工程力學(xué)研究所儀器研制60年

楊學(xué)山

建所初期，劉所長以他獨(dú)特的思維方式和遠(yuǎn)見卓識，在工力所科研布局的棋盤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(shè)備研制隊伍，并在60年發(fā)展歷程的各個階段，始終有一批科技人員堅守著這塊陣地，他們獻(xiàn)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，他們結(jié)合國家需求和學(xué)科發(fā)展研制出大量的儀器設(shè)備，碩果累累。

1 創(chuàng)造出全國多個第一

建所60年，我所在強(qiáng)震儀、大型振動臺、工程振動測量儀器、超低頻振動計量、巖土工程實驗儀器、防災(zāi)減災(zāi)儀器等方面幾乎都是我國的先驅(qū)，創(chuàng)造出多個全國第一。

（1）我國第一臺電流計記錄式強(qiáng)震儀

根據(jù)我國在1956年制定的十二年科學(xué)規(guī)劃中，結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)震觀側(cè)及觀測儀器由中國科學(xué)院土木建筑研究所負(fù)責(zé)，為此1964年2月我所成立了地震儀組，開始了強(qiáng)震儀的研制工作，于1964年6月底前完成第一臺強(qiáng)震儀樣機(jī)的研制任務(wù)。在黃振平主持下，設(shè)計、加工、儀器調(diào)試、參數(shù)測試等工作進(jìn)如期完成，在6月30日完成了一套實驗樣機(jī)。后由我所儀器廠及中國科學(xué)院東北分院的507廠進(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(qiáng)震儀。儀器主要安裝在邢臺地區(qū)及西昌地區(qū)。7線強(qiáng)震儀主要解決了如下技術(shù)問題：（1）國際上首次在強(qiáng)震儀上采用了電流計記錄的技術(shù)方案。（2）該儀器首次實現(xiàn)了隨強(qiáng)震時間長短而工作的自動觸發(fā)控制系統(tǒng)。國外均采用40秒和90秒定時記錄。

1966年3月28日在國務(wù)院召開的3.28條件會儀上決定由地質(zhì)部北京地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)強(qiáng)震儀。以我所研制的7線強(qiáng)震儀為樣機(jī)，進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，型號為RDZ1-12-66型強(qiáng)震儀，該強(qiáng)震儀為速度擺加速度計拾振器配接線性電流計，電流計為16通道，其中記錄道為12道，2道為時標(biāo)信號，2道為零線，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)問題：(1)在記錄器上實現(xiàn)了拾振器與電流計記錄回路的遠(yuǎn)距離檢查裝置，(2)實現(xiàn)現(xiàn)場電流計記錄強(qiáng)震儀靈敏度的野外標(biāo)定法(輸入電流法)。1978年RDZ1-12-66型強(qiáng)震儀獲得全國科學(xué)大會獎。

（2）我國第一臺大型振動臺

按照劉所長在試驗室內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)破壞試驗的設(shè)想，1956年從鐵道部調(diào)撥二節(jié)火車皮來建造振動臺，后來改為一節(jié)火車皮。利用解放牌汽車發(fā)動機(jī)做動力源。振動頻率從1至40Hz，載重達(dá)20T，此為當(dāng)時國內(nèi)外最大的振動臺，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臺

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

（4）我國第一臺垂直水平兩用機(jī)械式起振機(jī)

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

（5）第一臺中頻振動標(biāo)準(zhǔn)

1964年立題研制標(biāo)準(zhǔn)振動臺。當(dāng)時中國計量科學(xué)研究院也在著手研制標(biāo)準(zhǔn)振動臺，因此，1965年由我所和計量院根據(jù)我國的“十二年科學(xué)發(fā)展規(guī)劃”簽訂了合作研制標(biāo)準(zhǔn)振動臺的協(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標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備研制組，繼續(xù)研制振動標(biāo)準(zhǔn)，1980年中頻振動標(biāo)準(zhǔn)裝置研制完畢。5月召開全國鑒定會，鑒定意認(rèn)為我所在國內(nèi)最先研制中頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺，并達(dá)到了國內(nèi)外先進(jìn)水平。1986年獲得中國地震局科技進(jìn)步二等獎。

