長(zhǎng)汀地震臺(tái)VP 寬頻帶傾斜儀常見故障分析與處理＊

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(cè)中心站，福建龍巖 364000）

0 引言

VP 寬頻帶傾斜儀是中國(guó)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(cè)儀器，是記錄傾斜固體潮地形變的觀測(cè)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(dòng)的條件下處于鉛垂?fàn)顟B(tài)，當(dāng)由于振動(dòng)發(fā)生傾斜變化時(shí)，擺平衡位置發(fā)生變化，擺和支架之間的相對(duì)位置發(fā)生變化，電容式位移傳感器的動(dòng)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(hào)，從而達(dá)到固體潮觀測(cè)的目的。VP 寬頻帶傾斜儀通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)登錄儀器運(yùn)行界面對(duì)儀器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)零，大大減少了人員出入山洞調(diào)零對(duì)儀器帶來的影響。由于VP 寬頻帶傾斜儀長(zhǎng)期運(yùn)行，調(diào)零螺桿與底腳螺母間可能存在灰塵或出現(xiàn)有細(xì)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(jī)無法帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，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(cè)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(duì)這些故障原因進(jìn)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(cè)山洞內(nèi)VP 儀器室是一個(gè)相對(duì)溫濕度穩(wěn)定的封閉環(huán)境，當(dāng)觀測(cè)人員進(jìn)洞室內(nèi)檢查儀器、調(diào)零、標(biāo)定儀器等都會(huì)在洞室內(nèi)來回走動(dòng)、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(fù)荷變化，這些都會(huì)對(duì)觀測(cè)儀器造成干擾[2]。VP 寬頻帶傾斜儀最大的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)完成遠(yuǎn)程調(diào)零，大大減少了因人員進(jìn)洞對(duì)儀器帶來的影響。當(dāng)某一分量輸出偏移即將限幅或已達(dá)限幅時(shí)，需遠(yuǎn)程登錄儀器界面通過調(diào)零功能對(duì)該分量進(jìn)行調(diào)零，若啟動(dòng)遠(yuǎn)程調(diào)零對(duì)該分量發(fā)出指令后，對(duì)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(jī)采用5 V 直流供電，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片或電源線存在故障或接觸不良時(shí)，可能導(dǎo)致調(diào)零電機(jī)不能正常工作[3]（圖1）。2018年4月27日3 時(shí)左右開始，臺(tái)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(jìn)入觀測(cè)室內(nèi)對(duì)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(dòng)調(diào)零操作，再用萬用表測(cè)量調(diào)零電路板上馬達(dá)兩端電壓。根據(jù)儀器調(diào)零原理，若測(cè)馬達(dá)兩端電壓值≥2 V，說明電路調(diào)零輸出正常，馬達(dá)前端電路部分亦正常；若電機(jī)不轉(zhuǎn)，表明電機(jī)可能已燒壞，更換新電機(jī)后，儀器可恢復(fù)正常。若馬達(dá)兩端電壓值＜2 V，說明輸出電壓過低無法啟動(dòng)，問題可能是調(diào)零電路板上驅(qū)動(dòng)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(shí)的升高，進(jìn)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(jī)前端的供電線路安裝避雷裝置并良好接地，當(dāng)強(qiáng)雷電到來時(shí)，迅速切斷電源或快速泄流，從而保護(hù)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(qiáng)雷電往往會(huì)產(chǎn)生瞬間強(qiáng)電流，瞬間強(qiáng)電流一般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(chǎng)強(qiáng)雷電過后，長(zhǎng)汀地震臺(tái)VP 寬頻帶傾斜儀主機(jī)顯示屏不亮，經(jīng)萬用表測(cè)量檢查，主機(jī)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(jī)恢復(fù)正常，但儀器北南分量出現(xiàn)限幅偏移，對(duì)VP 寬頻帶傾斜儀北南分量啟動(dòng)調(diào)零，對(duì)應(yīng)分量記錄數(shù)值不變，通過遠(yuǎn)程登錄儀器界面也無法調(diào)零。進(jìn)入觀測(cè)室檢查發(fā)現(xiàn)電機(jī)一直在轉(zhuǎn)，原認(rèn)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(jī)仍空轉(zhuǎn)不停。關(guān)閉主機(jī)電源，重新通電發(fā)現(xiàn)電機(jī)仍不停轉(zhuǎn)動(dòng)，無法帶動(dòng)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(jī)

