忻州地震監測中心站VP型垂直擺傾斜儀典型故障及維護方法

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測中心站，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測中心站，山西 大同 037008；
4.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀(guān)測研究站，山西 太原 030025)

VP型垂直擺傾斜儀(以下簡(jiǎn)稱(chēng)VP傾斜儀)是用于監測地傾斜固體潮與地震前兆信息的地形變觀(guān)測設備，該儀器是近年來(lái)由中國地震局地震研究所，在VS擺式傾斜儀基礎上研發(fā)的一種新型垂直擺傾斜儀[1]。相比傳統的擺式傾斜儀，VP傾斜儀在映震能力、觀(guān)測精度、靈敏度及抗干擾能力方面具有顯著(zhù)優(yōu)勢。

忻州地震監則中心站(以下簡(jiǎn)稱(chēng)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械漂移現象，運行一段時(shí)間后，漂移現象逐漸減弱，此后運行穩定，干擾較小?，F對忻州站VP傾斜儀日常運行中出現的典型故障進(jìn)行分析，提出運維改進(jìn)措施，為臺站儀器維護人員進(jìn)行故障處理提供借鑒，為產(chǎn)出完整率高、可靠性強的地形變觀(guān)測數據服務(wù)。

1.1 臺站地理位置及地質(zhì)條件

忻州站隸屬山西省地震局，位于山西省代縣峪口鄉峪里村，地處五臺山區邊緣隆起區，滹沱河支流峪口河北岸二級階地上，東鄰忻定盆地南緣的五臺山北麓斷裂，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(kāi)，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(guò)3次7級以上地震。

1.2 垂直擺測點(diǎn)

垂直擺測點(diǎn)位于忻州站的代縣山洞內，山洞覆蓋層厚度大于40 m。洞內安裝水管傾斜儀、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(guān)測室內，距離洞口約32 m，有3道船艙門(mén)密封(未澆筑水泥)。觀(guān)測基墩建在基巖之上，長(cháng)2 m，寬1.2 m(見(jiàn)圖1)。

圖1 代縣地震臺山洞測點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of mountain cave survey points of Daixian Seismic Station

VP傾斜儀由垂直擺擺體、主機和數據采集器三部分組成[2]。其中，圖2a為VP傾斜儀實(shí)物圖，圖2b為垂直擺擺體結構示意圖，圖2c為擺系示意圖。

圖2 VP垂直擺傾斜儀結構圖Fig.2 Structure diagram of VP vertical pendulum tiltmeter

工作原理為：擺體內動(dòng)片在未受外力作用時(shí)處于鉛錘狀態(tài)，當地面在潮汐、地震、振動(dòng)等作用下發(fā)生傾斜變化時(shí)，動(dòng)片與定片之間相對位置發(fā)生改變[3]，相對偏移量轉換成電信號輸出，經(jīng)過(guò)放大、整形、濾波等電路進(jìn)行信號調理，傳輸到數據采集器[4](見(jiàn)圖3)。其計算公式為：

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(cháng)(單位：m)；
ψ為地傾斜角 (單位：″)；
δ為擺的相對位移。

3.1 擺系信號引絲受潮

信號引絲結構如圖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(cháng)期處于潮濕狀態(tài)，潮氣進(jìn)入擺體內部，擺系信號引絲受潮引起數據曲線(xiàn)固體潮畸變。

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

以忻州站代縣地震臺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(xiàn)持續向南漂移，并伴有小幅突跳、畸變；
EW分量固體潮形態(tài)正常(見(jiàn)第41頁(yè)圖5)。維護人員通過(guò)排查，發(fā)現供電線(xiàn)路、傳感器連接處均正常，使用示波器檢測振蕩信號正弦波峰值在0.5 V附近，低于正常峰值(1.2 V)，初判為擺體故障。開(kāi)擺后發(fā)現擺體內及信號引絲上存在細水珠，清除水珠并做防潮處理，后續的標定及調零顯示，NS分量固體潮曲線(xiàn)恢復正常(見(jiàn)第41頁(yè)圖6)。

