臨汾站寬頻帶傾斜儀故障處理與維護(hù)

吝利民,張聰聰,荊紅亮,靳寶萍,郭國祥

(1.山西省地震局臨汾地震監(jiān)測(cè)中心站,山西 臨汾 041000;2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,山西 太原 030025)

0 引言

寬頻帶傾斜儀是記錄由天體相互作用力引起的地傾斜固體潮變化的地球物理觀測(cè)設(shè)備[1],是進(jìn)行地球物理觀測(cè)的重要手段之一。由于其具有實(shí)用性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn),在地震系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用[2-3]。寬頻帶傾斜儀在垂直擺傾斜儀的基礎(chǔ)上研發(fā),數(shù)據(jù)采集器的采樣率由原先的分鐘采樣提高為秒采樣,可以有效捕獲更多的地球物理信號(hào)。寬頻帶傾斜儀的穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)產(chǎn)出對(duì)地震監(jiān)測(cè)工作起著一定的作用,因此,保障寬頻帶傾斜儀正常運(yùn)行尤為重要。臨汾地震監(jiān)測(cè)中心站寬頻帶傾斜儀的長期穩(wěn)定運(yùn)行為地球物理觀測(cè)提供大量可靠觀測(cè)數(shù)據(jù)的同時(shí),其運(yùn)維人員也積累了大量的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)[4-5]。

1 寬頻帶傾斜儀工作原理

寬頻帶傾斜儀主要由垂直擺擺系、電源系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四部分構(gòu)成[6]。其中,垂直擺擺系主要由擺桿、柔絲、主體支架、調(diào)零裝置、鎖擺裝置、底盤組成,垂直擺機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 寬頻帶傾斜儀機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Mechanical struture of the wide-band inclinometer

寬頻帶傾斜儀由高強(qiáng)度合金柔絲將擺體垂直懸掛起來,在無震動(dòng)時(shí)處于鉛錘狀態(tài),當(dāng)?shù)孛姘l(fā)生傾斜變化時(shí),柔絲懸掛的動(dòng)片會(huì)隨著地傾斜變化而發(fā)生改變,導(dǎo)致動(dòng)片與定片間的相對(duì)位置發(fā)生變化,儀器將這種相對(duì)位置變化通過高精度的電容式差分式電容傳感器(三片式電容器)將這種微小的電壓變化記錄下來,再通過一系列的信號(hào)放大裝置,將信號(hào)記錄到數(shù)據(jù)采集器中,最后數(shù)采對(duì)信號(hào)進(jìn)行整理,還原地傾斜固體潮變化情況[7],電容傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電容傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of capacitance sensor

圖3所示的校準(zhǔn)平臺(tái)通過利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)產(chǎn)生微形變來模擬實(shí)際微小形變量[8-10]。為保障寬頻帶傾斜儀的正常運(yùn)行,每半年進(jìn)行一次格值校準(zhǔn),給定一個(gè)格值,讓儀器在測(cè)量物理量與采集量之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。當(dāng)格值出現(xiàn)錯(cuò)誤后,導(dǎo)致記錄的數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差,嚴(yán)重影響觀測(cè)質(zhì)量。

圖3 標(biāo)定平臺(tái)示意圖Fig.3 Sketch of calibration platform

2 儀器常見故障處理流程

寬頻帶傾斜儀觀測(cè)系統(tǒng)由四部分構(gòu)成,工作原理為用垂直于地面懸掛的擺系來監(jiān)測(cè)地傾斜的變化狀況,高精度的電容式微位移傳感器,把這種變化轉(zhuǎn)化為微弱電信號(hào),通過放大、整形、同步檢波、濾波等模擬電路,將微弱電信號(hào)進(jìn)行處理,由數(shù)據(jù)采集器記錄整理,還原實(shí)際的地傾斜變化狀況。寬頻帶傾斜儀常見故障有三類:第一類是控制功能性故障,主要有調(diào)零故障和標(biāo)定故障;第二類是信號(hào)調(diào)理故障,主要表現(xiàn)為觀測(cè)數(shù)據(jù)背景噪聲大、突跳、臺(tái)階、畸變、無固體潮等;第三類是網(wǎng)絡(luò)故障。故障排查流程如圖4所示。

