長汀地震臺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測中心站，福建龍巖 364000）

0 引言

VP 寬頻帶傾斜儀是中國地震局地震研究所在VS 型垂直擺傾斜儀的基礎上研發的一款新型地傾斜觀測儀器，是記錄傾斜固體潮地形變的觀測設備[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，擺在沒有振動的條件下處于鉛垂狀態，當由于振動發生傾斜變化時，擺平衡位置發生變化，擺和支架之間的相對位置發生變化，電容式位移傳感器的動片和定片之間的間距也相應的發生變化，通過傳感器將這種變化轉換成電信號，從而達到固體潮觀測的目的。VP 寬頻帶傾斜儀通過計算機網絡登錄儀器運行界面對儀器實現遠程調零，大大減少了人員出入山洞調零對儀器帶來的影響。由于VP 寬頻帶傾斜儀長期運行，調零螺桿與底腳螺母間可能存在灰塵或出現有細小沙粒，使得調零螺桿與螺母間阻力增大，岀現卡死現象，使得電機無法帶動齒輪轉動，過載而燒壞；或因雷電引起的瞬間大電流造成儀器調零模塊芯片損壞；或觀測山洞潮濕度過大，出現調零電路失靈、傳感器故障、儀器輸出零漂甚至靠擺等常見故障現象。如何對這些故障原因進行準確判斷并快速處理，使儀器很快恢復正常工作，是本文著重要討論的問題。

1 常見故障分析與處理

1.1 調零電路故障

觀測山洞內VP 儀器室是一個相對溫濕度穩定的封閉環境，當觀測人員進洞室內檢查儀器、調零、標定儀器等都會在洞室內來回走動、開關門等，破壞了洞室原有的封閉環境，造成氣流變化，負荷變化，這些都會對觀測儀器造成干擾[2]。VP 寬頻帶傾斜儀最大的特點是實現通過網絡完成遠程調零，大大減少了因人員進洞對儀器帶來的影響。當某一分量輸出偏移即將限幅或已達限幅時，需遠程登錄儀器界面通過調零功能對該分量進行調零，若啟動遠程調零對該分量發出指令后，對應分量記錄數值保持不變，說明該分量調零出現故障。由于電機采用5 V 直流供電，當電機驅動芯片或電源線存在故障或接觸不良時，可能導致調零電機不能正常工作[3]（圖1）。2018年4月27日3 時左右開始，臺站VP 寬頻帶傾斜儀的北南分量出現調零失靈故障。

圖1 2018年4月19日VP 寬頻帶傾斜儀調零故障Fig.1 Zeroing fault of VP broadband tiltmeter on April 19，2018

檢查排除故障步驟：首先，進入觀測室內對儀器調零模塊檢查，儀器在超量程狀態下，短接接頭啟動調零操作，再用萬用表測量調零電路板上馬達兩端電壓。根據儀器調零原理，若測馬達兩端電壓值≥2 V，說明電路調零輸出正常，馬達前端電路部分亦正常；若電機不轉，表明電機可能已燒壞，更換新電機后，儀器可恢復正常。若馬達兩端電壓值＜2 V，說明輸出電壓過低無法啟動，問題可能是調零電路板上驅動芯片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采電路故障

雷電最大的危害是導致電壓、電流瞬時的升高，進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，建議在儀器主機前端的供電線路安裝避雷裝置并良好接地，當強雷電到來時，迅速切斷電源或快速泄流，從而保護儀器芯片免遭雷擊，防患于未然。

1.2.1 雷擊引起調零電路模塊芯片故障

強雷電往往會產生瞬間強電流，瞬間強電流一般都遠遠超過儀器的額定電流，從而導致儀器電源、數采或調零模塊芯片被擊壞。如：2021年8月3日，一場強雷電過后，長汀地震臺VP 寬頻帶傾斜儀主機顯示屏不亮，經萬用表測量檢查，主機輸出電壓值為0，初步判斷儀器供電電源遭雷擊損壞，更換新電源后，主機恢復正常，但儀器北南分量出現限幅偏移，對VP 寬頻帶傾斜儀北南分量啟動調零，對應分量記錄數值不變，通過遠程登錄儀器界面也無法調零。進入觀測室檢查發現電機一直在轉，原認為是調零螺桿與齒輪未充分接觸造成的，但充分接觸后，電機仍空轉不停。關閉主機電源，重新通電發現電機仍不停轉動，無法帶動齒輪，檢修更換芯片OP07CP，現象未變，最后更換芯片TL084CN 后，儀器恢復正常工作，說明雷擊使該芯片損壞（圖2）。

