样块中的传播速度记为八b.利用钢卷尺测量第一个测长参考样块SI的实际长度，结果记为心（实）。c.使用波速测量仪测得第一个测长参考样块Sl的波速，记为匕。d.使用弹性波超前地质预报仪根据波速匕来测量该参考样块S1的长度，记为Ll（测）。e.计算第一个测长参考样块的测长误差，即Z1()-L1()1-M×100%(4)式中：Ei第1（2、3）个测长参考样块误差，m；1.I（实）一一钢卷尺测量第1（2、3）个测长参考样块实际长度，m；1.1（测）一一超前地质预报仪测量第1（2、3）个测长参考样块长度，mof.重复步骤b到e,分别对第二个和第三个测长参考样块S?和S3进行测量,相应的测长误差分别为反和og.确定弹性波超前地质预报仪的测长误差指标反X，该值为三个测长误差中的最大值。幅值一致性a.准备工作：确保弹性波超前地质预报仪处于正常的工作状态，并将标准振动台设置至固定频率（推荐500HZ）o选择并连接一个检波器至振动台并接通预报仪的第一个通道。b.记录参考幅值：开启振动台，使其按照设定的固定频率和幅值进行振动。在弹性波超前地质预报仪主机上记录此时的幅值，该幅值将作为后续校准过程中的参考值，记作A（参考）。c.将检波器从第一个通道断开，并依次连接到预报仪的其他通道上。对每个通道进行相同振动条件下的幅值记录，每个通道记录的幅值记作Ai,其中i代表通道的编号。d.计算幅值一致性值：根据A（参考）和各通道的A”按照公式（5）计算每个通道的幅值与参考幅值的比值。式中：D1第i个通道的幅值与参考幅值之比;Ai第i个通道的幅值，mv；A（参考）一一弹性波超前地质预报仪主机上记录振动台的幅值，mvoe.从所有通道的幅值一致性测量结果Di中选出最大值。该最大值即为弹性波超前地质预报仪的幅值一致性指标结果。横向振动比a.初始设置：首先，将三分量检波器固定在标准振动台上，并调整使得检波器的X轴与振动台的振动方向一致。然后，将检波器与弹性波超前地质预报仪主机连接好，确保所有连接都正确无误。b.记录X轴幅值：启动标准振动台，并按照推荐的固定频率（例如500HZ）进行振动。在弹性波超前地质预报仪主机中记录X轴、y轴和Z轴所响应的振动幅值，记作Ax、Ay和Az。c.测量y轴和Z轴幅值：在相同的振动条件下，分别记录检波器y轴和Z轴的振动幅值。分别记下这些幅值，分别为A,和A,。按照公式（6）计算横向振动比。MAX（AV,A）T=v7×100%（5）A式中：横向振动比；Ax弹性波超前地质预报仪X轴所响应的振动幅值，mv；Ay弹性波超前地质预报仪y轴所响应的振动幅值,mv；Az弹性波超前地质预报仪Z轴所响应的振动幅值,mvo五、试验验证规范编写过程中，对预报仪计量性能所涉及的具体指标进行了试验验证，见附件试验验证方案。六、不确定度评定对预报仪检定装置的校准结果分别进行了不确定度评定，规程见附件测量不确定度评定报告。