VP 寬頻帶傾斜儀由主機(jī)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(tái)站附近一旦發(fā)生強(qiáng)雷電后，主機(jī)數(shù)采經(jīng)常出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，造成原始數(shù)據(jù)缺數(shù)。

因?yàn)槔讚魰r(shí)，強(qiáng)雷電流信號(hào)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(shí)，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(jī)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(jī)，需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)死機(jī)故障，應(yīng)要求臺(tái)站值班人員遇雷雨天氣后，及時(shí)登錄儀器界面，查看儀器是否正常或出現(xiàn)死機(jī)。若無法登錄儀器界面，初步判斷數(shù)采可能死機(jī)，就需要重啟數(shù)采恢復(fù)儀器正常（圖3a）；否則，若未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)采死機(jī)，就可能造成較長(zhǎng)時(shí)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(gè)分量傳感器相互獨(dú)立，當(dāng)兩個(gè)分量同時(shí)故障時(shí)，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(fù)偏差是否過大，再用萬用表測(cè)量主機(jī)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(fù)，2 和3 腳接地）。如果無±12 V 輸出或正負(fù)偏差過大，說明主機(jī)輸出電源故障；如果±12 V 正常，則檢查山洞觀測(cè)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(zhǎng)汀地震臺(tái)VP 寬頻帶傾斜儀的兩分量觀測(cè)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(rèn)調(diào)零盒輸入±12 V 正常，最后VP 儀器恢復(fù)正常。

圖4 長(zhǎng)汀地震臺(tái)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(zhǎng)汀地震臺(tái)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(zhǎng)汀地震臺(tái)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(yán)重畸變可得到解決，但未能解決出現(xiàn)重復(fù)臺(tái)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(gè)供電線路，當(dāng)一個(gè)分量電路調(diào)零出現(xiàn)故障時(shí)，很可能會(huì)影響到另一分量的記錄數(shù)據(jù)。

2020年4月27—29日，長(zhǎng)汀地震臺(tái)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(cè)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(gè)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(cuò)誤數(shù)據(jù)。在更換北南分量調(diào)零板后，兩個(gè)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(jí)較大，震中距較遠(yuǎn)，地震產(chǎn)生的面波周期與儀器自振周期接近時(shí)，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(cè)設(shè)備，儀器量程只有2″，對(duì)應(yīng)動(dòng)片前后擺動(dòng)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(dòng)片超出該范圍后，儀器輸出就會(huì)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(zhǎng)汀地震臺(tái)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(chǎng)人工調(diào)零或遠(yuǎn)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(duì)長(zhǎng)汀地震臺(tái)VP 寬頻帶傾斜儀在運(yùn)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(jìn)行檢修總結(jié)，認(rèn)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(duì)簡(jiǎn)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(zhǎng)期的臺(tái)站日常儀器觀測(cè)與運(yùn)行中，不斷摸索思考，遇到問題要認(rèn)真比較分析，善于總結(jié)積累運(yùn)維檢修經(jīng)驗(yàn)，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(tái)站運(yùn)維工作效率，確保儀器運(yùn)行穩(wěn)定性，是提高臺(tái)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(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)的重要基礎(chǔ)。

（3）臺(tái)站其他儀器運(yùn)維工作，同樣需要我們?nèi)ブ鲃?dòng)接觸問題，分析問題，解決問題，才能提高臺(tái)站各類儀器運(yùn)維效率，確保儀器運(yùn)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(hù)，也可避免因焊接不牢或虛焊而引起的數(shù)據(jù)畸變。