Performance Test and Comparison of MEMS Accelerometers for Vibration Monitoring of High-Rise Building
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摘要: 为开展MEMS型加速度传感器在超高层建筑振动监测应用中的性能对比测试，选取4种不同类型MEMS型加速度传感器与G1B型力平衡式加速度传感器，将其安装在地王大厦相同测点，对MEMS型、G1B型加速度传感器记录的结构环境振动数据进行时程、频谱和模态频率对比分析，并对其记录的结构地震响应进行时域及频域对比。研究结果表明，不同类型MEMS型加速度传感器仪器噪声均大于G1B型加速度传感器，其中MEMS-I型加速度传感器噪声水平相对较小，与G1B型加速度传感器模态频率识别结果及地震响应监测数据吻合较好，验证了MEMS-I型加速度传感器可较准确地记录到结构强振动响应，适用于超高层建筑日常结构振动监测。
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关键词:
- 超高层建筑 /
- MEMS型加速度传感器 /
- 结构振动 /
- 模态频率 /
- 性能测试
Abstract: Field test was carried out in this study to evaluate and compare the performance of MEMS accelerometers for the vibration monitoring of high-rise buildings. Four MEMS accelerometers of different types and a G1B-type force-balanced accelerometer were selected and installed on the same location in Diwang Building for testing. The ambient vibration of the building recorded by the MEMS accelerometers was compared with the G1B accelerometer in terms of time history, Fourier spectrum and modal frequency identification. In addition, the earthquake-induced structural responses of the high-rise building recorded by MEMS-I type accelerometer was compared with those recorded by the G1B accelerometer in both time and frequency domain. The test results show that the noise levels of the four MEMS accelerometers are all higher than that of the G1B accelerometer. Among them, the MEMS-I type accelerometer has a relatively lower level of sensor noise and achieves a good match with the G1B accelerometer in terms of modal frequency identification and earthquake-induced structural vibration measurement, which proves that the MEMS-I type accelerometer can record the strong structural vibration with acceptable accuracy and is feasible for daily vibration monitoring of the high-rise buildings.-
Key words:
- High-rise building /
- MEMS accelerometer /
- Structural vibration /
- Modal frequency /
- Field test
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引言
近年来，随着对青藏高原隆升机制探索的不断深入，许多学者对滇西南及其邻近地区主要活动断裂的几何学、运动学和地震活动性等特征进行了详细的研究(任俊杰等，2007；安晓文等，2009；常祖峰等, 2011, 2012)。滇西南是云南地区活动断裂发育众多、强震频发的地区之一(方良好等，2013)，仅孟连一带就发生过7次4.7级以上的地震，最大地震是1995年7月12日发生在中缅边境的7.3级地震，此次地震对缅甸以及中国云南孟连、澜沧等地造成了严重的破坏(张洪由，1995)。孟连断裂位于中缅边境地带，当地气候炎热，降雨丰沛，植被繁茂，交通极为不便，有关孟连断裂及其活动性研究的公开报道极少，仅有何文贵等(2015)对该断裂晚第四纪新活动特征进行了初步研究。本文根据近年来在该地区开展的野外调查，对孟连断裂的地形地貌特征、空间展布特征、运动学特征、最新活动时代进行描述与探讨，以期为深入研究该地区地震构造环境及地震危险性提供依据，填补该地区活动构造研究的空白。
