莆田地震臺銦瓦棒伸縮儀故障分析及維修技術研究

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形變觀測儀器SS-Y型銦瓦棒伸縮儀近幾年來的故障，從電源、主機、傳感器、線路故障等幾個方面對故障進行整理、分類、統計。通過故障的表現形式分析故障原因，整理出不同故障曲線形態產生的原因。總結莆田地震臺維修經驗，結合其他臺站經驗，針對不同故障給出維修方案，可為其他相關地震臺站提供借鑒。

關鍵詞：形變觀測儀器；SS-Y型銦瓦棒伸縮儀；故障維修；故障排查；傳感器

中圖分類號：P315.7? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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

我國自1966年邢臺地震后，地震預報事業開始起步。1998年中國地震局地震研究所，研發出了新型的應變觀測儀——SS-Y型銦瓦棒伸縮儀，經過30多年的發展SS-Y型伸縮儀為地震預報分析積累了大量的寶貴資料。

1? 莆田地震臺銦瓦棒伸縮儀安裝概況

福建省地震局莆田地震臺（以下簡稱“我臺”）伸縮儀采用中國地震局武漢地震儀器研究所研制的SS-Y型銦瓦棒伸縮儀（簡稱“SS-Y伸縮儀”），配套進行洞溫輔助觀測。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年通過驗收并正式運行。

2? SS-Y型銦瓦棒伸縮儀運行情況

我臺SS-Y伸縮儀2014年8月正式運行以來，儀器運行穩定，數據產出可靠。伸縮儀記錄的日變固體潮波形清晰，3個分量年變趨勢較明顯。東西分量漂移量較大，這與儀器安裝后，北南分量一直在進行故障排查試驗、電源線路檢修和多次更換儀器元件有關。

以我臺SS-Y伸縮儀的故障維修維護為研究對象，系統分析伸縮儀的常見故障及原因，主要存在以下5個故障問題：①傳感器故障干擾；②前置避雷器干擾問題；③前置放大器受潮干擾與故障；④標定中出現的問題；⑤伸縮儀和水管儀線路故障維修時互相干擾。

3? 故障排查及解決

3.1? 傳感器故障

我臺SS-Y伸縮儀自2014年1月23日觀測以來，該儀器3個分量均有固體潮不定期畸變現象發生，觀測數據抖動并無明顯規律。常在固體潮曲線正常的情況下突發突跳現象，使原本正常的曲線形態嚴重偏離甚至處于超限狀態，并在較短時間內恢復雜亂無章的固體潮形態，如圖1所示，3個不同時期的不同分量輸出的分鐘數據都有明顯的共同特征（固體潮日變在正常條件下毫無征兆的產生突跳并嚴重偏離曲線固有形態，而后形成無波峰、無波谷短時無規律的曲線走勢）。我臺工作人員對環境干擾、線路干擾、前置放大器干擾進行排查。對發生曲線偏離的分量測向進行伸縮儀傳感器更換。更換后的分量測向固體潮形態恢復正常，日變規律明顯清晰。通過更換傳感器的途徑來解決這個問題。

3.2? 前置避雷器故障

SS-Y伸縮儀儀器在正式并網運行后即產生較為穩定可靠的數據，固體潮曲線在相當長的時間里波形光滑，日變形態清晰，即使在第三分量（其他分量）安裝施工過程中，其他2個分量亦能產生連續穩定的數據。至2017年10月，東西分量數據曲線開始無固定時間出現畸變的情況（圖2），且發現EW向曲線相對較粗。漂移較大，數據突跳情況時有發生。而在同一時間里，北南分量與其他分量固體潮曲線清晰正常。開始階段，臺站維修人員觀察固體潮畸變規律，結合伸縮儀電源不穩定導致的固體潮畸變情況，總結出EW向的曲線畸變是由于電源不穩所造成的結論。

