垂直擺傾斜儀故障分析及維修

林立峰，蔡佩蕊，陳珊樺，徐智明

（1.福建省地震局廈門地震臺，福建 廈門361000；2.福建省地震局莆田地震臺，福建 莆田351100；3．福建省地震局泉州地震臺，福建 泉州362000）

垂直擺傾斜儀是用于地傾斜觀測的儀器[1]，其擺系主要由擺體、柔絲和支架組成。擺體通過高強度柔性合金絲垂直于地面懸掛在地面的支架上，當地面由于潮汐發(fā)生形變時，垂直于地面的重擺和懸掛重擺之間的相對位置就會發(fā)生改變，通過高精度的電容式微位移傳感器把這種角度變化轉化為微弱的電信號，再把微弱的電信號通過一系列的放大、整形、同步檢波、濾波等模擬電路進行處理，最后由數采記錄整理，還原出實際的傾斜固體潮（見圖1）。

圖1 擺系儀器原理圖

1 故障分析

近幾年來，儀器出現的故障在備件齊全的情況下，臺站均能夠自主維修，使儀器盡快恢復觀測。泉州綜合臺共有垂直擺傾斜儀3套，其中泉州地震臺采用中國地震局武漢地震儀器研究所研制的VS型垂直擺傾斜儀，2014年4月安裝，儀器運行至今泉州地震臺累計故障13次，造成缺記1638小時。莆田地震臺與廈門地震臺垂直擺觀測采用中國地震局武漢地震儀器研究所研制的VP型寬頻帶傾斜儀，廈門地震臺垂直擺2013年12月安裝儀器運行至今累計故障49次，造成缺記565.8小時；莆田地震臺垂直擺2014年1月安裝至今累計故障5次，造成缺記139小時。

通過對泉州綜合臺垂直擺傾斜儀近年來的故障進行系統分析，垂直擺傾斜儀的主要故障有供電故障、主機故障、數采故障、線路故障、傳感器故障及調零裝置故障。

1.1 供電故障

供電故障可分為兩種類型，分別為UPS故障、市電故障。曲線上表現為缺記，供電恢復后曲線恢復正常，如莆田臺寬頻帶傾斜儀2019年11月16日-17日因UPS故障導致缺記，采用交流供電后恢復正常。（見圖2）

圖2 UPS故障圖

1.2 主機故障

VS垂直擺主機故障主要是電源板故障及前置放大板故障。

電源板故障的曲線表現形態(tài)為缺記、大幅畸變、階躍、儀器主機讀數與數采主機上不一致，且無法調零，解決方式為更換電源板或采用市場上的±12V電源供電。如泉州基準地震臺VS垂直擺傾斜儀2018年8月4日由于VS主機電源板故障，數據曲線出現大幅畸變、階躍，工作人員對儀器進行了檢查，發(fā)現VS主機讀數與數采主機上不一致，且無法調零，主機電源板只有正電壓輸出而沒有負電壓輸出，認定該板電路故障，將VS主機拆下寄回廠家維修。主機修好寄回，工作人員將主機安裝上后，恢復正常記錄。（見圖3）

圖3 主機故障圖

放大板故障的曲線表現形態(tài)為多次出現毛刺現象及高頻干擾現象，解決方式為更換放大板上的芯片ICL7650或更換整塊放大板，如泉州基準地震臺VS垂直擺傾斜儀自2016年12月4日開始由于主機中北南向VS電路放大板故障，導致北南分量數據時常因儀器性能不穩(wěn)定多次出現毛刺現象及高頻干擾現象，更換了北南向放大板上的放大芯片，并焊接了北南向位移傳感器輸出端一處虛焊的焊點后，恢復正常日變形態(tài)。（見圖4）

圖4 放大板故障圖

1.3 數采故障

數采故障的曲線表現形態(tài)為缺記或曲線無固體潮形態(tài)，解決方式為電源模塊或更換數據采集板。如莆田臺寬頻帶傾斜儀2019年9月7日因受雷擊導致數采故障，更換數采后恢復正常。（見圖5）

