莆田地震臺(tái)銦瓦棒伸縮儀故障分析及維修技術(shù)研究

陳偉 蔡佩蕊 沈健健 吳勁柏 李毅偉

摘? 要：該文論述莆田地震臺(tái)形變觀測(cè)儀器SS-Y型銦瓦棒伸縮儀近幾年來(lái)的故障，從電源、主機(jī)、傳感器、線路故障等幾個(gè)方面對(duì)故障進(jìn)行整理、分類(lèi)、統(tǒng)計(jì)。通過(guò)故障的表現(xiàn)形式分析故障原因，整理出不同故障曲線形態(tài)產(chǎn)生的原因?？偨Y(jié)莆田地震臺(tái)維修經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合其他臺(tái)站經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)不同故障給出維修方案，可為其他相關(guān)地震臺(tái)站提供借鑒。

關(guān)鍵詞：形變觀測(cè)儀器；SS-Y型銦瓦棒伸縮儀；故障維修；故障排查；傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)：P315.7? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）06-0144-05

Abstract： The faults of the deformation observation instrument SS-Y indium tile bar extensometer of Putian Seismic Station in recent years are discussed， and the faults are sorted out， classified and counted from the aspects of power supply， mainframe， sensor， line fault and so on. Through the manifestation of the fault to analyze the causes of the fault， we sorted out the causes of different fault curves and summed up the maintenance experience of Putian station. Based on the experience of other stations， the maintenance scheme is given for different faults， which can be used as a reference for other relevant seismic stations.

Keywords： deformation observation instrument; SS-Y indium tile extensometer; fault maintenance; fault troubleshooting; sensor

我國(guó)自1966年邢臺(tái)地震后，地震預(yù)報(bào)事業(yè)開(kāi)始起步。1998年中國(guó)地震局地震研究所，研發(fā)出了新型的應(yīng)變觀測(cè)儀——SS-Y型銦瓦棒伸縮儀，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展SS-Y型伸縮儀為地震預(yù)報(bào)分析積累了大量的寶貴資料。

1? 莆田地震臺(tái)銦瓦棒伸縮儀安裝概況

福建省地震局莆田地震臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“我臺(tái)”）伸縮儀采用中國(guó)地震局武漢地震儀器研究所研制的SS-Y型銦瓦棒伸縮儀（簡(jiǎn)稱(chēng)“SS-Y伸縮儀”），配套進(jìn)行洞溫輔助觀測(cè)。2013年12月安裝東西（EW向）分量、北南（NS向）分量，2014年9月安裝其他分量，2014年通過(guò)驗(yàn)收并正式運(yùn)行。

2? SS-Y型銦瓦棒伸縮儀運(yùn)行情況

我臺(tái)SS-Y伸縮儀2014年8月正式運(yùn)行以來(lái)，儀器運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)產(chǎn)出可靠。伸縮儀記錄的日變固體潮波形清晰，3個(gè)分量年變趨勢(shì)較明顯。東西分量漂移量較大，這與儀器安裝后，北南分量一直在進(jìn)行故障排查試驗(yàn)、電源線路檢修和多次更換儀器元件有關(guān)。

以我臺(tái)SS-Y伸縮儀的故障維修維護(hù)為研究對(duì)象，系統(tǒng)分析伸縮儀的常見(jiàn)故障及原因，主要存在以下5個(gè)故障問(wèn)題：①傳感器故障干擾；②前置避雷器干擾問(wèn)題；③前置放大器受潮干擾與故障；④標(biāo)定中出現(xiàn)的問(wèn)題；⑤伸縮儀和水管儀線路故障維修時(shí)互相干擾。