（6）第一臺超低頻振動標(biāo)準(zhǔn)（發(fā)明專利）

經(jīng)過多年的艱苦工作，研究出了一套將低頻標(biāo)準(zhǔn)振動臺的使用頻率延伸至0.01Hz的技術(shù)，突破了低頻振動標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)難關(guān)。1988年獲中國發(fā)明專利，1988年10月由國家地震局主持召開了全國鑒定會，到會專家對該裝置作了高的評價。鑒定意見認(rèn)為“裝置在0.01—1Hz超低頻范圍內(nèi)在技術(shù)上和指標(biāo)方面有重要突破。”“裝置所采用的脈沖寬度調(diào)制式功率放大器具有極低的漂移和很高的穩(wěn)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(fù)合反饋所構(gòu)成的綜合振動反饋控制技術(shù)屬世界首創(chuàng)。”“超低頻振動標(biāo)準(zhǔn)裝置的主要技術(shù)指標(biāo)……，進(jìn)入當(dāng)前世界先進(jìn)行列，在0.5Hz以下屬世界領(lǐng)先水平。”工程振動測量儀器多個第一。

（7）1963年開始研制國內(nèi)第一臺壓電加速度儀

1964年，自行設(shè)計了SS-64水平拾振器，除工力所生產(chǎn)外，沈陽照相機(jī)廠生產(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(nèi)第一套完整的工程測振儀。

（8）1965年研制成功第一臺電感應(yīng)變儀。

（9）1965年研制成功靜態(tài)、動態(tài)應(yīng)變儀，其精度已達(dá)到1×10-7，這是我國的最高水平。

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

（11）1966年研制成國內(nèi)第一臺無源機(jī)電反饋原理101型拾振器，后來發(fā)展為廣泛應(yīng)用與工程振動的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(yīng)用。

（12）1970年，研制成國內(nèi)第一臺動圈伺服加速度拾振器。

（13）1981年研制成國內(nèi)第一臺雙擺動圈換能式轉(zhuǎn)動拾振器

1981年研制成功ZHJ-1型轉(zhuǎn)動拾振器，該傳感器主要用于地震動及各種結(jié)構(gòu)物的轉(zhuǎn)動分量參數(shù)的測量。

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

（14）國內(nèi)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月通過技術(shù)鑒定1984年12月經(jīng)過產(chǎn)品鑒定，鑒定會認(rèn)為：達(dá)到了國內(nèi)目前大地脈動和工程微振加速度測量儀器的先進(jìn)水平，填補(bǔ)了國內(nèi)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(nèi)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年通過鑒定，鑒定意見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(wěn)定性好，靈敏度高、頻帶可低至零頻的特點，達(dá)到了國際了同類產(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(qiáng)震觀測和地震模擬實驗的主要產(chǎn)品。

（16）1987年研制成功第一臺數(shù)字磁帶強(qiáng)震儀

該系統(tǒng)包括WLJ-1型微功耗力平衡加速度計和SCQ-1型數(shù)字記錄器、回放儀，一九八七年八月在北京召開了SCQ-1型數(shù)字磁帶強(qiáng)震加速度記錄系統(tǒng)的鑒定會。鑒定意見為系統(tǒng)配套性強(qiáng)，某些指標(biāo)優(yōu)于國外同類產(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(qiáng)加速度計，主要用于近場核爆破振動測量。

（18）1989年研制成功國內(nèi)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(jié)構(gòu)的傾角曲線、撓度曲線。以便研究橋梁結(jié)構(gòu)各斷面的受力情況、安全性及抗震性能。

（19）1990年第一臺無源伺服式往復(fù)擺多功能測振儀（專利）

1990年研制成功891系列測振儀；1990年通過部級鑒定，鑒定會認(rèn)為為：“國內(nèi)外尚無同類產(chǎn)品，屬于首創(chuàng)”。1991年獲得國家專利權(quán)。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(見新產(chǎn)品證書)，1992年獲得中國專利新技術(shù)新產(chǎn)品博覽會銀獎，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(shè)計、軍工等領(lǐng)域中微小、中等和強(qiáng)烈的工程振動測量，根據(jù)此原理，研制成功941B、991B和991C型超低頻測振儀，廣泛用于工程振動測量中。

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

1992年將有源伺服技術(shù)應(yīng)用于小體積的直線擺上，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(yù)報等超低頻特大位移的振動測量；該儀器獲得專利， 并獲得專利博覽會銀獎。

