2024 年 07 月 15 日
所友情怀
所友情怀

工程力学研究所仪器研制60年
发布时间:2024/02/19

工程力学研究所仪器研制60年

杨学山

 

建所初期,刘所长以他独特的思维方式和远见卓识,在工力所科研布局的棋盘上布下了一颗重要棋子---仪器研究。工程力学研究所自建所后便逐渐形成一支力量比较雄厚的仪器设备研制队伍,并在60年发展历程的各个阶段,始终有一批科技人员坚守着这块阵地,他们献身于仪器研究,锲而不舍,途径艰辛,留下拼博的足迹和汗水,作出了突出的业绩,他们结合国家需求和学科发展研制出大量的仪器设备,硕果累累。

1 创造出全国多个第一

建所60年,我所在强震仪、大型振动台、工程振动测量仪器、超低频振动计量、岩土工程实验仪器、防灾减灾仪器等方面几乎都是我国的先驱,创造出多个全国第一。

1)我国第一台电流计记录式强震仪

根据我国在1956年制定的十二年科学规划中,结构物的强震观侧及观测仪器由中国科学院土木建筑研究所负责,为此1964年2月我所成立了地震仪组,开始了强震仪的研制工作,于1964年6月底前完成第一台强震仪样机的研制任务。在黄振平主持下,设计、加工、仪器调试、参数测试等工作进如期完成,在6月30日完成了一套实验样机。后由我所仪器厂及中国科学院东北分院的507厂进行了小批量生产,共生产40余台7通道电流计记录式强震仪。仪器主要安装在邢台地区及西昌地区。7线强震仪主要解决了如下技术问题:(1)国际上首次在强震仪上采用了电流计记录的技术方案。(2)该仪器首次实现了随强震时间长短而工作的自动触发控制系统。国外均采用40秒和90秒定时记录。

1966年3月28日在国务院召开的3.28条件会仪上决定由地质部北京地质仪器厂生产强震仪。以我所研制的7线强震仪为样机,进行改进设计,型号为RDZ1-12-66型强震仪,该强震仪为速度摆加速度计拾振器配接线性电流计,电流计为16通道,其中记录道为12道,2道为时标信号,2道为零线,该仪器共生产108套安装在我国地震台。此仪器解决了如下技术问题:(1)在记录器上实现了拾振器与电流计记录回路的远距离检查装置,(2)实现现场电流计记录强震仪灵敏度的野外标定法(输入电流法)。1978年RDZ1-12-66型强震仪获得全国科学大会奖。

2)我国第一台大型振动台

按照刘所长在试验室内进行结构破坏试验的设想,1956年从铁道部调拨二节火车皮来建造振动台,后来改为一节火车皮。利用解放牌汽车发动机做动力源。振动频率从1至40Hz,载重达20T,此为当时国内外最大的振动台,1960年投入使用,1962年获得中国科学院三等奖。

3)我国第一台自主研发的5×5米双水平向地震模拟振动台

我所与天水红山试验机厂共同合作,于1988研制研制成功5×5米双水平向地震模拟振动台,同年通过鉴定并投入使用,此为我国自行研制的最大的地震模拟振动台,获建设部三等奖。1997年在此基础上,依靠国内力量,改造为三向振动台。

4)我国第一台垂直水平两用机械式起振机

50年代末研制了我国第一台供建筑振动试验用的垂直水平两用机械式起振机,1962年研制了供水坝等试验用的出力为100kn的水平机械起振机。在70年代末研制了TOT—4型单台出力为40kN,0.5~25Hz起振机,1981年又研制了635型单台出力为60kN,0.5~30Hz四台同步起振机,进行了大量的各类建筑物振动试验,目前并应用出力更大的起振机于油田的振动增油技术中,并取得了可喜结果。

5)第一台中频振动标准

1964年立题研制标准振动台。当时中国计量科学研究院也在着手研制标准振动台,因此,1965年由我所和计量院根据我国的“十二年科学发展规划”签订了合作研制标准振动台的协议。由于文化大革命的干扰,此项工作中止多年。1979年我所仪器研制室组建了振动标准设备研制组,继续研制振动标准,1980年中频振动标准装置研制完毕。5月召开全国鉴定会,鉴定意认为我所在国内最先研制中频标准振动台,并达到了国内外先进水平。1986年获得中国地震局科技进步二等奖。

6)第一台超低频振动标准(发明专利)