3? 故障排查及解決

3.1? 傳感器故障

我臺(tái)SS-Y伸縮儀自2014年1月23日觀測(cè)以來(lái)，該儀器3個(gè)分量均有固體潮不定期畸變現(xiàn)象發(fā)生，觀測(cè)數(shù)據(jù)抖動(dòng)并無(wú)明顯規(guī)律。常在固體潮曲線正常的情況下突發(fā)突跳現(xiàn)象，使原本正常的曲線形態(tài)嚴(yán)重偏離甚至處于超限狀態(tài)，并在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)雜亂無(wú)章的固體潮形態(tài)，如圖1所示，3個(gè)不同時(shí)期的不同分量輸出的分鐘數(shù)據(jù)都有明顯的共同特征（固體潮日變?cè)谡l件下毫無(wú)征兆的產(chǎn)生突跳并嚴(yán)重偏離曲線固有形態(tài)，而后形成無(wú)波峰、無(wú)波谷短時(shí)無(wú)規(guī)律的曲線走勢(shì)）。我臺(tái)工作人員對(duì)環(huán)境干擾、線路干擾、前置放大器干擾進(jìn)行排查。對(duì)發(fā)生曲線偏離的分量測(cè)向進(jìn)行伸縮儀傳感器更換。更換后的分量測(cè)向固體潮形態(tài)恢復(fù)正常，日變規(guī)律明顯清晰。通過(guò)更換傳感器的途徑來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

3.2? 前置避雷器故障

SS-Y伸縮儀儀器在正式并網(wǎng)運(yùn)行后即產(chǎn)生較為穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)，固體潮曲線在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里波形光滑，日變形態(tài)清晰，即使在第三分量（其他分量）安裝施工過(guò)程中，其他2個(gè)分量亦能產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。至2017年10月，東西分量數(shù)據(jù)曲線開(kāi)始無(wú)固定時(shí)間出現(xiàn)畸變的情況（圖2），且發(fā)現(xiàn)EW向曲線相對(duì)較粗。漂移較大，數(shù)據(jù)突跳情況時(shí)有發(fā)生。而在同一時(shí)間里，北南分量與其他分量固體潮曲線清晰正常。開(kāi)始階段，臺(tái)站維修人員觀察固體潮畸變規(guī)律，結(jié)合伸縮儀電源不穩(wěn)定導(dǎo)致的固體潮畸變情況，總結(jié)出EW向的曲線畸變是由于電源不穩(wěn)所造成的結(jié)論。

此現(xiàn)象持續(xù)接近一個(gè)月的時(shí)間后，維護(hù)人員認(rèn)為若是電源不穩(wěn)定導(dǎo)致此種固體潮畸變，不可能有在這么長(zhǎng)的時(shí)間里只對(duì)EW向固體潮產(chǎn)生干擾，而其他2個(gè)分量正常的情況。我們采取了線路檢修、逐一更換元器件等方法排查：①排除電源線路與信號(hào)線接觸問(wèn)題。對(duì)儀器室至山洞伸縮儀裝置的電源外線路進(jìn)行仔細(xì)地檢查，萬(wàn)用表測(cè)量主機(jī)后面板EW向信號(hào)接線的電壓值變化，對(duì)EW向信號(hào)線與航空頭的接觸進(jìn)行加緊處理。觀察幾小時(shí)后，發(fā)現(xiàn)記錄曲線仍然較粗且畸變，并未得到改善，可證明并非電源線路與信號(hào)接觸不良導(dǎo)致。②排除記錄主機(jī)及數(shù)采器故障。將主機(jī)后面板NS、EW兩方向信號(hào)接線對(duì)換，以檢驗(yàn)是否主機(jī)及數(shù)采控制器的故障，若記錄曲線仍然較粗，并依然有突跳情況。說(shuō)明主機(jī)及數(shù)據(jù)采集器正常，曲線畸變偶有突跳的現(xiàn)象與儀器室伸縮儀儀器無(wú)關(guān)。③排除傳感器故障。更換了傳感器探頭，情況依舊沒(méi)有改觀，則舊傳感器無(wú)故障。④伸縮儀前置避雷器，由于我臺(tái)SS-Y伸縮儀在形變觀測(cè)儀器安裝后對(duì)新山洞進(jìn)行防雷改造，以在雷雨的天氣里起到減弱雷電對(duì)觀測(cè)儀器造成的損害。2017年12月18日維修人員對(duì)EW向前置避雷器進(jìn)行拆除處理，之后我臺(tái)伸縮儀東西分量數(shù)據(jù)曲線回歸清晰正常狀態(tài)。2018年12月下旬開(kāi)始，我臺(tái)SS-Y伸縮儀北南分量觀測(cè)數(shù)據(jù)也出現(xiàn)了固體潮畸變伴有突跳且數(shù)據(jù)曲線明顯加粗的現(xiàn)象，2019年1月12日拆除NS向前置避雷器，1月13日之后產(chǎn)出的數(shù)據(jù)回歸正常。故判斷SS-Y伸縮儀北南分量固體潮畸變伴有突跳的原因是由于前置避雷器不穩(wěn)定所造成的。