圖2 VP 寬頻帶傾斜儀調零板芯片故障Fig.2 Chip failure of VP broadband tiltmeter zero board

1.2.2 雷擊致使數采死機

VP 寬頻帶傾斜儀由主機數采與傳感器擺體組成。由于華東地區每年4—9月是雷雨季節頻發期，臺站附近一旦發生強雷電后，主機數采經常出現死機現象，造成原始數據缺數。

因為雷擊時，強雷電流信號通過各類線路感應或耦合直接影響數采，且當雷電流超出數采工作允許承載力時，過壓放電造成數采電路板芯片損壞或自身判斷供電電壓過高導致數采死機處于不工作狀態。

解決方法：重啟數采，可恢復儀器正常。由于雷電經常造成數采死機，需要及時發現死機故障，應要求臺站值班人員遇雷雨天氣后，及時登錄儀器界面，查看儀器是否正常或出現死機。若無法登錄儀器界面，初步判斷數采可能死機，就需要重啟數采恢復儀器正常（圖3a）；否則，若未能及時發現數采死機，就可能造成較長時間原始數據缺數（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分量傳感器相互獨立，當兩個分量同時故障時，應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零盒電源輸入端電壓±12 V 是否正常，正負偏差是否過大，再用萬用表測量主機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，2 和3 腳接地）。如果無±12 V 輸出或正負偏差過大，說明主機輸出電源故障；如果±12 V 正常，則檢查山洞觀測室調零盒輸入端±12 V 是否正常，接地線是否漏電。

2020年3月25日23:47 分開始，長汀地震臺VP 寬頻帶傾斜儀的兩分量觀測數據曲線形態基本一致（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，確認調零盒輸入±12 V 正常，最后VP 儀器恢復正常。

圖4 長汀地震臺2020年3月25—27日VP 寬頻帶傾斜儀數據曲線Fig.4 VP broadband tiltmeter curves of Changting seismic station from March 25 to 27，2020

1.4 數據曲線紊亂，無固體潮現象分析

2020年5月27日—6月1日長汀地震臺VP 儀器東西分量數據出現曲線紊亂，無固體潮形態。很大程度上說明VP 儀器的擺體部分出現了故障，導致無固體潮形態，數據曲線雜亂無章（圖5）。

圖5 2020年5月27日—6月1日長汀地震臺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，數據曲線嚴重畸變可得到解決，但未能解決出現重復臺階現象；更換傳感器擺系部件后，儀器恢復正常。

1.5 調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供電線路，當一個分量電路調零出現故障時，很可能會影響到另一分量的記錄數據。

2020年4月27—29日，長汀地震臺VP 寬頻帶傾斜儀出現北南分量調零板故障，引起東西分量觀測數據受其影響，也出現數據異常（圖6）。

因VP 寬頻帶傾斜儀北南、東西兩分量共用一個供電線路，當北南分量調零出現故障導致東西分量調零盒不正常，而產生錯誤數據。在更換北南分量調零板后，兩個分量不再相互影響，數據恢復正常。

1.6 VP 儀器出現靠擺現象分析

地震震級較大，震中距較遠，地震產生的面波周期與儀器自振周期接近時，共振效應極容易造成垂直擺發生粘擺或靠擺現象，導致中止記錄[5]。VP 寬頻帶傾斜儀屬于一種高精度固體潮觀測設備，儀器量程只有2″，對應動片前后擺動位移為2 μm 左右，其工作靈敏區間相當窄小，當傳感器動片超出該范圍后，儀器輸出就會超量程，儀器表現為不靈敏狀態，也就是儀器靠擺。圖7 為2017年12月21—22日長汀地震臺VP 寬頻帶傾斜儀北南分量因靠擺，數據曲線輸出直線。需要通過現場人工調零或遠程多次調零方式才能把儀器調節到線性靈敏工作區間，穩定后就能夠清晰記錄固體潮數據曲線。

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

通過對長汀地震臺VP 寬頻帶傾斜儀在運行中出現調零失靈、遭雷擊故障、數據曲線異常比較分析、調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，進行檢修總結，認為：

（1）VP 寬頻帶傾斜儀的調零故障判斷和雷擊引起故障處理相對簡單些，而數據曲線異常、調零板故障檢修、儀器靠擺問題處置的分析判斷與處理較為復雜，需要在長期的臺站日常儀器觀測與運行中，不斷摸索思考，遇到問題要認真比較分析，善于總結積累運維檢修經驗，才能根據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）提升臺站運維工作效率，確保儀器運行穩定性，是提高臺站數據內在質量，保證數據的連續性、可靠性，更好的為地震預測預報服務的重要基礎。

（3）臺站其他儀器運維工作，同樣需要我們去主動接觸問題，分析問題，解決問題，才能提高臺站各類儀器運維效率，確保儀器運行穩定性。

（4）建議所有接線改為拔插式公母插件，便于后期維護，也可避免因焊接不牢或虛焊而引起的數據畸變。