鄭永通 全建軍 鄭建志 劉愫昀 王紹然

（福建省地震局龍巖地震監(jiān)測中心站，福建龍巖 364000）

0 引言

VP 寬頻帶傾斜儀是中國地震局地震研究所在VS 型垂直擺傾斜儀的基礎(chǔ)上研發(fā)的一款新型地傾斜觀測儀器，是記錄傾斜固體潮地形變的觀測設(shè)備[1]。該儀器采用擺的鉛垂原理：擺體由柔絲、擺桿和重塊三部分組成，擺在沒有振動的條件下處于鉛垂?fàn)顟B(tài)，當(dāng)由于振動發(fā)生傾斜變化時，擺平衡位置發(fā)生變化，擺和支架之間的相對位置發(fā)生變化，電容式位移傳感器的動片和定片之間的間距也相應(yīng)的發(fā)生變化，通過傳感器將這種變化轉(zhuǎn)換成電信號，從而達到固體潮觀測的目的。VP 寬頻帶傾斜儀通過計算機網(wǎng)絡(luò)登錄儀器運行界面對儀器實現(xiàn)遠程調(diào)零，大大減少了人員出入山洞調(diào)零對儀器帶來的影響。由于VP 寬頻帶傾斜儀長期運行，調(diào)零螺桿與底腳螺母間可能存在灰塵或出現(xiàn)有細小沙粒，使得調(diào)零螺桿與螺母間阻力增大，岀現(xiàn)卡死現(xiàn)象，使得電機無法帶動齒輪轉(zhuǎn)動，過載而燒壞；或因雷電引起的瞬間大電流造成儀器調(diào)零模塊芯片損壞；或觀測山洞潮濕度過大，出現(xiàn)調(diào)零電路失靈、傳感器故障、儀器輸出零漂甚至靠擺等常見故障現(xiàn)象。如何對這些故障原因進行準(zhǔn)確判斷并快速處理，使儀器很快恢復(fù)正常工作，是本文著重要討論的問題。

1 常見故障分析與處理

1.1 調(diào)零電路故障

觀測山洞內(nèi)VP 儀器室是一個相對溫濕度穩(wěn)定的封閉環(huán)境，當(dāng)觀測人員進洞室內(nèi)檢查儀器、調(diào)零、標(biāo)定儀器等都會在洞室內(nèi)來回走動、開關(guān)門等，破壞了洞室原有的封閉環(huán)境，造成氣流變化，負荷變化，這些都會對觀測儀器造成干擾[2]。VP 寬頻帶傾斜儀最大的特點是實現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)完成遠程調(diào)零，大大減少了因人員進洞對儀器帶來的影響。當(dāng)某一分量輸出偏移即將限幅或已達限幅時，需遠程登錄儀器界面通過調(diào)零功能對該分量進行調(diào)零，若啟動遠程調(diào)零對該分量發(fā)出指令后，對應(yīng)分量記錄數(shù)值保持不變，說明該分量調(diào)零出現(xiàn)故障。由于電機采用5 V 直流供電，當(dāng)電機驅(qū)動芯片或電源線存在故障或接觸不良時，可能導(dǎo)致調(diào)零電機不能正常工作[3]（圖1）。2018年4月27日3 時左右開始，臺站VP 寬頻帶傾斜儀的北南分量出現(xiàn)調(diào)零失靈故障。

圖1 2018年4月19日VP 寬頻帶傾斜儀調(diào)零故障Fig.1 Zeroing fault of VP broadband tiltmeter on April 19，2018

檢查排除故障步驟：首先，進入觀測室內(nèi)對儀器調(diào)零模塊檢查，儀器在超量程狀態(tài)下，短接接頭啟動調(diào)零操作，再用萬用表測量調(diào)零電路板上馬達兩端電壓。根據(jù)儀器調(diào)零原理，若測馬達兩端電壓值≥2 V，說明電路調(diào)零輸出正常，馬達前端電路部分亦正常；若電機不轉(zhuǎn)，表明電機可能已燒壞，更換新電機后，儀器可恢復(fù)正常。若馬達兩端電壓值＜2 V，說明輸出電壓過低無法啟動，問題可能是調(diào)零電路板上驅(qū)動芯片OP07CP 損壞或燒壞，需更換芯片器件或維修電路板。

1.2 雷擊引起芯片器件或數(shù)采電路故障

雷電最大的危害是導(dǎo)致電壓、電流瞬時的升高，進而引起儀器中的各種電子原件被擊穿[4]。為了防止儀器被雷擊，建議在儀器主機前端的供電線路安裝避雷裝置并良好接地，當(dāng)強雷電到來時，迅速切斷電源或快速泄流，從而保護儀器芯片免遭雷擊，防患于未然。