经过多年的艰苦工作,研究出了一套将低频标准振动台的使用频率延伸至0.01Hz的技术,突破了低频振动标准的技术难关。1988年获中国发明专利,1988年10月由国家地震局主持召开了全国鉴定会,到会专家对该装置作了高的评价。鉴定意见认为“装置在0.01—1Hz超低频范围内在技术上和指标方面有重要突破。”“装置所采用的脉冲宽度调制式功率放大器具有极低的漂移和很高的稳定性。所研制成功的利用电磁台本身特性做相对速度、反馈和绝对与相对速度复合反馈所构成的综合振动反馈控制技术属世界首创。”“超低频振动标准装置的主要技术指标……,进入当前世界先进行列,在0.5Hz以下属世界领先水平。”工程振动测量仪器多个第一。

7)1963年开始研制国内第一台压电加速度仪

1964年,自行设计了SS-64水平拾振器,除工力所生产外,沈阳照相机厂生产了一批,此为我国工程测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积分放大器,形成国内第一套完整的工程测振仪。

8)1965年研制成功第一台电感应变仪。

9)1965年研制成功静态、动态应变仪,其精度已达到1×10-7,这是我国的最高水平。

10)1965年,研制成国内第一台SS-D、ZS-D大位移拾振器,应用于西南三线建设中高桥墩大位移测量要求。

11)1966年研制成国内第一台无源机电反馈原理101型拾振器,后来发展为广泛应用与工程振动的701型拾振器,701获得中国地震局科技进步三等奖,并在全国得到广泛应用。

12)1970年,研制成国内第一台动圈伺服加速度拾振器。

13)1981年研制成国内第一台双摆动圈换能式转动拾振器

1981年研制成功ZHJ-1型转动拾振器,该传感器主要用于地震动及各种结构物的转动分量参数的测量。

1982年4月,在广东省新丰江发电厂水坝的108高程裂缝的动测中得到实际应用,测试记录已在新丰江大坝的特性分析中采用。

14)国内第一台微振加速度仪

1983年研制成功MJ型微振加速度仪,1983年1月通过技术鉴定1984年12月经过产品鉴定,鉴定会认为:达到了国内目前大地脉动和工程微振加速度测量仪器的先进水平,填补了国内空白。该仪器获得国家地震局科学进步三等奖。

15)1984年,研制成功国内第一台电容传感力平衡加速度计

1984年研制成功RLJ-1型差容式力平衡加速度计,该仪器1984年通过鉴定,鉴定意见为该仪器使用电容作为传感元件的伺服式加速度计,具有精度高、失真小,稳定性好,灵敏度高、频带可低至零频的特点,达到了国际了同类产品的水平。1986年获得国家地震局科技进步三等奖。该种原理的加速度计不断发展提高,成为我国强震观测和地震模拟实验的主要产品。

16)1987年研制成功第一台数字磁带强震仪

该系统包括WLJ-1型微功耗力平衡加速度计和SCQ-1型数字记录器、回放仪,一九八七年八月在北京召开了SCQ-1型数字磁带强震加速度记录系统的鉴定会。鉴定意见为系统配套性强,某些指标优于国外同类产品.该仪器与SCQ-1型记录器一起获得1990年度国家科技进步三等奖。

17)1984年第一台大量程双磁路伺服式加速度计

1984年研制成功QJ型强加速度计,主要用于近场核爆破振动测量。

18)1989年研制成功国内第一台用于桥梁挠度测量的倾角仪

该仪器在荷载作用下直接测量铁路桥、公路桥、立交桥、混凝土梁等结构的倾角曲线、挠度曲线。以便研究桥梁结构各断面的受力情况、安全性及抗震性能。

19)1990年第一台无源伺服式往复摆多功能测振仪(专利)

1990年研制成功891系列测振仪;1990年通过部级鉴定,鉴定会认为为:“国内外尚无同类产品,属于首创”。1991年获得国家专利权。1990年该仪器被铁道部选为铁路桥梁检测更新换代产品,1992年列入哈尔滨“8.5”火炬计划,1992年国科发计字596号文件列为国家级新产品(见新产品证书),1992年获得中国专利新技术新产品博览会银奖,1992年获国家地震局科技进步二等奖。主要用于建筑工程、地震地质、电力、交通、石油化工、勘察设计、军工等领域中微小、中等和强烈的工程振动测量,根据此原理,研制成功941B、991B和991C型超低频测振仪,广泛用于工程振动测量中。

20)1992年研制成功 国内第一台超低频有源伺服式速度、位移计(专利)

