山西測(cè)震臺(tái)網(wǎng)地震計(jì)工作狀態(tài)檢測(cè)及故障原因分析

劉林飛,宮卓宏,梁向軍,殷偉偉,高云峰

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地震觀測(cè)儀器的運(yùn)行狀態(tài)直接影響產(chǎn)出數(shù)據(jù)的連續(xù)性與可靠性。山西數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)已運(yùn)行多年，臺(tái)站觀測(cè)設(shè)備老化，儀器故障逐年增多，要求提高維護(hù)人員對(duì)儀器設(shè)備故障的早期判斷力，以便及時(shí)排除故障，減少觀測(cè)儀器的斷記率，保證儀器設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

在地震觀測(cè)系統(tǒng)中，地震計(jì)是檢測(cè)地震信號(hào)的關(guān)鍵設(shè)備,其工作性能、狀態(tài)直接影響地震觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。地震計(jì)作為機(jī)電一體化的高精密儀器，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作及受工作環(huán)境等外界因素的影響，設(shè)備內(nèi)部的機(jī)械部分易出現(xiàn)彈簧變形、電子元器件老化和線圈的靈敏度改變，對(duì)地震計(jì)工作周期和阻尼等各項(xiàng)性能參數(shù)造成不同程度的變化，影響其性能。在儀器日常維護(hù)中，必須定期對(duì)地震計(jì)進(jìn)行脈沖標(biāo)定檢測(cè),將標(biāo)定結(jié)果與出廠標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)作對(duì)比分析，檢查地震計(jì)的工作穩(wěn)定性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)，做好測(cè)震臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)保障工作，為地球物理學(xué)研究和地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)提供可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

1 地震計(jì)工作周期和阻尼的測(cè)定原理(1)北京港震機(jī)電技術(shù)有限公司．?dāng)?shù)字地震儀參數(shù)測(cè)定軟件使用說(shuō)明書(shū)，2008．

1.1 地震計(jì)阻尼常數(shù)的測(cè)定[1-2]

地震計(jì)阻尼常數(shù)的測(cè)量方法是應(yīng)用地震計(jì)的階躍響應(yīng)記錄脈沖標(biāo)定波形，通過(guò)測(cè)量脈沖標(biāo)定波形的幅度來(lái)計(jì)算地震計(jì)阻尼。由擺的自由衰減過(guò)程可以知道，擺自由衰減振動(dòng)的幅度y和系統(tǒng)阻尼D的關(guān)系，可以用半個(gè)周期(即T1/2時(shí)間)中2個(gè)相鄰的振幅比v來(lái)表示：

(1)

式中：yk為自由衰減振動(dòng)第k個(gè)峰值幅度;yk+1是第k+1個(gè)峰值幅度。為便于計(jì)算，做如下的變換：

(2)

從(2)式得出：

(3)

用以10為底的對(duì)數(shù)計(jì)算，引入

λ10=lgv=λlge，

(4)

得出地震計(jì)系統(tǒng)的阻尼為：

(5)

從第39頁(yè)圖1中脈沖標(biāo)定波形看出，隨著阻尼的變大，y2值在變小。在數(shù)字地震波形記錄上，可以較準(zhǔn)確地測(cè)量y1和y2的值，并計(jì)算出阻尼值DS。

1.2 地震計(jì)周期的測(cè)定原理[1-2]

地震計(jì)周期分為工作周期和固有周期(自振周期)，工作周期的測(cè)定可以采取直接測(cè)量T1/2的周期(見(jiàn)圖1)。從擺的運(yùn)動(dòng)方程可以知道衰減振動(dòng)的阻尼Ds<1，衰減運(yùn)動(dòng)的周期是：

(6)

圖1 脈沖標(biāo)定響應(yīng)曲線圖Fig.1 Pulse calibration response curve

(7)

式中：TS=2π/ω為擺的固有周期。從式(6)可以看出，有阻尼衰減運(yùn)動(dòng)的周期T1要比擺的固有周期(自振周期)大，即在0TS。只有當(dāng)DS=0時(shí)，擺的自由振動(dòng)是無(wú)衰減的，即T1=TS。所以，可通過(guò)測(cè)量有阻尼衰減運(yùn)動(dòng)的周期，用上述公式計(jì)算出擺的固有周期TS。

1.3 地震計(jì)周期和阻尼變化率的計(jì)算

(8)

(9)

2 地震計(jì)工作周期和阻尼的年度變化分析研究

2.1 臺(tái)站標(biāo)定資料選取

山西數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)由32個(gè)臺(tái)站組成，其中,28個(gè)臺(tái)站采用寬頻帶地震計(jì)，4個(gè)臺(tái)站采用甚寬頻帶地震計(jì)，配套使用24位CMG-DM24、EDAS-24GN和EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器。選取時(shí)間范圍從2016年1月至2018年11月的脈沖標(biāo)定波形數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納分析，32個(gè)觀測(cè)臺(tái)站場(chǎng)地臺(tái)基類型、地震計(jì)和數(shù)采配置等情況如表1所示。