1.2.1 雷擊引起調(diào)零電路模塊芯片故障

強雷電往往會產(chǎn)生瞬間強電流，瞬間強電流一般都遠遠超過儀器的額定電流，從而導(dǎo)致儀器電源、數(shù)采或調(diào)零模塊芯片被擊壞。如：2021年8月3日，一場強雷電過后，長汀地震臺VP 寬頻帶傾斜儀主機顯示屏不亮，經(jīng)萬用表測量檢查，主機輸出電壓值為0，初步判斷儀器供電電源遭雷擊損壞，更換新電源后，主機恢復(fù)正常，但儀器北南分量出現(xiàn)限幅偏移，對VP 寬頻帶傾斜儀北南分量啟動調(diào)零，對應(yīng)分量記錄數(shù)值不變，通過遠程登錄儀器界面也無法調(diào)零。進入觀測室檢查發(fā)現(xiàn)電機一直在轉(zhuǎn)，原認為是調(diào)零螺桿與齒輪未充分接觸造成的，但充分接觸后，電機仍空轉(zhuǎn)不停。關(guān)閉主機電源，重新通電發(fā)現(xiàn)電機仍不停轉(zhuǎn)動，無法帶動齒輪，檢修更換芯片OP07CP，現(xiàn)象未變，最后更換芯片TL084CN 后，儀器恢復(fù)正常工作，說明雷擊使該芯片損壞（圖2）。

圖2 VP 寬頻帶傾斜儀調(diào)零板芯片故障Fig.2 Chip failure of VP broadband tiltmeter zero board

1.2.2 雷擊致使數(shù)采死機

VP 寬頻帶傾斜儀由主機數(shù)采與傳感器擺體組成。由于華東地區(qū)每年4—9月是雷雨季節(jié)頻發(fā)期，臺站附近一旦發(fā)生強雷電后，主機數(shù)采經(jīng)常出現(xiàn)死機現(xiàn)象，造成原始數(shù)據(jù)缺數(shù)。

因為雷擊時，強雷電流信號通過各類線路感應(yīng)或耦合直接影響數(shù)采，且當(dāng)雷電流超出數(shù)采工作允許承載力時，過壓放電造成數(shù)采電路板芯片損壞或自身判斷供電電壓過高導(dǎo)致數(shù)采死機處于不工作狀態(tài)。

解決方法：重啟數(shù)采，可恢復(fù)儀器正常。由于雷電經(jīng)常造成數(shù)采死機，需要及時發(fā)現(xiàn)死機故障，應(yīng)要求臺站值班人員遇雷雨天氣后，及時登錄儀器界面，查看儀器是否正常或出現(xiàn)死機。若無法登錄儀器界面，初步判斷數(shù)采可能死機，就需要重啟數(shù)采恢復(fù)儀器正常（圖3a）；否則，若未能及時發(fā)現(xiàn)數(shù)采死機，就可能造成較長時間原始數(shù)據(jù)缺數(shù)（圖3b）。

1.3 VP 儀器南北和東西兩分量曲線比較分析

VP 寬頻帶傾斜儀有兩個分量傳感器相互獨立，當(dāng)兩個分量同時故障時，應(yīng)首先排查公共端的電源和供電線纜以及接地線。檢查電源輸出端與調(diào)零盒電源輸入端電壓±12 V 是否正常，正負偏差是否過大，再用萬用表測量主機電源的四芯航空插頭輸出是否為±12 V（其中1 腳為正，4 腳為負，2 和3 腳接地）。如果無±12 V 輸出或正負偏差過大，說明主機輸出電源故障；如果±12 V 正常，則檢查山洞觀測室調(diào)零盒輸入端±12 V 是否正常，接地線是否漏電。

2020年3月25日23:47 分開始，長汀地震臺VP 寬頻帶傾斜儀的兩分量觀測數(shù)據(jù)曲線形態(tài)基本一致（圖4）。通過排除并重新焊接電纜線后，再檢查接地線連接是否良好，確認調(diào)零盒輸入±12 V 正常，最后VP 儀器恢復(fù)正常。

圖4 長汀地震臺2020年3月25—27日VP 寬頻帶傾斜儀數(shù)據(jù)曲線Fig.4 VP broadband tiltmeter curves of Changting seismic station from March 25 to 27，2020

