工程力學(xué)研究所儀器研制60年

楊學(xué)山

建所初期，劉所長(cháng)以他獨特的思維方式和遠見(jiàn)卓識，在工力所科研布局的棋盤(pán)上布下了一顆重要棋子---儀器研究。工程力學(xué)研究所自建所后便逐漸形成一支力量比較雄厚的儀器設備研制隊伍，并在60年發(fā)展歷程的各個(gè)階段，始終有一批科技人員堅守著(zhù)這塊陣地，他們獻身于儀器研究，鍥而不舍，途徑艱辛，留下拼搏的足跡和汗水，作出了突出的業(yè)績(jì)，他們結合國家需求和學(xué)科發(fā)展研制出大量的儀器設備，碩果累累。

1 創(chuàng )造出全國多個(gè)第一

建所60年，我所在強震儀、大型振動(dòng)臺、工程振動(dòng)測量?jì)x器、超低頻振動(dòng)計量、巖土工程實(shí)驗儀器、防災減災儀器等方面幾乎都是我國的先驅?zhuān)瑒?chuàng )造出多個(gè)全國第一。

（1）我國第一臺電流計記錄式強震儀

根據我國在1956年制定的十二年科學(xué)規劃中，結構物的強震觀(guān)側及觀(guān)測儀器由中國科學(xué)院土木建筑研究所負責，為此1964年2月我所成立了地震儀組，開(kāi)始了強震儀的研制工作，于1964年6月底前完成第一臺強震儀樣機的研制任務(wù)。在黃振平主持下，設計、加工、儀器調試、參數測試等工作進(jìn)如期完成，在6月30日完成了一套實(shí)驗樣機。后由我所儀器廠(chǎng)及中國科學(xué)院東北分院的507廠(chǎng)進(jìn)行了小批量生產(chǎn)，共生產(chǎn)40余臺7通道電流計記錄式強震儀。儀器主要安裝在邢臺地區及西昌地區。7線(xiàn)強震儀主要解決了如下技術(shù)問(wèn)題：（1）國際上首次在強震儀上采用了電流計記錄的技術(shù)方案。（2）該儀器首次實(shí)現了隨強震時(shí)間長(cháng)短而工作的自動(dòng)觸發(fā)控制系統。國外均采用40秒和90秒定時(shí)記錄。

1966年3月28日在國務(wù)院召開(kāi)的3.28條件會(huì )儀上決定由地質(zhì)部北京地質(zhì)儀器廠(chǎng)生產(chǎn)強震儀。以我所研制的7線(xiàn)強震儀為樣機，進(jìn)行改進(jìn)設計，型號為RDZ1-12-66型強震儀，該強震儀為速度擺加速度計拾振器配接線(xiàn)性電流計，電流計為16通道，其中記錄道為12道，2道為時(shí)標信號，2道為零線(xiàn)，該儀器共生產(chǎn)108套安裝在我國地震臺。此儀器解決了如下技術(shù)問(wèn)題：(1)在記錄器上實(shí)現了拾振器與電流計記錄回路的遠距離檢查裝置，(2)實(shí)現現場(chǎng)電流計記錄強震儀靈敏度的野外標定法(輸入電流法)。1978年RDZ1-12-66型強震儀獲得全國科學(xué)大會(huì )獎。

（2）我國第一臺大型振動(dòng)臺

按照劉所長(cháng)在試驗室內進(jìn)行結構破壞試驗的設想，1956年從鐵道部調撥二節火車(chē)皮來(lái)建造振動(dòng)臺，后來(lái)改為一節火車(chē)皮。利用解放牌汽車(chē)發(fā)動(dòng)機做動(dòng)力源。振動(dòng)頻率從1至40Hz，載重達20T，此為當時(shí)國內外最大的振動(dòng)臺，1960年投入使用，1962年獲得中國科學(xué)院三等獎。