1992年将有源伺服技术应用于小体积的直线摆上,研制成功921型超低频(0.05Hz)特大量程(±10m)的速度位移计,解决了海浪预报等超低频特大位移的振动测量;该仪器获得专利, 并获得专利博览会银奖。

21)1996年研制成国内第一台三分向力平衡加速度计

1996年研制成功SLJ-100型三分向力平衡加速度计,同年通过鉴定,鉴定意见为该仪器是由工程力学研究所承担国家地震局8.5重点科技项目之一,国内首次采用力平衡原理研制机电一体化三分向加速度计,仪器设计技术线路先进,具有高精度,大动态范围,主要技术指标优于国际地震界通用产品的技术指标,总体达到同类产品国际先进水平。1997年获得国家地震局科技进步2等奖。该仪器参与澳大利亚、日本、美国、古巴、巴基斯坦、智力、香港等国家和地区的技术合作项目,并出口上述国家。

22)2000年研制成国内第一台闭环极点补偿式拾振器(专利)

2000年研制成功2000型闭环极点补偿式拾振器,在小体积的地震检波器上实现了低频和中频特性的扩展,为汽轮机等大型机械的故障诊断提供了新手段,已获得国家专利。

23)2004年研制成国内第一台加加速度计(专利)

2004年研制成国内第一台加加速度计,已形成系列,获得国家专利,获得美国自然科学基金资助,在汶川地震5月25日6.4级强余震获得了世界上首条地震地面运动和结构反应的加加速度记录,在中国神华宁煤集团大峰露天煤矿爆破中获得国内第一条加加速度的爆破记录。

24)2008年研制成功国内第一套城市燃气管网地震安全监控和紧急处置系统(发明专利)

2003年至今已研制成功系列化全机械式地震煤气自动关闭阀门,它不需要任何电源即可在地震发生时按照设定的地震烈度值自动关闭阀门,切断燃气的流动,防止次生灾害的发生。除此之外,还研制成相应的远程监控系统,城市燃气管网地震自动安全控制的演示系统及其相关的标定设备,该项目获得2项发明专利,多项实用新型专利。在唐山安装了我国第一套城市燃气管网地震安全监控和紧急处置系统,并已安全运行了近三年时间。在中国唐山地震博物馆安装了城市燃气管网地震自动安全控制的演示系统,为参观者提供了科普教育。2012年12月23日,中国地震局在北京召开了科技创新暨成果交流推广工作会议。会上评选出了中国地震局“十一五”以来最具应用实效的10项科技成果。 “城市燃气管网地震安全监控和紧急处置系统”从177项候选成果中脱颖而出成功入选。

25)2008年国内第一套城市燃气管网地震安全监控的演示系统(发明专利)

另外岩土力学试验、结构试验等方面也创造出多个第一,请有关人员补充。

2 不断发展的仪器研制

1979年之前我所的仪器研究人员分布在各个研究室(一室的地震仪组、五室的仪器组和岩土的室的仪器组等)。1979年集中调整后,成立了现在的振动仪器研究室。主要研究方向:强震仪,工程振动测量仪器,大型振动试验设备,质量检测仪器,振动计量仪器,实验方法研究。

1979—1989是振动仪器室艰难的十年,计划经济转化为市场经济,习惯了吃皇粮的科技人员显然很不适应,我所的主攻学科受到了冲击,振动仪器室濒临灭亡,当时的所领导提出了让仪器室自消自灭的观点,振动仪器室的科技人员也纷纷下海经商,1989年振动仪器室到了低谷。当时研究室制定了该室的生存与发展方针,围绕主攻学科的需要和国民经济建设的发展不断完善已有产品,强调研发制新型产品,以创新闯市场,以市场求生存和发展,逐步形成一个集人才、效益、科研、技术为一身的良性循环。1989年也正值铁道部桥梁检测仪器更新换代之际,在机遇、生存与发展面前,振动仪器室奋力走出了一条适应市场经济运行机制的新路,给本室带来了生机和活力。

1989年至今是仪器室快速发展的二十几年,科技人员用自己创收的经费投入新产品的开发和购置仪器设施(微机、仪器、书架、桌椅等),取得了一批批丰硕成果,研制的产品受到了社会的承认,引起了各级领导的重视,吸引了一批优秀人才,仪器室进入了良性循环,在如下几个领域的仪器研发取得较大进步。