圖4 寬頻帶傾斜儀故障排查流程圖Fig.4 Troubleshooting process for wide-band inclinometer

2.1 控制功能性故障

(1) 調(diào)零系統(tǒng)故障。

當(dāng)傳感器輸出信號(hào)的大小超出數(shù)據(jù)采集器記錄范圍時(shí),數(shù)采將無法記錄傳感器信號(hào),需要對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)零操作。寬頻帶傾斜儀具有自動(dòng)調(diào)零的功能,當(dāng)需要調(diào)零時(shí),可以通過儀器主機(jī)頁面對(duì)儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)零。當(dāng)多次進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)零而儀器無響應(yīng)時(shí),應(yīng)檢查調(diào)零電路板的電壓和供電線路,確認(rèn)供電電壓是否正常,供電線路是否存在虛接等現(xiàn)象,排除上述故障后,檢查調(diào)零裝置及馬達(dá)是否出現(xiàn)故障。檢查步驟為:將前置放大盒中的調(diào)零接線柱短路,若馬達(dá)未能發(fā)出聲音且不能正常調(diào)零,初步判定調(diào)零馬達(dá)或馬達(dá)控制芯片出現(xiàn)故障;在更換馬達(dá)或馬達(dá)控制芯片后,如果聽到馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)聲音,但調(diào)零仍然出現(xiàn)故障,判定可能是調(diào)零底腳螺絲太緊或者太松,反復(fù)調(diào)整至合適位置,確保其平穩(wěn)運(yùn)行。

(2) 標(biāo)定系統(tǒng)故障。

儀器每年進(jìn)行2次格值校準(zhǔn),選擇在小潮期間,波形曲線處于波峰或者波谷時(shí)進(jìn)行。如果多次進(jìn)行遠(yuǎn)程校準(zhǔn),儀器未響應(yīng)或標(biāo)定波形異常,判定為標(biāo)定系統(tǒng)故障。故障排查步驟為:首先檢查數(shù)據(jù)采集器的標(biāo)定功能及標(biāo)定線進(jìn)入山洞后是否有標(biāo)定電壓;若標(biāo)定功能正常且有標(biāo)定電壓輸出,待校準(zhǔn)結(jié)束后查看校準(zhǔn)波形,若校準(zhǔn)波形幅度略小于正常校準(zhǔn)波形幅度,可能是因長時(shí)間不校準(zhǔn)導(dǎo)致,可再次進(jìn)行校準(zhǔn),直到符合規(guī)范要求;若校準(zhǔn)波形幅度與正常校準(zhǔn)波形幅度明顯不同,需對(duì)標(biāo)定線路、標(biāo)定信號(hào)進(jìn)行檢查;檢查標(biāo)定線路是否存在虛接、電子元件是否正常工作,同時(shí)可以對(duì)存在故障的電子元件LM336進(jìn)行更換。