（3）我國第一臺自主研發(fā)的5×5米雙水平向地震模擬振動(dòng)臺

我所與天水紅山試驗機廠(chǎng)共同合作，于1988研制研制成功5×5米雙水平向地震模擬振動(dòng)臺，同年通過(guò)鑒定并投入使用，此為我國自行研制的最大的地震模擬振動(dòng)臺，獲建設部三等獎。1997年在此基礎上，依靠國內力量，改造為三向振動(dòng)臺。

（4）我國第一臺垂直水平兩用機械式起振機

50年代末研制了我國第一臺供建筑振動(dòng)試驗用的垂直水平兩用機械式起振機，1962年研制了供水壩等試驗用的出力為100kn的水平機械起振機。在70年代末研制了TOT—4型單臺出力為40kN，0.5～25Hz起振機，1981年又研制了635型單臺出力為60kN，0.5～30Hz四臺同步起振機，進(jìn)行了大量的各類(lèi)建筑物振動(dòng)試驗，目前并應用出力更大的起振機于油田的振動(dòng)增油技術(shù)中，并取得了可喜結果。

（5）第一臺中頻振動(dòng)標準

1964年立題研制標準振動(dòng)臺。當時(shí)中國計量科學(xué)研究院也在著(zhù)手研制標準振動(dòng)臺，因此，1965年由我所和計量院根據我國的“十二年科學(xué)發(fā)展規劃”簽訂了合作研制標準振動(dòng)臺的協(xié)議。由于文化大革命的干擾，此項工作中止多年。1979年我所儀器研制室組建了振動(dòng)標準設備研制組，繼續研制振動(dòng)標準，1980年中頻振動(dòng)標準裝置研制完畢。5月召開(kāi)全國鑒定會(huì )，鑒定意認為我所在國內最先研制中頻標準振動(dòng)臺，并達到了國內外先進(jìn)水平。1986年獲得中國地震局科技進(jìn)步二等獎。

（6）第一臺超低頻振動(dòng)標準（發(fā)明專(zhuān)利）

經(jīng)過(guò)多年的艱苦工作，研究出了一套將低頻標準振動(dòng)臺的使用頻率延伸至0.01Hz的技術(shù)，突破了低頻振動(dòng)標準的技術(shù)難關(guān)。1988年獲中國發(fā)明專(zhuān)利，1988年10月由國家地震局主持召開(kāi)了全國鑒定會(huì )，到會(huì )專(zhuān)家對該裝置作了高的評價(jià)。鑒定意見(jiàn)認為“裝置在0.01—1Hz超低頻范圍內在技術(shù)上和指標方面有重要突破?！薄把b置所采用的脈沖寬度調制式功率放大器具有極低的漂移和很高的穩定性。所研制成功的利用電磁臺本身特性做相對速度、反饋和絕對與相對速度復合反饋所構成的綜合振動(dòng)反饋控制技術(shù)屬世界首創(chuàng )?！薄俺皖l振動(dòng)標準裝置的主要技術(shù)指標……，進(jìn)入當前世界先進(jìn)行列，在0.5Hz以下屬世界領(lǐng)先水平?！惫こ陶駝?dòng)測量?jì)x器多個(gè)第一。

（7）1963年開(kāi)始研制國內第一臺壓電加速度儀

1964年，自行設計了SS-64水平拾振器，除工力所生產(chǎn)外，沈陽(yáng)照相機廠(chǎng)生產(chǎn)了一批，此為我國工程測振中首次使用了自己研制的拾振器，并研制了相配的多通道積分放大器，形成國內第一套完整的工程測振儀。

（8）1965年研制成功第一臺電感應變儀。

（9）1965年研制成功靜態(tài)、動(dòng)態(tài)應變儀，其精度已達到1×10-7，這是我國的最高水平。

（10）1965年，研制成國內第一臺SS-D、ZS-D大位移拾振器，應用于西南三線(xiàn)建設中高橋墩大位移測量要求。

（11）1966年研制成國內第一臺無(wú)源機電反饋原理101型拾振器，后來(lái)發(fā)展為廣泛應用與工程振動(dòng)的701型拾振器，701獲得中國地震局科技進(jìn)步三等獎，并在全國得到廣泛應用。