1. 区域地震构造背景
研究区地处青藏高原的东南缘，隶属于欧亚板块与印度板块多期强烈碰撞的影响区。基底为中元古界深变质岩系，原岩为1套优地槽沉积，前奥陶纪变质岩构成了褶皱基底，奥陶纪—二叠纪时期为稳定的地台型沉积，厚度大于7000m。中生代以来，进入地槽发育阶段，发生强烈的构造分异。在不同地区或不同阶段，有的抬升为陆，有的沉降为盆。新近系在该地区构造盆地中普遍含有煤层，局部尚有基性火山岩出露(云南省地质矿产局，1990)。新构造运动的起始时间大约为上新世早期。中新世以后，喜马拉雅运动强烈影响本区，除使中生代地层发生褶皱变形以外，沿一些老的断裂发生强烈的错动和动力变质作用，局部地段发生断陷作用，形成古近纪-新近纪盆地，堆积了很厚的新近纪陆相煤系地层。自第四纪以来，由于欧亚大陆和印度大陆碰撞作用加剧，青藏高原强烈隆升，研究区也随之隆升。与此同时，沿区内主要断裂形成了一系列第四纪小型断陷盆地，新构造运动与地震活动表现极为强烈(图 1)。
图 1 孟连断裂及邻域地质构造图Figure 1. Geological map along the Menglian fault and its adjacent region区域内分布一系列北西向和北东向的断裂，如汗母坝断裂、澜沧-勐遮断裂、木戛-谦迈断裂、南汀河断裂、打洛断裂和孟连断裂等。晚第四纪以来这些断裂活动强烈(常祖峰等，2011)，沿断裂发生了一系列强震，如1995年7月12日发生在中缅边境的7.3级地震(图 1)。总之，研究区是断裂和地震活动都较为强烈的地区。
2. 断裂晚第四纪活动特征
孟连断裂主要发育于中生界和古生界之中，其北东端始于澜沧下谷地附近，向南西方向经坡脚、热水塘、勐滨、孟连、勐马至勐阿后，延入缅甸境内，全长约150km。断裂走向北东45°—60°，倾向北西或南东，倾角较陡(图 2)。
图 2 孟连断裂展布及几何结构Figure 2. Spatial distribution and geometric structure of the Menglian fault1：第四系；2：上第三系；3：中生界；4：古生界；5：元古界；6：燕山期花岗岩；7：河流；8：全新世活动断裂；9：中更新世活动断裂；10：断层两盘相对运动方向2.1 地貌特征
地貌特征是地质构造格局的基本反映，是断裂活动、流水剥蚀和侵蚀作用的综合反映和结果。一般而言，活动断裂常表现出明显的线性地貌特征。孟连断裂具有平直的线性影像特征，断裂控制了沿线地形地貌的发育，表现为连续冲沟、河流、山脊同步左旋位错(图 3)。断层陡坎、线性山脊、断层槽地、断层垭口等极为醒目(图 4、5)。沿断裂发育有澜沧、勐滨、孟连、勐马和勐阿等第四纪断陷盆地，断裂对孟连和勐滨的盆地边缘控制作用十分明显。
2.2 断裂晚第四纪活动的地质证据
(1) 勐滨断层剖面
在勐滨东北侧一砖厂旁，见断裂出露于下石炭统薄层状长石石英砂岩中，破碎带宽度60—100m，断层错断了上覆的晚更新世地层(图 6)，断层产状为35°/SW∠70°，两盘地层发育强烈揉皱及片理化带。经对上覆坡残积粘性土取样进行光释光测年(OSL)，其结果为距今(49.86±4.24)ka，表明该处断裂在晚更新世中期有过活动。
(2) 那样村断层剖面
在勐滨盆地南、那样村西，见断层错断了上更新统的圆砾、砾砂、粉土粉砂及坡残积亚粘土层(图 7)，上覆坡残积粘性土的光释光测年(OSL)结果为距今(35.18±2.99)ka，表明该处断裂晚更新世活动强烈。沿断层带可见一些受断裂影响的小型崩塌及滑坡，断层三角面清晰。
图 7 勐滨盆地南那样村西断层剖面Figure 7. Geological section of the fault, west of Nanyang village in the Mengbin basin(3) 勐滨盆地南剖面
在勐滨盆地南的那样村东北，断裂出露于砂岩陡立带中，破碎带宽近150m，劈理带、揉皱带、摩擦镜面及断层泥发育，上覆的全新统产生强烈构造变形(图 8)。
图 8 勐滨盆地南那样村断层剖面Figure 8. Geological section of the fault, south of Nanyang village in Mengbin basin(4) 孟连县砖瓦厂剖面
在孟连县砖瓦厂附近可见断层出露，发育3个断面(图 9)，产状分别为60°/NW∠68°、74°/SE∠63°和55°/SE∠63°。断层断错砂质粘土和砂砾石层，其中1条断层断错全新世古土壤层，表明该处断裂全新世仍有活动。
图 9 孟连县砖瓦厂断层剖面Figure 9. Geological section of the fault, south of Menglian bricks and tiles plant2.3 断裂左旋走滑运动特征
在卫星影像上，孟连断裂线性特征非常清晰，断裂沿线可见山脊、冲沟同步左旋位错。在贺格新寨北东见两山脊同步左旋位错，位错量为100—200m(图 10)。