1.4 數(shù)據(jù)曲線紊亂，無固體潮現(xiàn)象分析

2020年5月27日—6月1日長汀地震臺VP 儀器東西分量數(shù)據(jù)出現(xiàn)曲線紊亂，無固體潮形態(tài)。很大程度上說明VP 儀器的擺體部分出現(xiàn)了故障，導(dǎo)致無固體潮形態(tài)，數(shù)據(jù)曲線雜亂無章（圖5）。

圖5 2020年5月27日—6月1日長汀地震臺VP 寬頻帶傾斜儀東西分量曲線Fig.5 EW component curves of VP broadband tiltmeter at Changting seismic station from May 27 to June 1，2020

解決方法：更換鎢絲器件，數(shù)據(jù)曲線嚴重畸變可得到解決，但未能解決出現(xiàn)重復(fù)臺階現(xiàn)象；更換傳感器擺系部件后，儀器恢復(fù)正常。

1.5 調(diào)零電路板間互擾分析

VP 寬頻帶傾斜儀的北南、東西兩分量共用一個供電線路，當(dāng)一個分量電路調(diào)零出現(xiàn)故障時，很可能會影響到另一分量的記錄數(shù)據(jù)。

2020年4月27—29日，長汀地震臺VP 寬頻帶傾斜儀出現(xiàn)北南分量調(diào)零板故障，引起東西分量觀測數(shù)據(jù)受其影響，也出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常（圖6）。

因VP 寬頻帶傾斜儀北南、東西兩分量共用一個供電線路，當(dāng)北南分量調(diào)零出現(xiàn)故障導(dǎo)致東西分量調(diào)零盒不正常，而產(chǎn)生錯誤數(shù)據(jù)。在更換北南分量調(diào)零板后，兩個分量不再相互影響，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

1.6 VP 儀器出現(xiàn)靠擺現(xiàn)象分析

地震震級較大，震中距較遠，地震產(chǎn)生的面波周期與儀器自振周期接近時，共振效應(yīng)極容易造成垂直擺發(fā)生粘擺或靠擺現(xiàn)象，導(dǎo)致中止記錄[5]。VP 寬頻帶傾斜儀屬于一種高精度固體潮觀測設(shè)備，儀器量程只有2″，對應(yīng)動片前后擺動位移為2 μm 左右，其工作靈敏區(qū)間相當(dāng)窄小，當(dāng)傳感器動片超出該范圍后，儀器輸出就會超量程，儀器表現(xiàn)為不靈敏狀態(tài)，也就是儀器靠擺。圖7 為2017年12月21—22日長汀地震臺VP 寬頻帶傾斜儀北南分量因靠擺，數(shù)據(jù)曲線輸出直線。需要通過現(xiàn)場人工調(diào)零或遠程多次調(diào)零方式才能把儀器調(diào)節(jié)到線性靈敏工作區(qū)間，穩(wěn)定后就能夠清晰記錄固體潮數(shù)據(jù)曲線。

圖7 2017年12月21—22日VP 寬頻帶傾斜儀北南分量曲線圖Fig.7 NS component curves of VP broadband tiltmeter from December 21 to 22，2017

2 討論

通過對長汀地震臺VP 寬頻帶傾斜儀在運行中出現(xiàn)調(diào)零失靈、遭雷擊故障、數(shù)據(jù)曲線異常比較分析、調(diào)零電路板芯片損壞檢修以及儀器靠擺問題處置等分析判斷，進行檢修總結(jié)，認為：

（1）VP 寬頻帶傾斜儀的調(diào)零故障判斷和雷擊引起故障處理相對簡單些，而數(shù)據(jù)曲線異常、調(diào)零板故障檢修、儀器靠擺問題處置的分析判斷與處理較為復(fù)雜，需要在長期的臺站日常儀器觀測與運行中，不斷摸索思考，遇到問題要認真比較分析，善于總結(jié)積累運維檢修經(jīng)驗，才能根據(jù)記錄波形異常特征判斷儀器故障類型，從而有效解決儀器故障問題。

（2）提升臺站運維工作效率，確保儀器運行穩(wěn)定性，是提高臺站數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性、可靠性，更好的為地震預(yù)測預(yù)報服務(wù)的重要基礎(chǔ)。

（3）臺站其他儀器運維工作，同樣需要我們?nèi)ブ鲃咏佑|問題，分析問題，解決問題，才能提高臺站各類儀器運維效率，確保儀器運行穩(wěn)定性。

（4）建議所有接線改為拔插式公母插件，便于后期維護，也可避免因焊接不牢或虛焊而引起的數(shù)據(jù)畸變。