2.2 脈沖標(biāo)定方法計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

測(cè)震臺(tái)站脈沖標(biāo)定采用地震計(jì)和數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常的方法是由數(shù)據(jù)采集器產(chǎn)生標(biāo)定電流信號(hào)，輸入到地震計(jì)的標(biāo)定線圈產(chǎn)生模擬地面運(yùn)動(dòng)的信號(hào)，對(duì)記錄到的信號(hào)通過(guò)傳遞函數(shù)求解得到地震計(jì)的周期和阻尼。通常采用地震計(jì)儀器廠家配套的標(biāo)定軟件對(duì)表1各臺(tái)站進(jìn)行脈沖標(biāo)定，使用國(guó)內(nèi)常用的EDSP-IAS或MSDP波形處理軟件檢查波形是否符合規(guī)范，再通過(guò)北京港震公司標(biāo)定軟件EDSP-CAL對(duì)截取的脈沖標(biāo)定波形數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)分析標(biāo)定結(jié)果，結(jié)合實(shí)際維護(hù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)各臺(tái)站地震計(jì)的周期和阻尼值變化情況做細(xì)致研究。

表1 測(cè)震臺(tái)站基本情況表Table 1 Basic information of seismic stations

為分析各臺(tái)站地震計(jì)近幾年的整體工作運(yùn)行狀況，研究各臺(tái)站從2016年1月至2018年11月地震計(jì)的周期和阻尼年變化情況。選取安澤、代縣、靈丘、太谷4個(gè)臺(tái)站，對(duì)三年的脈沖標(biāo)定波形進(jìn)行計(jì)算，并繪制變化圖(見(jiàn)第40頁(yè)圖2、圖3)。從圖中看出，周期和阻尼變化不大，周期穩(wěn)定在60 s，阻尼穩(wěn)定在0.707附近，符合儀器生產(chǎn)廠家的設(shè)定參數(shù)，表明地震計(jì)儀器運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。

下面主要針對(duì)部分臺(tái)站地震計(jì)存在的異常狀態(tài)，選取具有代表性的故障進(jìn)行舉例，分析說(shuō)明(見(jiàn)第40頁(yè)圖4～第41頁(yè)圖9)。

襄垣臺(tái)屬于地表型基巖觀測(cè)場(chǎng)地，日溫差變化大，從圖4和圖5看出，襄垣臺(tái)BBVS-60寬頻帶地震計(jì)在此時(shí)間段的運(yùn)行狀態(tài)，地震計(jì)NS向周期值和阻尼值從2016年1月開(kāi)始出現(xiàn)波動(dòng)較大的現(xiàn)象，11月標(biāo)定時(shí)地震計(jì)NS向數(shù)值異常，周期明顯偏大，變化率最大達(dá)到13.48%；阻尼明顯偏小，變化率最大達(dá)到19.60%。同時(shí)，UD向周期也明顯偏小。NS向和UD向均超出規(guī)范要求，維護(hù)人員多次對(duì)地震計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)斷電、重新加電、調(diào)零、鎖擺、開(kāi)擺、更換數(shù)采等操作后仍不能解決問(wèn)題。于12月更換地震計(jì)，目前地震計(jì)工作狀態(tài)穩(wěn)定。通過(guò)與廠家維修人員聯(lián)系，得知地震計(jì)故障由內(nèi)部調(diào)零馬達(dá)損壞及簧片老化等因素造成。

圖2 周期年變化曲線圖 圖3 阻尼年變化曲線圖Fig.2 Cycle annual change rateFig.3 Annual change rate of chart of Xiangyuan stationdamping at Xiangyuan station

圖4 襄垣臺(tái)周期年變化率圖Fig.4 Cycle annual change rate chart of Xiangyuan station

圖5 襄垣臺(tái)阻尼年變化率圖Fig.5 Annual change rate chart of Xiangyuan station damping

長(zhǎng)治臺(tái)為地表型基巖觀測(cè)場(chǎng)地，觀測(cè)儀器配置BBVS-60寬頻帶地震計(jì)，受溫度變化影響較大。地震計(jì)工作周期和阻尼年變化如圖6、圖7所示，在2016年1月開(kāi)始出現(xiàn)三個(gè)分向標(biāo)定周期偏大，變化率最大達(dá)到3.6%，周期和阻尼變化在正常范圍之內(nèi)。在2017年1至2月脈沖標(biāo)定時(shí)，三個(gè)分向阻尼變化率最大達(dá)到6.65%，周期雖處在正常變化范圍，分析認(rèn)為儀器處于隱形帶病工作的不穩(wěn)定狀態(tài)。3月后脈沖標(biāo)定結(jié)果正常，表明儀器暫時(shí)工作正常，但處于非穩(wěn)定狀態(tài)，因備件庫(kù)無(wú)同型號(hào)的地震計(jì)，所以繼續(xù)使用。當(dāng)備件庫(kù)有該型號(hào)的地震計(jì)后，在2018年5月進(jìn)行更換，脈沖標(biāo)定計(jì)算結(jié)果顯示周期和阻尼變化明顯變小，地震計(jì)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。目前拆卸的地震計(jì)已寄回華北片區(qū)維修中心。