图 10 贺格新寨北东山脊同步左旋位错Figure 10. Synchronous left-lateral dislocation of the ridge, northeast of Hege new stockaded village在贺格老寨北东，见Ⅱ级阶地冲沟左旋位错(图 11)，水平位错量为50m。在冲沟下部1.5m左右采集到ESR样品，中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室测试的结果为(13±3.3)ka，此年龄为冲沟形成的年龄。依据冲沟形成年龄和位错量估算，全新世以来断裂的水平左旋滑动速率为3.8—5.1mm/a。此结果与姜葵(1993)根据东岗西南上新寨一带，沿Ⅱ级支流出现的洪积扇被左旋错断，得出的孟连断裂全新世的平均左旋走滑速率(4.19±0.46)mm/a大致相当。
图 11 贺格老寨北东冲沟左旋位错Figure 11. Synchronous left-lateral dislocation of the gullye, northeast of Hege old stockaded village2.4 历史地震影响
孟连断裂附近历史发生过12次4.7级以上地震，其中5.0—5.9级地震4次，6.0—6.9级地震3次，7级以上地震1次(1995年7月12日中缅边境7.3级地震)。该7.3级地震Ⅷ度破坏区北至双相—西地一带，其余部分在缅甸境内；Ⅶ度破坏区包括孟连、西盟2个县，面积达1580km2；Ⅵ度破坏区包括沧源、澜沧、勐海、打洛等，面积达10400km2(张洪由，1995)。
受区域构造的控制，中缅边境7.3级地震震中附近的断裂主要为北东走向，最为醒目的是孟连断裂，为全新世活动断裂。在此构造控制下，该地震极震区长轴为北东向，余震分布优势方向也为北东向。由此认为，此次地震的发震构造为孟连断裂。
3. 结论
(1) 孟连断裂为1条规模较大的区域性活动断裂，其活动性质以左旋走滑为主。断裂沿线线性影像较清晰，断层地貌清晰，主要表现为平直的断层槽地、断层垭口、断层陡坎以及线性山脊左旋地貌。
(2) 断裂最新活动断错了晚更新世堆积及全新世古土壤，表明孟连断裂的最新活动时代为全新世。
(3) 沿断裂考察发现，孟连断裂左旋断错了一系列小冲沟和洪积扇，其全新世的水平左旋滑动速率为3.8—5.1mm/a。
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图 3 不同类型加速度传感器加速度时程曲线
Figure 3. Acceleration time histories of different sensors in x and y directions
图 4 不同传感器x、y向加速度傅里叶谱
Figure 4. Fourier spectrum of acceleration measurement of different sensors in x and y directions
图 5 不同传感器x、y向加速度傅里叶谱幅值相对误差对比
Figure 5. Relative errors of peak Fourier spectrum amplitudes of different sensors
图 6 基于频域分解法的模态频率识别流程
Figure 6. Flowchart of the FDD-based modal frequency identification method
图 7 不同传感器监测数据时频能量云图
Figure 7. Time-frequency domain color map of the vibration energy of different sensor measurement
图 8 G1B型、MEMS-I型加速度传感器监测的结构地震响应时程曲线
Figure 8. Comparison of earthquake-induced structural responses measured by the G1B and MEMS-I accelerometers
图 9 G1B型、MEMS-I型加速度传感器监测的结构地震响应局部波形
Figure 9. Detailed comparison of earthquake-induced structural responses measured by the G1B and MEMS-I accelerometers
图 10 G1B型、MEMS-I型加速度传感器监测的结构地震响应频谱曲线
Figure 10. Comparison of Fourier spectrum of earthquake-induced structural responses measured by the G1B and MEMS-I accelerometers
表 1 传感器技术参数对比
Table 1. Comparison of parameters of different sensors
传感器类型 测量范围/g 频响范围/Hz 动态范围/dB 噪声均方根/(${\text{μ}}{{\rm{g}}}/\sqrt{\rm{H}\rm{z} }$) 功耗/W G1B ±3 0～100 >130 0.5 3 MEMS-I ±2.5 0～80 >90 10.0 <2 Palert-Plus ±2 0～100 >100 25.0 2 AC217 ±4 0～100 >104 25.0 <1 Palert-Advance ±2 0～100 >90 25.0 3 
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表 2 不同传感器