此現象持續接近一個月的時間后，維護人員認為若是電源不穩定導致此種固體潮畸變，不可能有在這么長的時間里只對EW向固體潮產生干擾，而其他2個分量正常的情況。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線接觸問題。對儀器室至山洞伸縮儀裝置的電源外線路進行仔細地檢查，萬用表測量主機后面板EW向信號接線的電壓值變化，對EW向信號線與航空頭的接觸進行加緊處理。觀察幾小時后，發現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接觸不良導致。②排除記錄主機及數采器故障。將主機后面板NS、EW兩方向信號接線對換，以檢驗是否主機及數采控制器的故障，若記錄曲線仍然較粗，并依然有突跳情況。說明主機及數據采集器正常，曲線畸變偶有突跳的現象與儀器室伸縮儀儀器無關。③排除傳感器故障。更換了傳感器探頭，情況依舊沒有改觀，則舊傳感器無故障。④伸縮儀前置避雷器，由于我臺SS-Y伸縮儀在形變觀測儀器安裝后對新山洞進行防雷改造，以在雷雨的天氣里起到減弱雷電對觀測儀器造成的損害。2017年12月18日維修人員對EW向前置避雷器進行拆除處理，之后我臺伸縮儀東西分量數據曲線回歸清晰正常狀態。2018年12月下旬開始，我臺SS-Y伸縮儀北南分量觀測數據也出現了固體潮畸變伴有突跳且數據曲線明顯加粗的現象，2019年1月12日拆除NS向前置避雷器，1月13日之后產出的數據回歸正常。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定所造成的。

3.3? 前置放大器受潮以及故障

我臺SS-Y伸縮儀產出的數據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時間較長且無超限情況發生，尤其是北南分量與東西分量曲線長時間畸變狀況比較多，其他分量曲線受到干擾較少。我臺伸縮儀北南、東西兩分量數據出現多次曲線在較長時間內密集畸變，導致這段時間內固體潮日變形態不定期畸變（圖3），產出的數據漂移量較大。2017年8月2日、2018年10月8日針對此噪聲現象采取措施，打開SS-Y伸縮儀前置放大盒，發現前置放大器內部均有輕微潮濕情況，于是在前置放大盒內放入干燥劑并使用小功率型吹風機對其進行除濕與干燥處理。除濕干燥處理后的1—2日內數采采集到的數據產出均歸于正常，固體潮波形光滑、日變形態恢復正常。因此歸納出此類長時期曲線畸變是由于前置放大器受潮造成。放大器故障表現形式（圖4）：固體潮曲線正常的情況下突發突跳現象，使原本正常的曲線形態處于超限狀態，并在短時間內徘徊在正常與超限極端狀態下。我臺維修人員進洞運用萬用表對伸縮儀前置放大器各元器件端口進行電壓輸出與輸入值測量，發現某些電壓值與正常狀態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SS-Y伸縮儀進行前置放大器更換操作，更換后數分鐘內數采采集到的數據產出均歸于正常，因此歸納出此類極短時間內曲線超限，且曲線在觀察期內無法恢復正常的現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據干擾情況，是因我臺處于福建沿海及洞體處于很深的位置，氣候較潮濕，加上臺風天氣的侵蝕，且受到洞口蓄水井濕氣的影響較大，導致山洞內的觀測儀器裝置極容易受潮，特別是對前置放大器潛移默化的干擾。利用小功率吹風機除濕與放入干燥劑能很大程度上起到作用。

3.4? 標定中出現的問題

SS-Y伸縮儀檢定器是依據斜楔塊原理產生微位移，2017年6月15日，我臺SS-Y伸縮儀進行例行標定檢查，第一次標定時3個分量重復性精度都不理想，結果和正常標定結果有相差（表1）。重復性精度大于1%，正常時北南分量|ΔU|應該在2 168 mV左右，電壓靈敏度為59.57 mV/μm，但是本次標定這2個指標都略小于正常值，而且標定重復性精度為2%。于是根據經驗認定這種情況是由于儀器標定裝置長時間不工作，運動不順暢所致，手動活動下標定裝置后再次標定，結果符合要求。