3.3? 前置放大器受潮以及故障

我臺(tái)SS-Y伸縮儀產(chǎn)出的數(shù)據(jù)曲線有種比較特殊的曲線畸變情況，特別是這種曲線畸變持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)且無(wú)超限情況發(fā)生，尤其是北南分量與東西分量曲線長(zhǎng)時(shí)間畸變狀況比較多，其他分量曲線受到干擾較少。我臺(tái)伸縮儀北南、東西兩分量數(shù)據(jù)出現(xiàn)多次曲線在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)密集畸變，導(dǎo)致這段時(shí)間內(nèi)固體潮日變形態(tài)不定期畸變（圖3），產(chǎn)出的數(shù)據(jù)漂移量較大。2017年8月2日、2018年10月8日針對(duì)此噪聲現(xiàn)象采取措施，打開(kāi)SS-Y伸縮儀前置放大盒，發(fā)現(xiàn)前置放大器內(nèi)部均有輕微潮濕情況，于是在前置放大盒內(nèi)放入干燥劑并使用小功率型吹風(fēng)機(jī)對(duì)其進(jìn)行除濕與干燥處理。除濕干燥處理后的1—2日內(nèi)數(shù)采采集到的數(shù)據(jù)產(chǎn)出均歸于正常，固體潮波形光滑、日變形態(tài)恢復(fù)正常。因此歸納出此類(lèi)長(zhǎng)時(shí)期曲線畸變是由于前置放大器受潮造成。放大器故障表現(xiàn)形式（圖4）：固體潮曲線正常的情況下突發(fā)突跳現(xiàn)象，使原本正常的曲線形態(tài)處于超限狀態(tài)，并在短時(shí)間內(nèi)徘徊在正常與超限極端狀態(tài)下。我臺(tái)維修人員進(jìn)洞運(yùn)用萬(wàn)用表對(duì)伸縮儀前置放大器各元器件端口進(jìn)行電壓輸出與輸入值測(cè)量，發(fā)現(xiàn)某些電壓值與正常狀態(tài)下的電壓值有較大差別，于是分別在2016年9月25日與2017年11月1、2日對(duì)SS-Y伸縮儀進(jìn)行前置放大器更換操作，更換后數(shù)分鐘內(nèi)數(shù)采采集到的數(shù)據(jù)產(chǎn)出均歸于正常，因此歸納出此類(lèi)極短時(shí)間內(nèi)曲線超限，且曲線在觀察期內(nèi)無(wú)法恢復(fù)正常的現(xiàn)象是由于前置放大器故障造成。以上2種由前置放大器造成的數(shù)據(jù)干擾情況，是因我臺(tái)處于福建沿海及洞體處于很深的位置，氣候較潮濕，加上臺(tái)風(fēng)天氣的侵蝕，且受到洞口蓄水井濕氣的影響較大，導(dǎo)致山洞內(nèi)的觀測(cè)儀器裝置極容易受潮，特別是對(duì)前置放大器潛移默化的干擾。利用小功率吹風(fēng)機(jī)除濕與放入干燥劑能很大程度上起到作用。