$x $ 、$y $ 向加速度时程的均方根Table 2. RMS of acceleration measurement of different sensors in
${\boldsymbol{x}} $ and${\boldsymbol{y}} $ directions方向 传感器类型 G1B型 MEMS-I型 Palert-Plus型 AC217型 Palert-Advance型 x 0.015 0.037 0.040 0.048 0.052 y 0.018 0.038 0.042 0.048 0.059
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表 3 G1B型加速度传感器实测自振频率识别结果与已有研究结果对比
Table 3. Comparison of modal frequency identification results between G1B accelerometer and references
阶数 G1B型加速度传感器
实测自振频率/Hz郭西锐等（2016）
自振频率/Hz与郭西锐等（2016）
研究的相对误差/%徐枫等（2014）
自振频率/Hz与徐枫等（2014）
研究的相对误差/%1 0.168 6 0.169 7 0.65 0.168 9 0.18 2 0.198 4 0.198 9 0.25 0.199 3 0.45 3 0.276 9 0.277 8 0.32 0.278 2 0.47 4 0.540 2 0.539 4 0.15 0.538 3 0.35 5 0.648 5 0.649 4 0.14 0.642 2 0.98 6 0.676 7 0.677 2 0.07 — — 7 0.841 5 0.844 7 0.38 0.839 3 0.26 8 1.169 0 1.179 0 0.85 1.168 0 0.09 9 1.498 0 1.498 0 0.00 — — 10 1.582 0 1.591 0 0.57 — — 11 1.834 0 1.844 0 0.54 1.852 0 0.97 12 1.929 0 1.943 0 0.72 1.942 0 0.67 13 1.965 0 1.972 0 0.35 1.962 0 0.15
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表 4 不同类型加速度传感器监测数据的模态频率识别结果对比
Table 4. Comparison of modal frequencies identified from the measurement of different sensors
阶数 G1B型加速度传感器监测数据的模态频率/Hz MEMS-I型加速度传感器监测数据的模态频率/Hz MEMS-I型与G1B型加速度传感器监测数据的模态频率相对误差/% Palert-Plus型加速度传感器监测数据的模态频率频率/Hz Palert-Plus型与G1B型加速度传感器监测数据的模态频率相对误差/% AC217型加速度传感器监测数据的模态频率频率/Hz AC217型与G1B型加速度传感器监测数据的模态频率相对误差/% Palert-Advance型加速度传感器监测数据的模态频率频率/Hz Palert-Advance型与G1B型加速度传感器监测数据的模态频率相对误差/
%1 0.168 4 0.168 3 0.059 0.168 0 0.238 0.169 1 0.416 0.169 9 0.891 2 0.198 5 0.198 5 0.000 0.198 3 0.101 0.198 6 0.050 0.199 8 0.655 3 0.277 4 0.277 3 0.036 0.277 6 0.072 0.277 1 0.108 0.279 5 0.757 4 0.540 7 0.540 8 0.018 0.539 8 0.166 0.541 1 0.074 — — 5 0.647 8 0.647 8 0.000 0.648 4 0.093 0.648 1 0.046 0.647 9 0.015 6 0.675 9 0.675 9 0.000 0.676 3 0.059 0.675 8 0.015 0.676 9 0.148 7 0.843 3 0.843 1 0.024 0.843 1 0.024 0.842 9 0.047 0.843 4 0.012 8 1.171 8 1.169 8 0.171 1.170 3 0.128 1.170 2 0.137 1.168 6 0.273 9 1.493 7 1.491 2 0.167 1.491 5 0.147 1.491 1 0.174 1.491 0 0.181 10 1.583 1 1.581 4 0.107 1.581 7 0.088 1.583 5 0.025 1.584 2 0.069 11 1.839 4 — — — — — — — — 12 1.933 0 1.933 0 0.000 1.932 5 0.026 1.933 0 0.000 1.931 3 0.088 13 1.964 6 1.964 4 0.010 1.963 2 0.071 1.964 0 0.031 1.962 7 0.097
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