2018年12月13日，在東西分量的標定過程中同樣出現了連續標定2次后仍然不合格的情況（表2）。東西分量|ΔU|只為0.19 mV，且標定重復性精度達到164.71%。對于這種標定產生的誤差結果，我臺維修人員首先進洞檢查了儀器標定器的測微頭位置、鐵芯位置，檢查了彈性連軸的運動是否順暢，結果一切正常。之后我們檢查了前置放大器的輸入電壓和儀器數采的接線柱電壓，經檢查萬用表顯示電壓值與數采顯示數值基本相同。為了進一步排除主機和數采的問題，對換了主機上不同分量的標定控制線，經檢查，存在問題的還是原來的分量。初步聯系標定原理進行分析。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。

根據上面的分析，我臺維修人員進洞打開標定器，結果發現標定器內部潤滑油已很少且臟以及標定裝置周圍大面積生銹，用手滑動楔塊運動性尚可，但依靠標定電動機完成自動標定已然不可能推動。我們對標定器內部用脫脂棉進行了酒精擦試清潔，然后倒入新的潤滑油，重新安裝好標定器，再次進行標定，結果合格。分析造成潤滑油較快蒸發、標定裝置生銹的原因：①我臺伸縮儀標定裝置工作時間較長而較少更換潤滑油，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，潤滑油蒸發的相對較快。②我臺處于福建沿海及洞體處于很深的位置，氣候很潮濕，加上臺風天氣的侵蝕導致山洞內的觀測儀器裝置極容易受潮，造成標定設備生銹。通過這次的儀器標定過程，總結出伸縮儀標定裝置在日常維護中應該勤“加油”（加潤滑油）、勤“洗澡”（酒精擦拭）。

注意事項：檢定器是高精密的機械裝置，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（一般可用縫紉機油），試檢定2～3次后，再正式檢定3次，確認重復性良好后，再進行格值計算，否則格值就會產生較大的偏差。格值偏差較大時，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互相干擾

由于我臺形變觀測洞室內DSQ水管儀和SS-Y伸縮儀是同場地平行布設，這導致了當檢查、維修、調零、標定其中任何一套觀測儀器過程中都會對其另一套儀器造成較大干擾。特別是我臺觀測洞室緊靠于莆田市人防山洞，而人防山洞抽水口就設于我臺觀測洞室的前門口，僅隔2道密封門。人防山洞抽水井的不定期運作對我臺洞室內的觀測儀器造成很大影響，特別是DSQ水管儀由于設備靈敏度較高，抽水影響引發的儀器零漂的情況較多。臺站工作人員經常需要進洞對DSQ水管儀進行調零操作處理，這勢必對SS-Y伸縮儀的產出數據造成不小的干擾。因同槽平行布設的水管儀北南、東西端儀器超限，工作人員進洞對其進行調零處理。導致同時段的伸縮儀的3個分量數據輸出都有曲線突跳的現象，只能在中國地震前兆臺網數據處理系統中對其3個分量數據做缺數處理，這在很大程度上影響伸縮儀觀測資料的連續、準確、可靠、完整性。

4? 結束語

個人總結儀器維修一般思路：①觀察法。查看儀器設備指示燈，測量電壓值。②電路原理分析法。對電路原理進行分析，推測故障位置。③從曲線判斷故障法。通過觀測曲線的異常判斷故障情況。④對比替換法。通過更換正常配件進行判斷故障。

我臺SS-Y伸縮儀自2014年8月正式運行至今，運行已有9年多時間，其伸縮儀儀器及數據采集器工作狀態良好，整套前兆觀測系統數據產出可靠穩定。本文以莆田地震臺銦瓦棒伸縮儀的故障維修維護為研究對象，系統分析伸縮儀的常見故障及原因，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。作為專業的地震工作人員，需要密切關注觀測儀器的運行狀況，努力做好觀測手段的跟蹤與分析工作。通過總結、分析提高維修能力、縮短維修時間，進一步提升觀測數據的連續可靠。努力讓研究成果能應用到福建省SS-Y銦瓦棒伸縮運行過程的日常維護及儀器維修中，在儀器出現各種故障時，通過查找故障原因，探討了解決問題的辦法，希望能給其他臺站提供相關的經驗與參考。

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