圖5 數采故障圖

1.4 線路故障

線路故障的曲線表現形態(tài)曲線出現短時間的無效數據和階變或曲線噪聲變大，解決方式為重新焊接或更換線路。如廈門臺寬頻帶傾斜儀2016年10月30日開始固體潮曲線形態(tài)出現短時間的無效數據和階變，整體的形態(tài)沒有遭到破壞，廠家來人修理儀器，判定是儀器線路故障，重新焊接標定線路、調零線路、信號線、電源線路等，儀器恢復正常運行。（見圖6）

圖6 線路故障圖

1.5 傳感器故障

傳感器故障主要是擺系故障、前置放大盒故障。

擺系故障的曲線表現形態(tài)為曲線的日變明顯變小或出現超差限幅走直線、畸變、飄動等現象。解決方式為檢查擺系更換鎢絲。如廈門臺寬頻帶傾斜儀2018年10月24日起觀測曲線的日變明顯變小，這種日變幅逐日變小的情況應該不是前兆異常變化，應該是儀器本身的工作狀態(tài)造成。經廠家指導，對儀器進行鎖擺，關閉電源，測量放大盒里動片連接端與電容兩定片連接端間的電阻，阻值大于30歐，電阻值明顯異常，判斷為擺系故障，廠家來人更換鎢絲，并對擺體進行清潔和換干燥劑，儀器維修完成后，觀測曲線有固體潮形態(tài)，儀器恢復正常。（見圖7）

圖7 擺系故障圖之一

泉州基準地震臺VS垂直擺傾斜儀2018年05月01日起由于擺系故障，數據形態(tài)出現超差限幅走直線、畸變、漂移等現象，經過多次維修調擺，采取了更換反相板、反相板通往VS主機的擺線等措施，均未能修復故障。武漢儀器研究院專家到臺站，再次更換了全套擺線和東西向反相板，并更換了反相板上部分電容電阻，儀器恢復了正常日變形態(tài)。（見圖8）

圖8 擺系故障圖之二

前置放大盒故障的曲線表現形態(tài)為日變形態(tài)消失，無固體潮曲線。解決方式為更換前置放大盒芯片OP07或更換放大板。如廈門臺寬頻帶傾斜2018年06月07日起儀器放大板故障造成日變形態(tài)消失，無固體潮曲線，更換放大板后恢復正常觀測。（見圖9）

圖9 前置放大盒故障圖

1.6 調零裝置故障

調零裝置故障的曲線表現形態(tài)為曲線漂移現象。解決方式為檢查調零裝置。如泉州基準地震臺VS垂直擺傾斜儀2019年1月12日起由于調零裝置卡死導致數據異常漂移，出現11次數據超差走直線，進行18次調零。廠家技術人員進洞維修，期間進行開鎖擺、更換部分調零裝置、調水平、調零，完成檢修，儀器恢復穩(wěn)定。（見圖10）

圖10 調零裝置故障圖

2 儀器故障判定及維修流程

儀器維修一般流程為通過觀察測量儀器狀態(tài)、曲線形態(tài)判斷故障位置，對出現故障的模塊進行檢修[2]。

觀察儀器設備指示燈，測量電壓值，垂直擺傾斜儀主機供電電壓為±12V，標定電壓為＋5V，信號電壓在±2V內為正常。

通過觀測曲線的異常判斷故障情況[3]（見圖11），確認故障位置后進行檢修，更換備件。

圖11 觀測曲線異常判斷故障情況圖

3 結論

本文以泉州綜合臺垂直擺傾斜儀的故障維修維護為研究對象，系統分析垂直擺的常見故障及原因，提出了故障維修的原則，并給出了具體的解決措施、整理垂直擺故障圖集。通過總結、分析提高維修能力，縮短維修時間，進一步提升觀測數據的連續(xù)可靠性性。