圖6 長(zhǎng)治臺(tái)周期年變化率圖Fig.6 Periodic annual change rate chart of Changzhi station

圖7 長(zhǎng)治臺(tái)阻尼年變化率圖Fig.7 Annual change rate of damping at Changzhi station

霍州臺(tái)地震觀測(cè)儀器配置CMG-3ESPC-60寬頻帶地震計(jì)，分別繪制周期和阻尼年變化圖，從圖8、圖9看出，在2016年9月，地震計(jì)三個(gè)分向同步出現(xiàn)標(biāo)定周期明顯偏小，變化率最大達(dá)到15.02%；阻尼明顯偏小，變化率最大達(dá)到40.30%，超出了規(guī)范要求。維護(hù)人員多次嘗試對(duì)地震計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)斷電、重新加電、調(diào)零、鎖擺、開(kāi)擺、更換新數(shù)采和通信單元等操作后，仍不能解決上述問(wèn)題。有了備件后，在2017年4月更換地震計(jì)，目前地震計(jì)工作狀態(tài)穩(wěn)定。綜合分析認(rèn)為，臺(tái)站周期和阻尼單方向漂移的原因可能為地震計(jì)使用時(shí)間較長(zhǎng)，內(nèi)部關(guān)鍵電子元器件老化。在2017年5月寄回華北片區(qū)維修中心，從英國(guó)儀器廠家反饋的維修記錄來(lái)看故障原因基本一致。

圖8 霍州臺(tái)周期年變化率圖Fig.8 Cycle annual change rate chart of Huozhou station

圖9 霍州臺(tái)阻尼年變化率圖Fig.9 Annual change rate chart of Huozhou station damping

2.3 引起周期和阻尼變化的原因分析

山西數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的大部分臺(tái)站建在山區(qū)且為地表型，觀測(cè)室日溫差變化較大，少數(shù)臺(tái)站濕度較大。為解決地震計(jì)的保溫和隔潮，定制了一批密封保溫桶安裝在臺(tái)站，在一定程度上緩解了外界環(huán)境變化對(duì)儀器的影響，但仍有部分臺(tái)站的地震計(jì)工作周期和阻尼出現(xiàn)在正常范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化，個(gè)別臺(tái)站的地震計(jì)工作周期和阻尼有上下突跳。少部分臺(tái)站觀測(cè)場(chǎng)地建在山洞中，基本不受外界環(huán)境影響，日溫差較小，地震計(jì)工作狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，周期和阻尼變化小。

山西數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)使用力平衡電子反饋式地震計(jì)，反饋地震計(jì)阻尼主要由兩部分組成[1-2],即機(jī)械結(jié)構(gòu)和反饋網(wǎng)絡(luò)阻尼。機(jī)械阻尼的變化一方面受擺的具體結(jié)構(gòu)因素影響，在地震計(jì)制造商組裝過(guò)程中存在技術(shù)問(wèn)題和元件參數(shù)不過(guò)關(guān)[1-2]。如，地震計(jì)彈性簧片的溫度系數(shù)變化大；機(jī)械阻尼另一方面易受外部環(huán)境的影響，表現(xiàn)為雙向漂移。反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的阻尼主要取決于內(nèi)部電子元件的質(zhì)量，通常對(duì)總阻尼變化的影響概率較小，且變化是單向漂移。如果發(fā)生關(guān)鍵電子元件(特別是反饋網(wǎng)絡(luò)的溫度補(bǔ)償電路)的損壞，工作周期和阻尼偏差也會(huì)較大。一般認(rèn)為，機(jī)械阻尼的變化是導(dǎo)致工作周期和阻尼偏移的主要原因[1-2]。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)臺(tái)站脈沖標(biāo)定波形計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，得出外部環(huán)境溫濕度的變化和內(nèi)部元件的老化會(huì)導(dǎo)致地震計(jì)周期和阻尼的變化。地表基巖臺(tái)站受到的影響大于山洞臺(tái)站。在平時(shí)脈沖標(biāo)定中，如發(fā)現(xiàn)周期和阻尼存在雙向漂移變化，則粗略地確定地震計(jì)故障是由外部環(huán)境的變化引起;如屬于單向漂移變化，則考慮內(nèi)部電子元器件老化和地震計(jì)機(jī)械部件等原因。

通過(guò)分析幾次典型故障產(chǎn)生的原因，提出用定期脈沖標(biāo)定方法來(lái)檢測(cè)地震計(jì)工作狀態(tài)的思路。在日常臺(tái)網(wǎng)儀器運(yùn)維中，使用此方法對(duì)臺(tái)站地震計(jì)的工作狀態(tài)進(jìn)行預(yù)評(píng)估，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在異常的地震計(jì)，減少由突發(fā)故障導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)斷記，提高臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行率，產(chǎn)出高質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)，研究結(jié)果也為測(cè)震臺(tái)站維護(hù)人員提供一些可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。