2.2 信號(hào)系統(tǒng)故障

信號(hào)系統(tǒng)故障主要有四類:第一類是供電故障。首先確保寬頻帶傾斜儀供電電壓正常,采用直流12 V或直流15 V,或者交流100～240 V供電電壓。當(dāng)供電電壓異常時(shí),先確保臺(tái)站UPS是否正常供電,再測(cè)量電源模塊中輸出電壓是否符合規(guī)范要求,進(jìn)而對(duì)故障進(jìn)行判斷和處理。第二類是信號(hào)放大裝置故障。信號(hào)放大裝置的作用是將電容板定片與動(dòng)片之間的相對(duì)位置信息通過放大、濾波、整形等信號(hào)調(diào)理[1],將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),并傳輸給數(shù)據(jù)采集器。信號(hào)放大裝置故障會(huì)導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤。當(dāng)其出現(xiàn)故障時(shí),先拆開并檢查電路,更換容易出現(xiàn)故障的電子元件,如果故障仍不能解決,考慮更換信號(hào)放大裝置。第三類是電容動(dòng)片位置偏離。當(dāng)差分式電容傳感器(三片式電容器)中的電容動(dòng)片位置偏移中心位置時(shí),導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)異常且調(diào)零或者標(biāo)定不能正常進(jìn)行。用手電筒照射擺體正上方,查看電容動(dòng)片的相對(duì)位置,使用螺絲刀等對(duì)電容動(dòng)片進(jìn)行微調(diào),將其置于兩個(gè)電容定片的正中間位置。第四類是擺體受潮。在個(gè)別濕度較大的山洞容易出現(xiàn)此類故障,導(dǎo)致記錄的電壓信號(hào)出現(xiàn)偏差,此時(shí)需要對(duì)擺體進(jìn)行除潮處理。

2.3 網(wǎng)絡(luò)故障

網(wǎng)絡(luò)故障主要分為三類:第一類是本地交換機(jī)故障。臺(tái)站一般都是多套儀器共用交換機(jī),交換機(jī)出現(xiàn)故障時(shí),通過交換機(jī)連接的所有儀器都無法連接網(wǎng)絡(luò)。第二類是網(wǎng)線接口松動(dòng)。一般是由于維修過程中維修人員不小心觸碰網(wǎng)線接口導(dǎo)致,重新插拔網(wǎng)線即可。第三類是網(wǎng)卡故障。維修人員在維修儀器時(shí)觸碰網(wǎng)卡,導(dǎo)致松動(dòng),重新插拔即可。

3 典型故障分析及處置

3.1 供電電源故障

2022年6月3日臨汾站寬頻帶傾斜儀南北向零漂超限,工作人員對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)零處置失敗,重啟儀器后東西向觀測(cè)數(shù)據(jù)也出現(xiàn)錯(cuò)誤,兩分量觀測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)出現(xiàn)無潮汐形態(tài)(見圖5)。

圖5 寬頻帶傾斜儀原始觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線Fig.5 Original observation data curve of wide-band inclinometer

出現(xiàn)該故障后,工作人員到山洞進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn),東西向和北南向調(diào)零盒上的顯示面板均無數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采集器面板上有錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。兩個(gè)測(cè)項(xiàng)的調(diào)零盒同時(shí)無數(shù)據(jù)顯示,調(diào)零盒本身故障的概率很小,同時(shí)出現(xiàn)故障的概率也較低,初步判定電源故障的可能性較大。供電故障有兩種可能性:一是供電線路問題,二是供電電源問題。

首先檢查主機(jī)到傳感器之間的供電線路。拆除供電線路接口,短接線路兩頭,用萬用表進(jìn)行導(dǎo)通測(cè)試,發(fā)現(xiàn)線路正常,排除供電線路故障。打開主機(jī)檢查供電模塊,使用萬用表測(cè)量傳感器供電電源,正常狀態(tài)時(shí)V1=5 V,V2=12 V,V3=-12 V,通過測(cè)量發(fā)現(xiàn)V2為10 V,其余電壓正常。故障原因?yàn)楣╇娔K電壓過低,造成調(diào)零盒顯示器不亮。更換+12 V的電源模塊后,調(diào)零盒顯示恢復(fù)正常。

3.2 調(diào)零故障

2022年6月4日供電故障維修后,供電恢復(fù)正常,但無法對(duì)其進(jìn)行調(diào)零處置,主要表現(xiàn)為調(diào)零命令發(fā)出后調(diào)零電機(jī)一直運(yùn)轉(zhuǎn),無法自行停止,初步推斷為調(diào)零控制電路故障,對(duì)調(diào)零信息不能及時(shí)反饋所致。更換調(diào)零電路板上的TL084和LM356控制芯片后,調(diào)零成功,觀測(cè)數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