圖5 2020年9月1日至2日VP傾斜儀固體潮曲線(xiàn)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部動(dòng)片和定片之間產(chǎn)生的微弱位移量電信號進(jìn)行調理。放大板發(fā)生故障時(shí)，會(huì )造成前置放大電路無(wú)信號輸出或輸出錯誤信號，表現為數據曲線(xiàn)無(wú)固體潮或出現無(wú)規律突跳、畸變、臺階等。圖6為忻州站VP傾斜儀NS分量放大板元器件受潮，觀(guān)測曲線(xiàn)無(wú)固體潮，多次產(chǎn)生較大幅度的臺階，同震響應模糊。維護人員在確認放大盒故障后，通過(guò)更換放大盒內部元件，曲線(xiàn)形態(tài)恢復正常，能記錄到清晰的同震響應(見(jiàn)第41頁(yè)圖7、圖8)。

圖6 2020年9月11日-14日VP傾斜儀固體潮曲線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)圖Fig.8 VP vertical pendulum solid tide diagram of curves from March 3 to 4,2021

3.3 儀器調零故障

根據傾斜應變臺網(wǎng)觀(guān)測與運行工作細則要求，垂直擺擺體通過(guò)放大盒輸出電壓不得超過(guò)量程的90%，對于±2 V的量程，當電壓讀數超過(guò)±1 800 mV時(shí)，需通過(guò)步進(jìn)電機進(jìn)行調零。若通過(guò)軟件操作無(wú)法完成調零，可能是齒輪卡死或脫開(kāi)，也可能是步進(jìn)電機損壞或供電故障。具體解決措施如下。

(1) 齒輪卡死或脫開(kāi)時(shí)，通過(guò)調節電機上的螺絲及齒輪位置進(jìn)行修復(見(jiàn)圖9)。具體操作步驟為：網(wǎng)頁(yè)上點(diǎn)擊“自動(dòng)調零”，進(jìn)山洞觀(guān)察軸①(以下數字均代表圖9中的配件)馬達是否轉動(dòng)，若轉動(dòng)，檢查軸①是否帶動(dòng)齒輪②轉動(dòng)，若齒輪②不轉動(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轉動(dòng)，無(wú)轉動(dòng)則判定齒輪②和齒輪④間距變大而脫開(kāi)；
松動(dòng)固定馬達的3個(gè)螺絲，使齒輪②和④間距變小即可；
若正常轉動(dòng)，檢查齒輪④是否帶動(dòng)軸⑤轉動(dòng)，若不轉動(dòng)，擰緊固定齒輪④的螺絲即可；
若正常轉動(dòng)，檢查軸⑤是否帶動(dòng)齒輪⑥轉動(dòng)，即查看軸⑤和齒輪⑥是否嚙合，若未嚙合，軸⑤轉動(dòng)而齒輪⑥不轉動(dòng)，需松開(kāi)⑦，把⑧往下方靠，使得軸⑤和齒輪⑥靠近，擰緊⑦；
若軸⑤無(wú)轉動(dòng)，可能是軸⑤和齒輪⑥卡得太緊，需松開(kāi)⑦，將軸⑤和齒輪⑥分開(kāi)即可。

圖9 調零電機圖Fig.9 Diagram of zero-adjustment motor

(2) 步進(jìn)電機損壞時(shí)，使用萬(wàn)用表測量電機阻值，在30 Ω左右則正常，遠高于30 Ω則為內部斷路，遠低于30 Ω則是內部短路，需對內部線(xiàn)路進(jìn)行修復或更換新的調零電機[4]。

(3) 步進(jìn)電機供電故障表現為供電線(xiàn)路斷路或供電芯片損壞時(shí)，造成電機無(wú)法正常工作，需對供電線(xiàn)路進(jìn)行檢查判斷有無(wú)斷路、虛焊等問(wèn)題，并測量供電芯片是否為5 V直流，再根據具體的故障情況，選擇電路修復或更換供電芯片。

3.4 信號引絲或懸絲斷裂

信號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，故障表現為擺體無(wú)輸出信號，數據曲線(xiàn)為直線(xiàn)，解決辦法為更換信號引絲或懸絲。

3.5 外界強電干擾

儀器受外界強電干擾或出現靜電時(shí)，觀(guān)測數據出現毛刺，將儀器外殼接地即可解決。

通過(guò)對VP傾斜儀典型故障進(jìn)行梳理和總結，針對典型故障提出相應的解決措施，確保儀器的正常運行。上述的儀器維護經(jīng)驗在提高觀(guān)測數據的連續率、完整率和內在質(zhì)量方面有一定的作用，同時(shí)也可為其他臺站解決類(lèi)似故障問(wèn)題提供參考。