（21）1996年研制成國內(nèi)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，同年通過鑒定，鑒定意見為該儀器是由工程力學(xué)研究所承擔(dān)國家地震局8.5重點科技項目之一，國內(nèi)首次采用力平衡原理研制機(jī)電一體化三分向加速度計，儀器設(shè)計技術(shù)線路先進(jìn)，具有高精度，大動態(tài)范圍，主要技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于國際地震界通用產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)，總體達(dá)到同類產(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(qū)的技術(shù)合作項目，并出口上述國家。

（22）2000年研制成國內(nèi)第一臺閉環(huán)極點補(bǔ)償式拾振器（專利）

2000年研制成功2000型閉環(huán)極點補(bǔ)償式拾振器，在小體積的地震檢波器上實現(xiàn)了低頻和中頻特性的擴(kuò)展，為汽輪機(jī)等大型機(jī)械的故障診斷提供了新手段，已獲得國家專利。

（23）2004年研制成國內(nèi)第一臺加加速度計（專利）

2004年研制成國內(nèi)第一臺加加速度計，已形成系列，獲得國家專利，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(qiáng)余震獲得了世界上首條地震地面運(yùn)動和結(jié)構(gòu)反應(yīng)的加加速度記錄，在中國神華寧煤集團(tuán)大峰露天煤礦爆破中獲得國內(nèi)第一條加加速度的爆破記錄。

（24）2008年研制成功國內(nèi)第一套城市燃?xì)夤芫W(wǎng)地震安全監(jiān)控和緊急處置系統(tǒng)（發(fā)明專利）

2003年至今已研制成功系列化全機(jī)械式地震煤氣自動關(guān)閉閥門，它不需要任何電源即可在地震發(fā)生時按照設(shè)定的地震烈度值自動關(guān)閉閥門，切斷燃?xì)獾牧鲃樱乐勾紊鸀?zāi)害的發(fā)生。除此之外，還研制成相應(yīng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)地震自動安全控制的演示系統(tǒng)及其相關(guān)的標(biāo)定設(shè)備，該項目獲得2項發(fā)明專利，多項實用新型專利。在唐山安裝了我國第一套城市燃?xì)夤芫W(wǎng)地震安全監(jiān)控和緊急處置系統(tǒng)，并已安全運(yùn)行了近三年時間。在中國唐山地震博物館安裝了城市燃?xì)夤芫W(wǎng)地震自動安全控制的演示系統(tǒng)，為參觀者提供了科普教育。2012年12月23日，中國地震局在北京召開了科技創(chuàng)新暨成果交流推廣工作會議。會上評選出了中國地震局“十一五”以來最具應(yīng)用實效的10項科技成果。 “城市燃?xì)夤芫W(wǎng)地震安全監(jiān)控和緊急處置系統(tǒng)”從177項候選成果中脫穎而出成功入選。

（25）2008年國內(nèi)第一套城市燃?xì)夤芫W(wǎng)地震安全監(jiān)控的演示系統(tǒng)（發(fā)明專利）

另外巖土力學(xué)試驗、結(jié)構(gòu)試驗等方面也創(chuàng)造出多個第一，請有關(guān)人員補(bǔ)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(diào)整后，成立了現(xiàn)在的振動儀器研究室。主要研究方向：強(qiáng)震儀，工程振動測量儀器，大型振動試驗設(shè)備，質(zhì)量檢測儀器，振動計量儀器，實驗方法研究。

1979—1989是振動儀器室艱難的十年，計劃經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)化為市場經(jīng)濟(jì)，習(xí)慣了吃皇糧的科技人員顯然很不適應(yīng)，我所的主攻學(xué)科受到了沖擊，振動儀器室瀕臨滅亡，當(dāng)時的所領(lǐng)導(dǎo)提出了讓儀器室自消自滅的觀點，振動儀器室的科技人員也紛紛下海經(jīng)商，1989年振動儀器室到了低谷。當(dāng)時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(jì)建設(shè)的發(fā)展不斷完善已有產(chǎn)品，強(qiáng)調(diào)研發(fā)制新型產(chǎn)品，以創(chuàng)新闖市場，以市場求生存和發(fā)展，逐步形成一個集人才、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(jī)遇、生存與發(fā)展面前，振動儀器室奮力走出了一條適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)運(yùn)行機(jī)制的新路，給本室?guī)砹松鷻C(jī)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(fèi)投入新產(chǎn)品的開發(fā)和購置儀器設(shè)施(微機(jī)、儀器、書架、桌椅等)，取得了一批批豐碩成果，研制的產(chǎn)品受到了社會的承認(rèn)，引起了各級領(lǐng)導(dǎo)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)，在如下幾個領(lǐng)域的儀器研發(fā)取得較大進(jìn)步。