（12）1970年，研制成國內第一臺動(dòng)圈伺服加速度拾振器。

（13）1981年研制成國內第一臺雙擺動(dòng)圈換能式轉動(dòng)拾振器

1981年研制成功ZHJ-1型轉動(dòng)拾振器，該傳感器主要用于地震動(dòng)及各種結構物的轉動(dòng)分量參數的測量。

1982年4月，在廣東省新豐江發(fā)電廠(chǎng)水壩的108高程裂縫的動(dòng)測中得到實(shí)際應用，測試記錄已在新豐江大壩的特性分析中采用。

（14）國內第一臺微振加速度儀

1983年研制成功MJ型微振加速度儀，1983年1月通過(guò)技術(shù)鑒定1984年12月經(jīng)過(guò)產(chǎn)品鑒定，鑒定會(huì )認為：達到了國內目前大地脈動(dòng)和工程微振加速度測量?jì)x器的先進(jìn)水平，填補了國內空白。該儀器獲得國家地震局科學(xué)進(jìn)步三等獎。

（15）1984年，研制成功國內第一臺電容傳感力平衡加速度計

1984年研制成功RLJ-1型差容式力平衡加速度計，該儀器1984年通過(guò)鑒定，鑒定意見(jiàn)為該儀器使用電容作為傳感元件的伺服式加速度計，具有精度高、失真小，穩定性好，靈敏度高、頻帶可低至零頻的特點(diǎn)，達到了國際了同類(lèi)產(chǎn)品的水平。1986年獲得國家地震局科技進(jìn)步三等獎。該種原理的加速度計不斷發(fā)展提高，成為我國強震觀(guān)測和地震模擬實(shí)驗的主要產(chǎn)品。

（16）1987年研制成功第一臺數字磁帶強震儀

該系統包括WLJ-1型微功耗力平衡加速度計和SCQ-1型數字記錄器、回放儀，一九八七年八月在北京召開(kāi)了SCQ-1型數字磁帶強震加速度記錄系統的鑒定會(huì )。鑒定意見(jiàn)為系統配套性強，某些指標優(yōu)于國外同類(lèi)產(chǎn)品.該儀器與SCQ-1型記錄器一起獲得1990年度國家科技進(jìn)步三等獎。

（17）1984年第一臺大量程雙磁路伺服式加速度計

1984年研制成功QJ型強加速度計，主要用于近場(chǎng)核爆破振動(dòng)測量。

（18）1989年研制成功國內第一臺用于橋梁撓度測量的傾角儀

該儀器在荷載作用下直接測量鐵路橋、公路橋、立交橋、混凝土梁等結構的傾角曲線(xiàn)、撓度曲線(xiàn)。以便研究橋梁結構各斷面的受力情況、安全性及抗震性能。

（19）1990年第一臺無(wú)源伺服式往復擺多功能測振儀（專(zhuān)利）

1990年研制成功891系列測振儀；1990年通過(guò)部級鑒定，鑒定會(huì )認為為：“國內外尚無(wú)同類(lèi)產(chǎn)品，屬于首創(chuàng )”。1991年獲得國家專(zhuān)利權。1990年該儀器被鐵道部選為鐵路橋梁檢測更新?lián)Q代產(chǎn)品，1992年列入哈爾濱“8．5”火炬計劃，1992年國科發(fā)計字596號文件列為國家級新產(chǎn)品(見(jiàn)新產(chǎn)品證書(shū))，1992年獲得中國專(zhuān)利新技術(shù)新產(chǎn)品博覽會(huì )銀獎，1992年獲國家地震局科技進(jìn)步二等獎。主要用于建筑工程、地震地質(zhì)、電力、交通、石油化工、勘察設計、軍工等領(lǐng)域中微小、中等和強烈的工程振動(dòng)測量，根據此原理，研制成功941B、991B和991C型超低頻測振儀，廣泛用于工程振動(dòng)測量中。