(1) 强震仪  

本所开创了我国强震仪的研制,经几代人的不断努力,现已形成7个品牌。如表1所示。

1

RDZ1-12-66型强震仪

1966

RZS-2型强震仪                

1976

GQⅢ型工程强震仪             

1980

GQⅣ型模拟磁带强震仪         

1984   

SCQ-1型数字磁带强震仪        

1988

GDQJ-1型固态地震动强度记录仪  

1998

GDQJ-1A型固态地震动强度记录仪  

2000

GDQJ-2型固态地震动强度记录仪     

2001

新近研制成功并转化为产品的固态存储强震仪,属国际先进水平,在国家重点项目中得到广泛应用,并于2001年10月由国家主席江泽民将此强震仪赠送给智利总统拉戈斯六台,用于智利强震观测。我所成为我国强震仪的研制中心和生产基地。获得国家科技进步三等奖1项,部委级奖励多项。

2)大型地震模拟振动台

振动仪器研究室成立之后,组建了大型地震模拟振动台研制组,先后为上海青年文化活动中心,天津某院,武汉工大等单位研制成功4套大型振动台。

3)工程振动测量仪器

已研制成功30余种各类工程振动测量仪器。研制成功891型测振仪、941B型超低频测振仪,991型超低频测振仪、2000型极点补偿式拾振器, QY-1型倾角仪,系列化数据采集分析系统, IPVM智能工程测振仪,981型井下多功能测振仪等。低频及超低频工程振动测量仪器已在国内占领了一定市场,且出口国外。在低频和超低频工程振动测量仪器研制方面,多种仪器处于领先水平,获得国家科技进步二等奖1项,部委级科技进步奖多项,专利10余项,国家级新产品1项。利用各种原理研制的振动传感器如表2所示。

 

2  利用各种原理研制的振动传感器

  

       

电容传感力平衡加速度计

RLJ、WLJ、 SLJ-100 、MBA-1、LPG-1

动圈换能伺服式加速度计

MJ-1、DCJ

动圈换能伺服式速度计

921

闭环极点补偿式速度计

2000-1、2000-2

无源伺服式速度计

101、701、891-1、891-2、891-4、941B、991B

加加速度计

JW-1、JW-2、JW2-3D

大阻尼双输出

2011型

无源伺服式双输出

991C

地震转动加速度计

双摆动圈式、轮辐弹簧式

裂缝计

LF-1

倾角仪

QY-1、QY-2

井下波速、脉动

JBT-1、JBT-2、981

 

4)振动计量设备

 振动计量是测振仪器质量的保证系统。已研制成功的中频标准设备,超低频标准装置,小型超低频二次标准系统,均居国内外先进水平。我所成为国家授权的计量单位。近几年国家拨巨资进行了计量室的改造,研制成功两套超低频大行程振动台,其中一套是行程为500mm的双磁路超低频振动台,并获得国家专利。

5)防灾减灾仪器

近十年较全面开展了防灾减灾仪器研究,主要工作如下:

研制成功桥梁性能检测系统,开展了高铁桥梁动挠度测量方法研究,并和美国开展了国际合作研究。该研究的部分成果获得黑龙江省科技进步三等奖。

开展了燃气管道地震安全控制研究,研制成功三种地震自动关闭煤气阀门,燃气管道地震安全控制的演示系统等,已获得发明专利2项,实用新型专利多项。已在唐山两个小区安装并安全运行了近三年。该成果入选中国地震局“十一五”以来最具应用实效的10项科技成果。2012年,该项工作的后续研究列入国家863计划。

此外还研制成功钢筋扫描仪(专利)、裂缝计(专利)等。

现诸多产品已进入市场,正服务于地震地质,铁路交通,勘察设计,各类建筑,水电核电,国防军工,大专院校,科研院所等部门。

3 硕果累累

经过60年的风雨,经过几代仪器研制人员的不断进取,取得了丰硕成果,获得25项国家专利(如表3所示),获得全国科学大会奖1项,国家科技进步奖3项(如表4所示),部委级科技奖励几十项。2012年12月23日,中国地震局在北京召开了科技创新暨成果交流推广工作会议。会上评选出了中国地震局“十一五”以来最具应用实效的10项科技成果。我所的 “城市燃气管网地震安全监控和紧急处置系统”从177项候选成果中脱颖而出成功入选。后续研究工作已经列入国家863计划,这也是我所建所以来的第一个863计划项目。

出版专著3部,如表5所示。发表近百篇有价值的论文。

申报成功仪器科学与技术一级硕士授予点。培养博士生5名、硕士生十余名。

3 获得的专利

序号

 

