垂直摆倾斜仪故障分析及维修

林立峰，蔡佩蕊，陈珊桦，徐智明

（1.福建省地震局厦门地震台，福建 厦门361000；2.福建省地震局莆田地震台，福建 莆田351100；3．福建省地震局泉州地震台，福建 泉州362000）

垂直摆倾斜仪是用于地倾斜观测的仪器[1]，其摆系主要由摆体、柔丝和支架组成。摆体通过高强度柔性合金丝垂直于地面悬挂在地面的支架上，当地面由于潮汐发生形变时，垂直于地面的重摆和悬挂重摆之间的相对位置就会发生改变，通过高精度的电容式微位移传感器把这种角度变化转化为微弱的电信号，再把微弱的电信号通过一系列的放大、整形、同步检波、滤波等模拟电路进行处理，最后由数采记录整理，还原出实际的倾斜固体潮（见图1）。

图1 摆系仪器原理图

1 故障分析

近几年来，仪器出现的故障在备件齐全的情况下，台站均能够自主维修，使仪器尽快恢复观测。泉州综合台共有垂直摆倾斜仪3套，其中泉州地震台采用中国地震局武汉地震仪器研究所研制的VS型垂直摆倾斜仪，2014年4月安装，仪器运行至今泉州地震台累计故障13次，造成缺记1638小时。莆田地震台与厦门地震台垂直摆观测采用中国地震局武汉地震仪器研究所研制的VP型宽频带倾斜仪，厦门地震台垂直摆2013年12月安装仪器运行至今累计故障49次，造成缺记565.8小时；莆田地震台垂直摆2014年1月安装至今累计故障5次，造成缺记139小时。

通过对泉州综合台垂直摆倾斜仪近年来的故障进行系统分析，垂直摆倾斜仪的主要故障有供电故障、主机故障、数采故障、线路故障、传感器故障及调零装置故障。

1.1 供电故障

供电故障可分为两种类型，分别为UPS故障、市电故障。曲线上表现为缺记，供电恢复后曲线恢复正常，如莆田台宽频带倾斜仪2019年11月16日-17日因UPS故障导致缺记，采用交流供电后恢复正常。（见图2）

图2 UPS故障图

1.2 主机故障

VS垂直摆主机故障主要是电源板故障及前置放大板故障。

电源板故障的曲线表现形态为缺记、大幅畸变、阶跃、仪器主机读数与数采主机上不一致，且无法调零，解决方式为更换电源板或采用市场上的±12V电源供电。如泉州基准地震台VS垂直摆倾斜仪2018年8月4日由于VS主机电源板故障，数据曲线出现大幅畸变、阶跃，工作人员对仪器进行了检查，发现VS主机读数与数采主机上不一致，且无法调零，主机电源板只有正电压输出而没有负电压输出，认定该板电路故障，将VS主机拆下寄回厂家维修。主机修好寄回，工作人员将主机安装上后，恢复正常记录。（见图3）

图3 主机故障图

放大板故障的曲线表现形态为多次出现毛刺现象及高频干扰现象，解决方式为更换放大板上的芯片ICL7650或更换整块放大板，如泉州基准地震台VS垂直摆倾斜仪自2016年12月4日开始由于主机中北南向VS电路放大板故障，导致北南分量数据时常因仪器性能不稳定多次出现毛刺现象及高频干扰现象，更换了北南向放大板上的放大芯片，并焊接了北南向位移传感器输出端一处虚焊的焊点后，恢复正常日变形态。（见图4）

图4 放大板故障图

1.3 数采故障

数采故障的曲线表现形态为缺记或曲线无固体潮形态，解决方式为电源模块或更换数据采集板。如莆田台宽频带倾斜仪2019年9月7日因受雷击导致数采故障，更换数采后恢复正常。（见图5）

图5 数采故障图

1.4 线路故障

线路故障的曲线表现形态曲线出现短时间的无效数据和阶变或曲线噪声变大，解决方式为重新焊接或更换线路。如厦门台宽频带倾斜仪2016年10月30日开始固体潮曲线形态出现短时间的无效数据和阶变，整体的形态没有遭到破坏，厂家来人修理仪器，判定是仪器线路故障，重新焊接标定线路、调零线路、信号线、电源线路等，仪器恢复正常运行。（见图6）

图6 线路故障图

1.5 传感器故障

传感器故障主要是摆系故障、前置放大盒故障。

摆系故障的曲线表现形态为曲线的日变明显变小或出现超差限幅走直线、畸变、飘动等现象。解决方式为检查摆系更换钨丝。如厦门台宽频带倾斜仪2018年10月24日起观测曲线的日变明显变小，这种日变幅逐日变小的情况应该不是前兆异常变化，应该是仪器本身的工作状态造成。经厂家指导，对仪器进行锁摆，关闭电源，测量放大盒里动片连接端与电容两定片连接端间的电阻，阻值大于30欧，电阻值明显异常，判断为摆系故障，厂家来人更换钨丝，并对摆体进行清洁和换干燥剂，仪器维修完成后，观测曲线有固体潮形态，仪器恢复正常。（见图7）

图7 摆系故障图之一

泉州基准地震台VS垂直摆倾斜仪2018年05月01日起由于摆系故障，数据形态出现超差限幅走直线、畸变、漂移等现象，经过多次维修调摆，采取了更换反相板、反相板通往VS主机的摆线等措施，均未能修复故障。武汉仪器研究院专家到台站，再次更换了全套摆线和东西向反相板，并更换了反相板上部分电容电阻，仪器恢复了正常日变形态。（见图8）

图8 摆系故障图之二

前置放大盒故障的曲线表现形态为日变形态消失，无固体潮曲线。解决方式为更换前置放大盒芯片OP07或更换放大板。如厦门台宽频带倾斜2018年06月07日起仪器放大板故障造成日变形态消失，无固体潮曲线，更换放大板后恢复正常观测。（见图9）

图9 前置放大盒故障图

1.6 调零装置故障

调零装置故障的曲线表现形态为曲线漂移现象。解决方式为检查调零装置。如泉州基准地震台VS垂直摆倾斜仪2019年1月12日起由于调零装置卡死导致数据异常漂移，出现11次数据超差走直线，进行18次调零。厂家技术人员进洞维修，期间进行开锁摆、更换部分调零装置、调水平、调零，完成检修，仪器恢复稳定。（见图10）

图10 调零装置故障图

2 仪器故障判定及维修流程

仪器维修一般流程为通过观察测量仪器状态、曲线形态判断故障位置，对出现故障的模块进行检修[2]。

观察仪器设备指示灯，测量电压值，垂直摆倾斜仪主机供电电压为±12V，标定电压为＋5V，信号电压在±2V内为正常。

通过观测曲线的异常判断故障情况[3]（见图11），确认故障位置后进行检修，更换备件。

图11 观测曲线异常判断故障情况图

3 结论

本文以泉州综合台垂直摆倾斜仪的故障维修维护为研究对象，系统分析垂直摆的常见故障及原因，提出了故障维修的原则，并给出了具体的解决措施、整理垂直摆故障图集。通过总结、分析提高维修能力，缩短维修时间，进一步提升观测数据的连续可靠性性。