（20）1992年研制成功 國內第一臺超低頻有源伺服式速度、位移計（專(zhuān)利）

1992年將有源伺服技術(shù)應用于小體積的直線(xiàn)擺上，研制成功921型超低頻(0.05Hz)特大量程(±10m)的速度位移計，解決了海浪預報等超低頻特大位移的振動(dòng)測量；該儀器獲得專(zhuān)利， 并獲得專(zhuān)利博覽會(huì )銀獎。

（21）1996年研制成國內第一臺三分向力平衡加速度計

1996年研制成功SLJ-100型三分向力平衡加速度計，同年通過(guò)鑒定，鑒定意見(jiàn)為該儀器是由工程力學(xué)研究所承擔國家地震局8.5重點(diǎn)科技項目之一，國內首次采用力平衡原理研制機電一體化三分向加速度計，儀器設計技術(shù)線(xiàn)路先進(jìn)，具有高精度，大動(dòng)態(tài)范圍，主要技術(shù)指標優(yōu)于國際地震界通用產(chǎn)品的技術(shù)指標，總體達到同類(lèi)產(chǎn)品國際先進(jìn)水平。1997年獲得國家地震局科技進(jìn)步2等獎。該儀器參與澳大利亞、日本、美國、古巴、巴基斯坦、智力、香港等國家和地區的技術(shù)合作項目，并出口上述國家。

（22）2000年研制成國內第一臺閉環(huán)極點(diǎn)補償式拾振器（專(zhuān)利）

2000年研制成功2000型閉環(huán)極點(diǎn)補償式拾振器，在小體積的地震檢波器上實(shí)現了低頻和中頻特性的擴展，為汽輪機等大型機械的故障診斷提供了新手段，已獲得國家專(zhuān)利。

（23）2004年研制成國內第一臺加加速度計（專(zhuān)利）

2004年研制成國內第一臺加加速度計，已形成系列，獲得國家專(zhuān)利，獲得美國自然科學(xué)基金資助，在汶川地震5月25日6.4級強余震獲得了世界上首條地震地面運動(dòng)和結構反應的加加速度記錄，在中國神華寧煤集團大峰露天煤礦爆破中獲得國內第一條加加速度的爆破記錄。

（24）2008年研制成功國內第一套城市燃氣管網(wǎng)地震安全監控和緊急處置系統（發(fā)明專(zhuān)利）

2003年至今已研制成功系列化全機械式地震煤氣自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)，它不需要任何電源即可在地震發(fā)生時(shí)按照設定的地震烈度值自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)，切斷燃氣的流動(dòng)，防止次生災害的發(fā)生。除此之外，還研制成相應的遠程監控系統，城市燃氣管網(wǎng)地震自動(dòng)安全控制的演示系統及其相關(guān)的標定設備，該項目獲得2項發(fā)明專(zhuān)利，多項實(shí)用新型專(zhuān)利。在唐山安裝了我國第一套城市燃氣管網(wǎng)地震安全監控和緊急處置系統，并已安全運行了近三年時(shí)間。在中國唐山地震博物館安裝了城市燃氣管網(wǎng)地震自動(dòng)安全控制的演示系統，為參觀(guān)者提供了科普教育。2012年12月23日，中國地震局在北京召開(kāi)了科技創(chuàng )新暨成果交流推廣工作會(huì )議。會(huì )上評選出了中國地震局“十一五”以來(lái)最具應用實(shí)效的10項科技成果。 “城市燃氣管網(wǎng)地震安全監控和緊急處置系統”從177項候選成果中脫穎而出成功入選。