3.4? 標(biāo)定中出現(xiàn)的問(wèn)題

SS-Y伸縮儀檢定器是依據(jù)斜楔塊原理產(chǎn)生微位移，2017年6月15日，我臺(tái)SS-Y伸縮儀進(jìn)行例行標(biāo)定檢查，第一次標(biāo)定時(shí)3個(gè)分量重復(fù)性精度都不理想，結(jié)果和正常標(biāo)定結(jié)果有相差（表1）。重復(fù)性精度大于1%，正常時(shí)北南分量|ΔU|應(yīng)該在2 168 mV左右，電壓靈敏度為59.57 mV/μm，但是本次標(biāo)定這2個(gè)指標(biāo)都略小于正常值，而且標(biāo)定重復(fù)性精度為2%。于是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)定這種情況是由于儀器標(biāo)定裝置長(zhǎng)時(shí)間不工作，運(yùn)動(dòng)不順暢所致，手動(dòng)活動(dòng)下標(biāo)定裝置后再次標(biāo)定，結(jié)果符合要求。

2018年12月13日，在東西分量的標(biāo)定過(guò)程中同樣出現(xiàn)了連續(xù)標(biāo)定2次后仍然不合格的情況（表2）。東西分量|ΔU|只為0.19 mV，且標(biāo)定重復(fù)性精度達(dá)到164.71%。對(duì)于這種標(biāo)定產(chǎn)生的誤差結(jié)果，我臺(tái)維修人員首先進(jìn)洞檢查了儀器標(biāo)定器的測(cè)微頭位置、鐵芯位置，檢查了彈性連軸的運(yùn)動(dòng)是否順暢，結(jié)果一切正常。之后我們檢查了前置放大器的輸入電壓和儀器數(shù)采的接線柱電壓，經(jīng)檢查萬(wàn)用表顯示電壓值與數(shù)采顯示數(shù)值基本相同。為了進(jìn)一步排除主機(jī)和數(shù)采的問(wèn)題，對(duì)換了主機(jī)上不同分量的標(biāo)定控制線，經(jīng)檢查，存在問(wèn)題的還是原來(lái)的分量。初步聯(lián)系標(biāo)定原理進(jìn)行分析。有可能是楔塊不能回位造成滑塊不能回位，也有可能是滑塊本身不能回位。

根據(jù)上面的分析，我臺(tái)維修人員進(jìn)洞打開(kāi)標(biāo)定器，結(jié)果發(fā)現(xiàn)標(biāo)定器內(nèi)部潤(rùn)滑油已很少且臟以及標(biāo)定裝置周?chē)竺娣e生銹，用手滑動(dòng)楔塊運(yùn)動(dòng)性尚可，但依靠標(biāo)定電動(dòng)機(jī)完成自動(dòng)標(biāo)定已然不可能推動(dòng)。我們對(duì)標(biāo)定器內(nèi)部用脫脂棉進(jìn)行了酒精擦試清潔，然后倒入新的潤(rùn)滑油，重新安裝好標(biāo)定器，再次進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果合格。分析造成潤(rùn)滑油較快蒸發(fā)、標(biāo)定裝置生銹的原因：①我臺(tái)伸縮儀標(biāo)定裝置工作時(shí)間較長(zhǎng)而較少更換潤(rùn)滑油，洞體上方有各種傳輸線出口，雖用泡沫板堵塞，但仍有微氣流，密閉性不太好，潤(rùn)滑油蒸發(fā)的相對(duì)較快。②我臺(tái)處于福建沿海及洞體處于很深的位置，氣候很潮濕，加上臺(tái)風(fēng)天氣的侵蝕導(dǎo)致山洞內(nèi)的觀測(cè)儀器裝置極容易受潮，造成標(biāo)定設(shè)備生銹。通過(guò)這次的儀器標(biāo)定過(guò)程，總結(jié)出伸縮儀標(biāo)定裝置在日常維護(hù)中應(yīng)該勤“加油”（加潤(rùn)滑油）、勤“洗澡”（酒精擦拭）。

