沈魏乾，李惠玲，高龍飛，李 晨，秦學理

(1.山西省地震局忻州地震監(jiān)測中心站，山西 代縣 034200；2.山西省地震局，山西 太原 030021；3.山西省地震局大同地震監(jiān)測中心站，山西 大同 037008；4.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

VP型垂直擺傾斜儀(以下簡稱VP傾斜儀)是用于監(jiān)測地傾斜固體潮與地震前兆信息的地形變觀測設(shè)備，該儀器是近年來由中國地震局地震研究所，在VS擺式傾斜儀基礎(chǔ)上研發(fā)的一種新型垂直擺傾斜儀[1]。相比傳統(tǒng)的擺式傾斜儀，VP傾斜儀在映震能力、觀測精度、靈敏度及抗干擾能力方面具有顯著優(yōu)勢。

忻州地震監(jiān)則中心站(以下簡稱忻州站)于2012年初安裝VP傾斜儀，2013年1月1日正式入網(wǎng)。儀器安裝初期存在機械漂移現(xiàn)象，運行一段時間后，漂移現(xiàn)象逐漸減弱，此后運行穩(wěn)定，干擾較小?，F(xiàn)對忻州站VP傾斜儀日常運行中出現(xiàn)的典型故障進行分析，提出運維改進措施，為臺站儀器維護人員進行故障處理提供借鑒，為產(chǎn)出完整率高、可靠性強的地形變觀測數(shù)據(jù)服務(wù)。

1 臺址及測點概況

1.1 臺站地理位置及地質(zhì)條件

忻州站隸屬山西省地震局，位于山西省代縣峪口鄉(xiāng)峪里村，地處五臺山區(qū)邊緣隆起區(qū)，滹沱河支流峪口河北岸二級階地上，東鄰忻定盆地南緣的五臺山北麓斷裂，西北距代縣縣城9 km，北部以恒山斷塊與大同盆地相隔，南部以石嶺關(guān)橫向隆起與太原盆地分開，自北向南由代縣、原平、定襄3個凹陷組成，歷史上曾發(fā)生過3次7級以上地震。

1.2 垂直擺測點

垂直擺測點位于忻州站的代縣山洞內(nèi)，山洞覆蓋層厚度大于40 m。洞內(nèi)安裝水管傾斜儀、伸縮儀、BSQ傾斜儀及VP傾斜儀等多套形變儀器。其中，垂直擺傾斜儀安裝在山洞盡頭的觀測室內(nèi)，距離洞口約32 m，有3道船艙門密封(未澆筑水泥)。觀測基墩建在基巖之上，長2 m，寬1.2 m(見圖1)。

圖1 代縣地震臺山洞測點分布圖Fig.1 Distribution map of mountain cave survey points of Daixian Seismic Station

2 儀器結(jié)構(gòu)及工作原理

VP傾斜儀由垂直擺擺體、主機和數(shù)據(jù)采集器三部分組成[2]。其中，圖2a為VP傾斜儀實物圖，圖2b為垂直擺擺體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2c為擺系示意圖。

圖2 VP垂直擺傾斜儀結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of VP vertical pendulum tiltmeter

工作原理為：擺體內(nèi)動片在未受外力作用時處于鉛錘狀態(tài)，當?shù)孛嬖诔毕?、地震、振動等作用下發(fā)生傾斜變化時，動片與定片之間相對位置發(fā)生改變[3]，相對偏移量轉(zhuǎn)換成電信號輸出，經(jīng)過放大、整形、濾波等電路進行信號調(diào)理，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器[4](見圖3)。其計算公式為：

圖3 VP垂直擺傾斜儀工作原理示意圖Fig.3 Working principle diagram of VP vertical pendulum tiltmeter

式中：l為擺長(單位：m)；ψ為地傾斜角 (單位：″)；δ為擺的相對位移。

3 VP垂直擺傾斜儀常見故障及解決方法

3.1 擺系信號引絲受潮

信號引絲結(jié)構(gòu)如圖4所示，動片與前置放大器由直徑為0.001 mm 的鎢絲進行連接[5]。若山洞長期處于潮濕狀態(tài)，潮氣進入擺體內(nèi)部，擺系信號引絲受潮引起數(shù)據(jù)曲線固體潮畸變。

圖4 擺系信號引絲示意圖Fig.4 Schematic diagram of swing system signal lead wire

以忻州站代縣地震臺VP傾斜儀為例，2020年9月1日至2日NS分量未記錄到雙峰雙谷型固體潮形態(tài)，曲線持續(xù)向南漂移，并伴有小幅突跳、畸變；EW分量固體潮形態(tài)正常(見第41頁圖5)。維護人員通過排查，發(fā)現(xiàn)供電線路、傳感器連接處均正常，使用示波器檢測振蕩信號正弦波峰值在0.5 V附近，低于正常峰值(1.2 V)，初判為擺體故障。開擺后發(fā)現(xiàn)擺體內(nèi)及信號引絲上存在細水珠，清除水珠并做防潮處理，后續(xù)的標定及調(diào)零顯示，NS分量固體潮曲線恢復正常(見第41頁圖6)。