上述供電電源和調(diào)零故障具有一定的內(nèi)在聯(lián)系,當(dāng)遠(yuǎn)程調(diào)零命令發(fā)出后,調(diào)零裝置開始運(yùn)行,馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)開始調(diào)零,此時(shí)調(diào)零控制芯片發(fā)生故障,無法將調(diào)零信息及時(shí)反饋馬達(dá),使馬達(dá)無法停止,長時(shí)間給馬達(dá)供電,引起供電模塊部分燒壞,無法提供正常的供電電壓,導(dǎo)致雙向前置放大盒出現(xiàn)故障,造成調(diào)零盒顯示面板無數(shù)據(jù)。

3.3 低通濾波芯片故障

2022年12月2日寬頻帶傾斜儀東西分量出現(xiàn)高頻抖動(dòng)及觀測(cè)曲線噪聲明顯增大,發(fā)現(xiàn)問題后觀測(cè)人員進(jìn)山洞對(duì)儀器進(jìn)行檢修。由于觀測(cè)環(huán)境未發(fā)現(xiàn)明顯變化且北南分量觀測(cè)數(shù)據(jù)正常,分析認(rèn)為是東西分量故障(見圖6)。

圖6 寬頻帶傾斜儀預(yù)處理數(shù)據(jù)曲線Fig.6 Preprocessing data curve of wide-band inclinometer

首先打開東西分量前置放大盒,通過萬用表檢查發(fā)現(xiàn)供電穩(wěn)定,電壓芯片輸出穩(wěn)定,排除線路和電源故障,初步認(rèn)為可能是低通濾波芯片故障。更換低通濾波芯片后,高頻抖動(dòng)現(xiàn)象消失。

3.4 網(wǎng)絡(luò)故障

查看儀器工作狀態(tài)是否正常、觀測(cè)數(shù)據(jù)是否可以正常采集入庫是每日巡檢的項(xiàng)目。2022年12月4日在維修結(jié)束后發(fā)現(xiàn)儀器不能正常連接網(wǎng)絡(luò),路由器指示燈斷續(xù)閃爍,網(wǎng)線接口未出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象。

首先更換網(wǎng)線,故障仍然存在,認(rèn)為可能是數(shù)據(jù)采集器中的網(wǎng)卡故障;然后打開數(shù)據(jù)采集器,檢查網(wǎng)卡接口時(shí),發(fā)現(xiàn)網(wǎng)卡接口松動(dòng),重新插拔網(wǎng)卡后,故障得到解決。

4 結(jié)語

由于儀器故障種類較多,為保障觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)、可靠,需要維修人員了解儀器的工作原理,掌握最基本的故障排除方法。總結(jié)臨汾站寬頻帶傾斜儀運(yùn)維工作,得出以下經(jīng)驗(yàn):

(1) 當(dāng)主機(jī)面板顯示正常,調(diào)零盒雙向同時(shí)數(shù)據(jù)不顯示時(shí),首先考慮供電模塊能否提供有效電壓。

(2) 當(dāng)遠(yuǎn)程操作無法調(diào)零時(shí),首先考慮調(diào)零馬達(dá)故障或馬達(dá)控制芯片故障,在調(diào)零信號(hào)發(fā)出后,馬達(dá)不轉(zhuǎn)動(dòng),則大概率為馬達(dá)故障;馬達(dá)可正常轉(zhuǎn)動(dòng),則考慮馬達(dá)控制芯片故障。

(3) 曲線背景噪聲大、數(shù)據(jù)突跳時(shí),在確認(rèn)觀測(cè)環(huán)境未發(fā)生明顯改變的前提下,首先考慮低通濾波芯片故障。

(4) 在每次維修儀器后,要檢查儀器網(wǎng)絡(luò)是否暢通,觀測(cè)數(shù)據(jù)是否可以正常采集入庫。