（1） 強(qiáng)震儀

本所開創(chuàng)了我國強(qiáng)震儀的研制，經(jīng)幾代人的不斷努力，現(xiàn)已形成7個品牌。如表1所示。

表1

新近研制成功并轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的固態(tài)存儲強(qiáng)震儀，屬國際先進(jìn)水平，在國家重點項目中得到廣泛應(yīng)用，并于2001年10月由國家主席江澤民將此強(qiáng)震儀贈送給智利總統(tǒng)拉戈斯六臺，用于智利強(qiáng)震觀測。我所成為我國強(qiáng)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）大型地震模擬振動臺

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

（3）工程振動測量儀器

已研制成功30余種各類工程振動測量儀器。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型極點補(bǔ)償式拾振器， QY-1型傾角儀，系列化數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)， 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測量儀器已在國內(nèi)占領(lǐng)了一定市場，且出口國外。在低頻和超低頻工程振動測量儀器研制方面，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，專利10余項，國家級新產(chǎn)品1項。利用各種原理研制的振動傳感器如表2所示。

表2 利用各種原理研制的振動傳感器

（4）振動計量設(shè)備

振動計量是測振儀器質(zhì)量的保證系統(tǒng)。已研制成功的中頻標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，超低頻標(biāo)準(zhǔn)裝置，小型超低頻二次標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，均居國內(nèi)外先進(jìn)水平。我所成為國家授權(quán)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臺，其中一套是行程為500mm的雙磁路超低頻振動臺，并獲得國家專利。

（5）防災(zāi)減災(zāi)儀器

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

開展了燃?xì)夤艿赖卣鸢踩刂蒲芯浚兄瞥晒θN地震自動關(guān)閉煤氣閥門，燃?xì)夤艿赖卣鸢踩刂频难菔鞠到y(tǒng)等，已獲得發(fā)明專利2項，實用新型專利多項。已在唐山兩個小區(qū)安裝并安全運(yùn)行了近三年。該成果入選中國地震局“十一五”以來最具應(yīng)用實效的10項科技成果。2012年，該項工作的后續(xù)研究列入國家863計劃。

此外還研制成功鋼筋掃描儀（專利）、裂縫計（專利）等。

現(xiàn)諸多產(chǎn)品已進(jìn)入市場，正服務(wù)于地震地質(zhì)，鐵路交通，勘察設(shè)計，各類建筑，水電核電，國防軍工，大專院校，科研院所等部門。

3 碩果累累

經(jīng)過60年的風(fēng)雨，經(jīng)過幾代儀器研制人員的不斷進(jìn)取，取得了豐碩成果，獲得25項國家專利（如表3所示），獲得全國科學(xué)大會獎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了科技創(chuàng)新暨成果交流推廣工作會議。會上評選出了中國地震局“十一五”以來最具應(yīng)用實效的10項科技成果。我所的 “城市燃?xì)夤芫W(wǎng)地震安全監(jiān)控和緊急處置系統(tǒng)”從177項候選成果中脫穎而出成功入選。后續(xù)研究工作已經(jīng)列入國家863計劃，這也是我所建所以來的第一個863計劃項目。

出版專著3部，如表5所示。發(fā)表近百篇有價值的論文。

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

表3 獲得的專利

表4 獲得的國家獎勵

表5 出版的專著

4.結(jié)語

建所60年，振動儀器研究室也已成立了35年。幾代人獻(xiàn)身于一共同目標(biāo)——儀器研制，老一輩的奮斗精神，將永遠(yuǎn)鼓舞和激勵著后人，一代年輕人正沿著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(jié)一下，但要寫全真有點困難，比如土動力學(xué)實驗儀器、巖石力學(xué)的實驗儀器、結(jié)構(gòu)實驗儀器等還有待其他同志補(bǔ)充，文中的用詞可能有不當(dāng)之處請諒解。

作者系工力所研究員，曾任測量儀器室主任