忻州地震監(jiān)測(cè)中心站VP型垂直擺傾斜儀典型故障及維護(hù)方法

沈魏乾，李惠玲，高龍飛，李 晨，秦學(xué)理

(1.山西省地震局忻州地震監(jiān)測(cè)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(cè)中心站，山西 大同 037008；4.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

VP型垂直擺傾斜儀(以下簡(jiǎn)稱VP傾斜儀)是用于監(jiān)測(cè)地傾斜固體潮與地震前兆信息的地形變觀測(cè)設(shè)備，該儀器是近年來由中國(guó)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(cè)精度、靈敏度及抗干擾能力方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

忻州地震監(jiān)則中心站(以下簡(jiǎn)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(jī)械漂移現(xiàn)象，運(yùn)行一段時(shí)間后，漂移現(xiàn)象逐漸減弱，此后運(yùn)行穩(wěn)定，干擾較小?，F(xiàn)對(duì)忻州站VP傾斜儀日常運(yùn)行中出現(xiàn)的典型故障進(jìn)行分析，提出運(yùn)維改進(jìn)措施，為臺(tái)站儀器維護(hù)人員進(jìn)行故障處理提供借鑒，為產(chǎn)出完整率高、可靠性強(qiáng)的地形變觀測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)。

1 臺(tái)址及測(cè)點(diǎn)概況

1.1 臺(tái)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(tái)山區(qū)邊緣隆起區(qū)，滹沱河支流峪口河北岸二級(jí)階地上，東鄰忻定盆地南緣的五臺(tái)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(gè)凹陷組成，歷史上曾發(fā)生過3次7級(jí)以上地震。

1.2 垂直擺測(cè)點(diǎn)

垂直擺測(cè)點(diǎn)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(cè)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(cè)基墩建在基巖之上，長(zhǎng)2 m，寬1.2 m(見圖1)。

圖1 代縣地震臺(tái)山洞測(cè)點(diǎn)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(jī)和數(shù)據(jù)采集器三部分組成[2]。其中，圖2a為VP傾斜儀實(shí)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(dòng)片在未受外力作用時(shí)處于鉛錘狀態(tài)，當(dāng)?shù)孛嬖诔毕?、地震、振?dòng)等作用下發(fā)生傾斜變化時(shí)，動(dòng)片與定片之間相對(duì)位置發(fā)生改變[3]，相對(duì)偏移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，經(jīng)過放大、整形、濾波等電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器[4](見圖3)。其計(jì)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(zhǎng)(單位：m)；ψ為地傾斜角 (單位：″)；δ為擺的相對(duì)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(hào)引絲受潮

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

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

以忻州站代縣地震臺(tái)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(hù)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(cè)振蕩信號(hào)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(hào)引絲上存在細(xì)水珠，清除水珠并做防潮處理，后續(xù)的標(biāo)定及調(diào)零顯示，NS分量固體潮曲線恢復(fù)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(dòng)片和定片之間產(chǎn)生的微弱位移量電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。放大板發(fā)生故障時(shí)，會(huì)造成前置放大電路無信號(hào)輸出或輸出錯(cuò)誤信號(hào)，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(tái)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(cè)曲線無固體潮，多次產(chǎn)生較大幅度的臺(tái)階，同震響應(yīng)模糊。維護(hù)人員在確認(rèn)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(fù)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(tái)網(wǎng)觀測(cè)與運(yùn)行工作細(xì)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(duì)于±2 V的量程，當(dāng)電壓讀數(shù)超過±1 800 mV時(shí)，需通過步進(jìn)電機(jī)進(jìn)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(jìn)電機(jī)損壞或供電故障。具體解決措施如下。

(1) 齒輪卡死或脫開時(shí)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)上的螺絲及齒輪位置進(jìn)行修復(fù)(見圖9)。具體操作步驟為：網(wǎng)頁上點(diǎn)擊“自動(dòng)調(diào)零”，進(jìn)山洞觀察軸①(以下數(shù)字均代表圖9中的配件)馬達(dá)是否轉(zhuǎn)動(dòng)，若轉(zhuǎn)動(dòng)，檢查軸①是否帶動(dòng)齒輪②轉(zhuǎn)動(dòng)，若齒輪②不轉(zhuǎn)動(dòng)，檢查③處螺絲是否松動(dòng)；以上均正常時(shí)，檢查齒輪②是否帶動(dòng)齒輪④轉(zhuǎn)動(dòng)，無轉(zhuǎn)動(dòng)則判定齒輪②和齒輪④間距變大而脫開；松動(dòng)固定馬達(dá)的3個(gè)螺絲，使齒輪②和④間距變小即可；若正常轉(zhuǎn)動(dòng)，檢查齒輪④是否帶動(dòng)軸⑤轉(zhuǎn)動(dòng)，若不轉(zhuǎn)動(dòng)，擰緊固定齒輪④的螺絲即可；若正常轉(zhuǎn)動(dòng)，檢查軸⑤是否帶動(dòng)齒輪⑥轉(zhuǎn)動(dòng)，即查看軸⑤和齒輪⑥是否嚙合，若未嚙合，軸⑤轉(zhuǎn)動(dòng)而齒輪⑥不轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)，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(jī)圖Fig.9 Diagram of zero-adjustment motor

(2) 步進(jìn)電機(jī)損壞時(shí)，使用萬用表測(cè)量電機(jī)阻值，在30 Ω左右則正常，遠(yuǎn)高于30 Ω則為內(nèi)部斷路，遠(yuǎn)低于30 Ω則是內(nèi)部短路，需對(duì)內(nèi)部線路進(jìn)行修復(fù)或更換新的調(diào)零電機(jī)[4]。

(3) 步進(jìn)電機(jī)供電故障表現(xiàn)為供電線路斷路或供電芯片損壞時(shí)，造成電機(jī)無法正常工作，需對(duì)供電線路進(jìn)行檢查判斷有無斷路、虛焊等問題，并測(cè)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(fù)或更換供電芯片。

3.4 信號(hào)引絲或懸絲斷裂

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

3.5 外界強(qiáng)電干擾

儀器受外界強(qiáng)電干擾或出現(xiàn)靜電時(shí)，觀測(cè)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(duì)VP傾斜儀典型故障進(jìn)行梳理和總結(jié)，針對(duì)典型故障提出相應(yīng)的解決措施，確保儀器的正常運(yùn)行。上述的儀器維護(hù)經(jīng)驗(yàn)在提高觀測(cè)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(shí)也可為其他臺(tái)站解決類似故障問題提供參考。