（25）2008年國內第一套城市燃氣管網(wǎng)地震安全監控的演示系統（發(fā)明專(zhuān)利）

另外巖土力學(xué)試驗、結構試驗等方面也創(chuàng )造出多個(gè)第一，請有關(guān)人員補充。

2 不斷發(fā)展的儀器研制

1979年之前我所的儀器研究人員分布在各個(gè)研究室(一室的地震儀組、五室的儀器組和巖土的室的儀器組等)。1979年集中調整后，成立了現在的振動(dòng)儀器研究室。主要研究方向：強震儀，工程振動(dòng)測量?jì)x器，大型振動(dòng)試驗設備，質(zhì)量檢測儀器，振動(dòng)計量?jì)x器，實(shí)驗方法研究。

1979—1989是振動(dòng)儀器室艱難的十年，計劃經(jīng)濟轉化為市場(chǎng)經(jīng)濟，習慣了吃皇糧的科技人員顯然很不適應，我所的主攻學(xué)科受到了沖擊，振動(dòng)儀器室瀕臨滅亡，當時(shí)的所領(lǐng)導提出了讓儀器室自消自滅的觀(guān)點(diǎn)，振動(dòng)儀器室的科技人員也紛紛下海經(jīng)商，1989年振動(dòng)儀器室到了低谷。當時(shí)研究室制定了該室的生存與發(fā)展方針，圍繞主攻學(xué)科的需要和國民經(jīng)濟建設的發(fā)展不斷完善已有產(chǎn)品，強調研發(fā)制新型產(chǎn)品，以創(chuàng )新闖市場(chǎng)，以市場(chǎng)求生存和發(fā)展，逐步形成一個(gè)集人才、效益、科研、技術(shù)為一身的良性循環(huán)。1989年也正值鐵道部橋梁檢測儀器更新?lián)Q代之際，在機遇、生存與發(fā)展面前，振動(dòng)儀器室?jiàn)^力走出了一條適應市場(chǎng)經(jīng)濟運行機制的新路，給本室帶來(lái)了生機和活力。

1989年至今是儀器室快速發(fā)展的二十幾年，科技人員用自己創(chuàng )收的經(jīng)費投入新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和購置儀器設施(微機、儀器、書(shū)架、桌椅等)，取得了一批批豐碩成果，研制的產(chǎn)品受到了社會(huì )的承認，引起了各級領(lǐng)導的重視，吸引了一批優(yōu)秀人才，儀器室進(jìn)入了良性循環(huán)，在如下幾個(gè)領(lǐng)域的儀器研發(fā)取得較大進(jìn)步。

（1） 強震儀

本所開(kāi)創(chuàng )了我國強震儀的研制，經(jīng)幾代人的不斷努力，現已形成7個(gè)品牌。如表1所示。

表1

新近研制成功并轉化為產(chǎn)品的固態(tài)存儲強震儀，屬?lài)H先進(jìn)水平，在國家重點(diǎn)項目中得到廣泛應用，并于2001年10月由國家主席江澤民將此強震儀贈送給智利總統拉戈斯六臺，用于智利強震觀(guān)測。我所成為我國強震儀的研制中心和生產(chǎn)基地。獲得國家科技進(jìn)步三等獎1項，部委級獎勵多項。

（2）大型地震模擬振動(dòng)臺

振動(dòng)儀器研究室成立之后，組建了大型地震模擬振動(dòng)臺研制組，先后為上海青年文化活動(dòng)中心，天津某院，武漢工大等單位研制成功4套大型振動(dòng)臺。

（3）工程振動(dòng)測量?jì)x器

已研制成功30余種各類(lèi)工程振動(dòng)測量?jì)x器。研制成功891型測振儀、941B型超低頻測振儀，991型超低頻測振儀、2000型極點(diǎn)補償式拾振器， QY-1型傾角儀，系列化數據采集分析系統， IPVM智能工程測振儀，981型井下多功能測振儀等。低頻及超低頻工程振動(dòng)測量?jì)x器已在國內占領(lǐng)了一定市場(chǎng)，且出口國外。在低頻和超低頻工程振動(dòng)測量?jì)x器研制方面，多種儀器處于領(lǐng)先水平，獲得國家科技進(jìn)步二等獎1項，部委級科技進(jìn)步獎多項，專(zhuān)利10余項，國家級新產(chǎn)品1項。利用各種原理研制的振動(dòng)傳感器如表2所示。