圖5 2020年9月1日至2日VP傾斜儀固體潮曲線圖Fig.5 VP vertical pendulum solid tide diagram of curves from September 1 to 2,2020

3.2 放大盒故障

放大板的作用是將擺體內(nèi)部動片和定片之間產(chǎn)生的微弱位移量電信號進行調(diào)理。放大板發(fā)生故障時，會造成前置放大電路無信號輸出或輸出錯誤信號，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)曲線無固體潮或出現(xiàn)無規(guī)律突跳、畸變、臺階等。圖6為忻州站VP傾斜儀NS分量放大板元器件受潮，觀測曲線無固體潮，多次產(chǎn)生較大幅度的臺階，同震響應(yīng)模糊。維護人員在確認放大盒故障后，通過更換放大盒內(nèi)部元件，曲線形態(tài)恢復正常，能記錄到清晰的同震響應(yīng)(見第41頁圖7、圖8)。

圖6 2020年9月11日-14日VP傾斜儀固體潮曲線圖Fig.6 VP vertical pendulum solid tide diagram of curves from September 11 to 14,2020

圖7 2021年2月9日-21日VP傾斜儀固體潮曲線圖Fig.7 VP vertical pendulum solid tide diagram of curves from February 9 to 21,2021

圖8 2021年3月3日至4日VP傾斜儀固體潮曲線圖Fig.8 VP vertical pendulum solid tide diagram of curves from March 3 to 4,2021

3.3 儀器調(diào)零故障

根據(jù)傾斜應(yīng)變臺網(wǎng)觀測與運行工作細則要求，垂直擺擺體通過放大盒輸出電壓不得超過量程的90%，對于±2 V的量程，當電壓讀數(shù)超過±1 800 mV時，需通過步進電機進行調(diào)零。若通過軟件操作無法完成調(diào)零，可能是齒輪卡死或脫開，也可能是步進電機損壞或供電故障。具體解決措施如下。

(1) 齒輪卡死或脫開時，通過調(diào)節(jié)電機上的螺絲及齒輪位置進行修復(見圖9)。具體操作步驟為：網(wǎng)頁上點擊“自動調(diào)零”，進山洞觀察軸①(以下數(shù)字均代表圖9中的配件)馬達是否轉(zhuǎn)動，若轉(zhuǎn)動，檢查軸①是否帶動齒輪②轉(zhuǎn)動，若齒輪②不轉(zhuǎn)動，檢查③處螺絲是否松動；以上均正常時，檢查齒輪②是否帶動齒輪④轉(zhuǎn)動，無轉(zhuǎn)動則判定齒輪②和齒輪④間距變大而脫開；松動固定馬達的3個螺絲，使齒輪②和④間距變小即可；若正常轉(zhuǎn)動，檢查齒輪④是否帶動軸⑤轉(zhuǎn)動，若不轉(zhuǎn)動，擰緊固定齒輪④的螺絲即可；若正常轉(zhuǎn)動，檢查軸⑤是否帶動齒輪⑥轉(zhuǎn)動，即查看軸⑤和齒輪⑥是否嚙合，若未嚙合，軸⑤轉(zhuǎn)動而齒輪⑥不轉(zhuǎn)動，需松開⑦，把⑧往下方靠，使得軸⑤和齒輪⑥靠近，擰緊⑦；若軸⑤無轉(zhuǎn)動，可能是軸⑤和齒輪⑥卡得太緊，需松開⑦，將軸⑤和齒輪⑥分開即可。

圖9 調(diào)零電機圖Fig.9 Diagram of zero-adjustment motor

(2) 步進電機損壞時，使用萬用表測量電機阻值，在30 Ω左右則正常，遠高于30 Ω則為內(nèi)部斷路，遠低于30 Ω則是內(nèi)部短路，需對內(nèi)部線路進行修復或更換新的調(diào)零電機[4]。

(3) 步進電機供電故障表現(xiàn)為供電線路斷路或供電芯片損壞時，造成電機無法正常工作，需對供電線路進行檢查判斷有無斷路、虛焊等問題，并測量供電芯片是否為5 V直流，再根據(jù)具體的故障情況，選擇電路修復或更換供電芯片。

3.4 信號引絲或懸絲斷裂

信號引絲或懸絲受大震或外部作用力影響時，可能發(fā)生斷裂，故障表現(xiàn)為擺體無輸出信號，數(shù)據(jù)曲線為直線，解決辦法為更換信號引絲或懸絲。

3.5 外界強電干擾

儀器受外界強電干擾或出現(xiàn)靜電時，觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)毛刺，將儀器外殼接地即可解決。

4 結(jié)語

通過對VP傾斜儀典型故障進行梳理和總結(jié)，針對典型故障提出相應(yīng)的解決措施，確保儀器的正常運行。上述的儀器維護經(jīng)驗在提高觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率、完整率和內(nèi)在質(zhì)量方面有一定的作用，同時也可為其他臺站解決類似故障問題提供參考。