注意事項(xiàng)：檢定器是高精密的機(jī)械裝置，所以要避免灰塵與沙土等侵入，在做檢定之前必須清洗干凈，并加足清油（一般可用縫紉機(jī)油），試檢定2～3次后，再正式檢定3次，確認(rèn)重復(fù)性良好后，再進(jìn)行格值計(jì)算，否則格值就會(huì)產(chǎn)生較大的偏差。格值偏差較大時(shí)，可用千分表加以校核。

3.5? 伸縮儀和水管儀線路故障維修時(shí)互相干擾

由于我臺(tái)形變觀測(cè)洞室內(nèi)DSQ水管儀和SS-Y伸縮儀是同場(chǎng)地平行布設(shè)，這導(dǎo)致了當(dāng)檢查、維修、調(diào)零、標(biāo)定其中任何一套觀測(cè)儀器過(guò)程中都會(huì)對(duì)其另一套儀器造成較大干擾。特別是我臺(tái)觀測(cè)洞室緊靠于莆田市人防山洞，而人防山洞抽水口就設(shè)于我臺(tái)觀測(cè)洞室的前門(mén)口，僅隔2道密封門(mén)。人防山洞抽水井的不定期運(yùn)作對(duì)我臺(tái)洞室內(nèi)的觀測(cè)儀器造成很大影響，特別是DSQ水管儀由于設(shè)備靈敏度較高，抽水影響引發(fā)的儀器零漂的情況較多。臺(tái)站工作人員經(jīng)常需要進(jìn)洞對(duì)DSQ水管儀進(jìn)行調(diào)零操作處理，這勢(shì)必對(duì)SS-Y伸縮儀的產(chǎn)出數(shù)據(jù)造成不小的干擾。因同槽平行布設(shè)的水管儀北南、東西端儀器超限，工作人員進(jìn)洞對(duì)其進(jìn)行調(diào)零處理。導(dǎo)致同時(shí)段的伸縮儀的3個(gè)分量數(shù)據(jù)輸出都有曲線突跳的現(xiàn)象，只能在中國(guó)地震前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中對(duì)其3個(gè)分量數(shù)據(jù)做缺數(shù)處理，這在很大程度上影響伸縮儀觀測(cè)資料的連續(xù)、準(zhǔn)確、可靠、完整性。

4? 結(jié)束語(yǔ)

個(gè)人總結(jié)儀器維修一般思路：①觀察法。查看儀器設(shè)備指示燈，測(cè)量電壓值。②電路原理分析法。對(duì)電路原理進(jìn)行分析，推測(cè)故障位置。③從曲線判斷故障法。通過(guò)觀測(cè)曲線的異常判斷故障情況。④對(duì)比替換法。通過(guò)更換正常配件進(jìn)行判斷故障。

我臺(tái)SS-Y伸縮儀自2014年8月正式運(yùn)行至今，運(yùn)行已有9年多時(shí)間，其伸縮儀儀器及數(shù)據(jù)采集器工作狀態(tài)良好，整套前兆觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)產(chǎn)出可靠穩(wěn)定。本文以莆田地震臺(tái)銦瓦棒伸縮儀的故障維修維護(hù)為研究對(duì)象，系統(tǒng)分析伸縮儀的常見(jiàn)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；整理伸縮傾斜儀故障圖集。作為專(zhuān)業(yè)的地震工作人員，需要密切關(guān)注觀測(cè)儀器的運(yùn)行狀況，努力做好觀測(cè)手段的跟蹤與分析工作。通過(guò)總結(jié)、分析提高維修能力、縮短維修時(shí)間，進(jìn)一步提升觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)可靠。努力讓研究成果能應(yīng)用到福建省SS-Y銦瓦棒伸縮運(yùn)行過(guò)程的日常維護(hù)及儀器維修中，在儀器出現(xiàn)各種故障時(shí)，通過(guò)查找故障原因，探討了解決問(wèn)題的辦法，希望能給其他臺(tái)站提供相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)與參考。

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