发明人

专利号

类型

1

一种电磁/电动振动产生器

舒毓龙、谢光华、孙跃东、汪永安、孙

85104107

发明

2

无源伺服式往复摆多功能拾振器

杨学山、黄浩华 黄振平

90204993.3

新型

3

超低频有源伺服式速度计

杨学山、黄浩华

92242152.8

新型

4

小型伺服振动台系统

黄振平、杨学山

92243429.8

新型

5

电磁感应式钢筋扫描仪

黄浩华、王绍荣

杨学山、李忠良

ZL98238084.4

新型

6

三分向力平衡短周期地震计

王家行

98216793

新型

序号

 

发明人

专利号

类型

7

闭环式三参量测振仪

王绍荣、黄浩华

200420018811

新型

8

加加速度计

杨学山、齐霄斋

李兆治、童  

ZL200520022171.0

新型

9

闭环极点补偿式速度拾振器

杨学山、黄浩华

ZL200520021855.9

新型

10

自动地震煤气关闭阀门

杨学山 刘华泰

ZL200520021854.4

新型

11

竖向地震煤气自动关闭阀门

杨学山、刘华泰、孙志远、杨巧玉

ZL200920099112.1

新型

12

生命线工程管线阀门智能地震安全控制系统

马树林、杨学山

ZL2006

1 0150976.2

发明

13

裂缝计

黄浩华、杨学山

ZL200520021853.X

新型

14

全机械大口径自动地震燃气关闭阀门

杨学山、刘华泰等

ZL201120252168.3

新型

15

燃气管道地震安全控制演示系统

杨学山、匙庆磊、何先龙、张  涛、高 峰、杨巧玉

ZL201120115901.7

发明

16

基于大阻尼比的双参量速度和加速度输出拾振器

杨学山、杨巧玉、孙志远、匙庆磊、高  峰、杨立志;

 

ZL201120115806.9

发明

17

电磁感应式索力检测装置

孙志远、杨学山.

ZL200820090700.4

新型

18

基于网络与中文短信控制的强震数据采集与烈度记录器

 雷、高  峰、魏继武

ZL201120186070.2

新型

19

便携式倾角仪

 峰、宋丽红

ZL2009 2 0099022

新型

20

数字强震仪自动呼叫和应答控制装置

 峰、王  雷、魏继武

201020210143.2

新型

21

基于网络与中文短信控制的强震数据采集与烈度记录器,

 雷、高   、魏继武

ZL201120186070.2

新型

22

双倍行程电动振动台

舒毓龙、孙耀东、刘本弟

200620020706

新型

23

低频水平向大行程电动振动台

舒毓龙、杨巧玉、杨学山

200820090701

新型

24

差动电容式加速度传感器极板调零装置

 雷、高  峰、王  

ZL201020243744.3

新型

25

地震应急求救手机

孙志远.

ZL201020202528.4

新型

 

4 获得的国家奖励

序号

 

 

获奖人

年月

1

强震仪

全国科学大会奖

黄振平等

1978

2

SCQ-1型数字磁带强震加速度系统

国家科技进步三等奖

徐增标、孙桂绵、王家行、

李忠良、于海力

1990

3

中国数字地震观测系统的设计、研制、生产、集成和推广应用

国家科技进步一等奖

庄灿涛、蔡亚先、薛  兵、杨大克、

李大辉、杨晓源、雷  强、王洪体、

朱小毅、宋  锐、黄志斌、王家行、

童汪练、顾小虹、陈  

2002

4

低频和超低频工程防灾检测仪器和测试技术研究

国家科技进步二等奖

杨学山、黄振平、黄浩华、程建伟、

马树林、董  玲、王绍荣、高  峰、  炜、侯兴民

2004

 

5 出版的专著

 

作者

出版社

年月

1

强震仪

黄振平

地震出版社

1980

2

工程振动测量仪器和测试技术

杨学山

中国计量

出版社

2001

3

地震模拟振动台的设计与应用技术

黄浩华

地震出版社

2008

4.结语

建所60年,振动仪器研究室也已成立了35年。几代人献身于一共同目标——仪器研制,老一辈的奋斗精神,将永远鼓舞和激励着后人,一代年轻人正沿着老一辈的足迹奋勇向前,创造更加辉煌的明天。

恰逢建所60周年,真想把几代人仪器研制的工作好好总结一下,但要写全真有点困难,比如土动力学实验仪器、岩石力学的实验仪器、结构实验仪器等还有待其他同志补充,文中的用词可能有不当之处请谅解。

 

 

作者系工力所研究员,曾任测量仪器室主任