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.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

VP型垂直擺傾斜儀(以下簡稱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測設備，該儀器是近年來由中國地震局地震研究所，在VS擺式傾斜儀基礎上研發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、觀測精度、靈敏度及抗干擾能力方面具有顯著優勢。

忻州地震監則中心站(以下簡稱忻州站)于2012年初安裝VP傾斜儀，2013年1月1日正式入網。儀器安裝初期存在機械漂移現象，運行一段時間后，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行分析，提出運維改進措施，為臺站儀器維護人員進行故障處理提供借鑒，為產出完整率高、可靠性強的地形變觀測數據服務。

1.1 臺站地理位置及地質條件

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，南部以石嶺關橫向隆起與太原盆地分開，自北向南由代縣、原平、定襄3個凹陷組成，歷史上曾發生過3次7級以上地震。

1.2 垂直擺測點

垂直擺測點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測室內，距離洞口約32 m，有3道船艙門密封(未澆筑水泥)。觀測基墩建在基巖之上，長2 m，寬1.2 m(見圖1)。

圖1 代縣地震臺山洞測點分布圖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：擺體內動片在未受外力作用時處于鉛錘狀態，當地面在潮汐、地震、振動等作用下發生傾斜變化時，動片與定片之間相對位置發生改變[3]，相對偏移量轉換成電信號輸出，經過放大、整形、濾波等電路進行信號調理，傳輸到數據采集器[4](見圖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(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，動片與前置放大器由直徑為0.001 mm 的鎢絲進行連接[5]。若山洞長期處于潮濕狀態，潮氣進入擺體內部，擺系信號引絲受潮引起數據曲線固體潮畸變。

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，曲線持續向南漂移，并伴有小幅突跳、畸變；
EW分量固體潮形態正常(見第41頁圖5)。維護人員通過排查，發現供電線路、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。開擺后發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分量固體潮曲線恢復正常(見第41頁圖6)。

圖5 2020年9月1日至2日VP傾斜儀固體潮曲線圖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片和定片之間產生的微弱位移量電信號進行調理。放大板發生故障時，會造成前置放大電路無信號輸出或輸出錯誤信號，表現為數據曲線無固體潮或出現無規律突跳、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，觀測曲線無固體潮，多次產生較大幅度的臺階，同震響應模糊。維護人員在確認放大盒故障后，通過更換放大盒內部元件，曲線形態恢復正常，能記錄到清晰的同震響應(見第41頁圖7、圖8)。

圖6 2020年9月11日-14日VP傾斜儀固體潮曲線圖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

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

(1) 齒輪卡死或脫開時，通過調節電機上的螺絲及齒輪位置進行修復(見圖9)。具體操作步驟為：網頁上點擊“自動調零”，進山洞觀察軸①(以下數字均代表圖9中的配件)馬達是否轉動，若轉動，檢查軸①是否帶動齒輪②轉動，若齒輪②不轉動，檢查③處螺絲是否松動；
以上均正常時，檢查齒輪②是否帶動齒輪④轉動，無轉動則判定齒輪②和齒輪④間距變大而脫開；
松動固定馬達的3個螺絲，使齒輪②和④間距變小即可；
若正常轉動，檢查齒輪④是否帶動軸⑤轉動，若不轉動，擰緊固定齒輪④的螺絲即可；
若正常轉動，檢查軸⑤是否帶動齒輪⑥轉動，即查看軸⑤和齒輪⑥是否嚙合，若未嚙合，軸⑤轉動而齒輪⑥不轉動，需松開⑦，把⑧往下方靠，使得軸⑤和齒輪⑥靠近，擰緊⑦；
若軸⑤無轉動，可能是軸⑤和齒輪⑥卡得太緊，需松開⑦，將軸⑤和齒輪⑥分開即可。

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

(2) 步進電機損壞時，使用萬用表測量電機阻值，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，需對內部線路進行修復或更換新的調零電機[4]。

(3) 步進電機供電故障表現為供電線路斷路或供電芯片損壞時，造成電機無法正常工作，需對供電線路進行檢查判斷有無斷路、虛焊等問題，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，可能發生斷裂，故障表現為擺體無輸出信號，數據曲線為直線，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，觀測數據出現毛刺，將儀器外殼接地即可解決。

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