表2 利用各種原理研制的振動(dòng)傳感器

（4）振動(dòng)計量設備

振動(dòng)計量是測振儀器質(zhì)量的保證系統。已研制成功的中頻標準設備，超低頻標準裝置，小型超低頻二次標準系統，均居國內外先進(jìn)水平。我所成為國家授權的計量單位。近幾年國家撥巨資進(jìn)行了計量室的改造，研制成功兩套超低頻大行程振動(dòng)臺，其中一套是行程為500mm的雙磁路超低頻振動(dòng)臺，并獲得國家專(zhuān)利。

（5）防災減災儀器

近十年較全面開(kāi)展了防災減災儀器研究，主要工作如下： 研制成功橋梁性能檢測系統，開(kāi)展了高鐵橋梁動(dòng)撓度測量方法研究，并和美國開(kāi)展了國際合作研究。該研究的部分成果獲得黑龍江省科技進(jìn)步三等獎。

開(kāi)展了燃氣管道地震安全控制研究，研制成功三種地震自動(dòng)關(guān)閉煤氣閥門(mén)，燃氣管道地震安全控制的演示系統等，已獲得發(fā)明專(zhuān)利2項，實(shí)用新型專(zhuān)利多項。已在唐山兩個(gè)小區安裝并安全運行了近三年。該成果入選中國地震局“十一五”以來(lái)最具應用實(shí)效的10項科技成果。2012年，該項工作的后續研究列入國家863計劃。

此外還研制成功鋼筋掃描儀（專(zhuān)利）、裂縫計（專(zhuān)利）等。

現諸多產(chǎn)品已進(jìn)入市場(chǎng)，正服務(wù)于地震地質(zhì)，鐵路交通，勘察設計，各類(lèi)建筑，水電核電，國防軍工，大專(zhuān)院校，科研院所等部門(mén)。

3 碩果累累

經(jīng)過(guò)60年的風(fēng)雨，經(jīng)過(guò)幾代儀器研制人員的不斷進(jìn)取，取得了豐碩成果，獲得25項國家專(zhuān)利（如表3所示），獲得全國科學(xué)大會(huì )獎1項，國家科技進(jìn)步獎3項（如表4所示），部委級科技獎勵幾十項。2012年12月23日，中國地震局在北京召開(kāi)了科技創(chuàng )新暨成果交流推廣工作會(huì )議。會(huì )上評選出了中國地震局“十一五”以來(lái)最具應用實(shí)效的10項科技成果。我所的 “城市燃氣管網(wǎng)地震安全監控和緊急處置系統”從177項候選成果中脫穎而出成功入選。后續研究工作已經(jīng)列入國家863計劃，這也是我所建所以來(lái)的第一個(gè)863計劃項目。

出版專(zhuān)著(zhù)3部，如表5所示。發(fā)表近百篇有價(jià)值的論文。

申報成功儀器科學(xué)與技術(shù)一級碩士授予點(diǎn)。培養博士生5名、碩士生十余名。

表3 獲得的專(zhuān)利

表4 獲得的國家獎勵

表5 出版的專(zhuān)著(zhù)

4.結語(yǔ)

建所60年，振動(dòng)儀器研究室也已成立了35年。幾代人獻身于一共同目標——儀器研制，老一輩的奮斗精神，將永遠鼓舞和激勵著(zhù)后人，一代年輕人正沿著(zhù)老一輩的足跡奮勇向前，創(chuàng )造更加輝煌的明天。

恰逢建所60周年，真想把幾代人儀器研制的工作好好總結一下，但要寫(xiě)全真有點(diǎn)困難，比如土動(dòng)力學(xué)實(shí)驗儀器、巖石力學(xué)的實(shí)驗儀器、結構實(shí)驗儀器等還有待其他同志補充，文中的用詞可能有不當之處請諒解。

作者系工力所研究員，曾任測量?jì)x器室主任