长汀地震台VP 宽频带倾斜仪常见故障分析与处理＊

郑永通 全建军 郑建志 刘愫昀 王绍然

（福建省地震局龙岩地震监测中心站，福建龙岩 364000）

0 引言

VP 宽频带倾斜仪是中国地震局地震研究所在VS 型垂直摆倾斜仪的基础上研发的一款新型地倾斜观测仪器，是记录倾斜固体潮地形变的观测设备[1]。该仪器采用摆的铅垂原理：摆体由柔丝、摆杆和重块三部分组成，摆在没有振动的条件下处于铅垂状态，当由于振动发生倾斜变化时，摆平衡位置发生变化，摆和支架之间的相对位置发生变化，电容式位移传感器的动片和定片之间的间距也相应的发生变化，通过传感器将这种变化转换成电信号，从而达到固体潮观测的目的。VP 宽频带倾斜仪通过计算机网络登录仪器运行界面对仪器实现远程调零，大大减少了人员出入山洞调零对仪器带来的影响。由于VP 宽频带倾斜仪长期运行，调零螺杆与底脚螺母间可能存在灰尘或出现有细小沙粒，使得调零螺杆与螺母间阻力增大，岀现卡死现象，使得电机无法带动齿轮转动，过载而烧坏；或因雷电引起的瞬间大电流造成仪器调零模块芯片损坏；或观测山洞潮湿度过大，出现调零电路失灵、传感器故障、仪器输出零漂甚至靠摆等常见故障现象。如何对这些故障原因进行准确判断并快速处理，使仪器很快恢复正常工作，是本文着重要讨论的问题。

1 常见故障分析与处理

1.1 调零电路故障

观测山洞内VP 仪器室是一个相对温湿度稳定的封闭环境，当观测人员进洞室内检查仪器、调零、标定仪器等都会在洞室内来回走动、开关门等，破坏了洞室原有的封闭环境，造成气流变化，负荷变化，这些都会对观测仪器造成干扰[2]。VP 宽频带倾斜仪最大的特点是实现通过网络完成远程调零，大大减少了因人员进洞对仪器带来的影响。当某一分量输出偏移即将限幅或已达限幅时，需远程登录仪器界面通过调零功能对该分量进行调零，若启动远程调零对该分量发出指令后，对应分量记录数值保持不变，说明该分量调零出现故障。由于电机采用5 V 直流供电，当电机驱动芯片或电源线存在故障或接触不良时，可能导致调零电机不能正常工作[3]（图1）。2018年4月27日3 时左右开始，台站VP 宽频带倾斜仪的北南分量出现调零失灵故障。

图1 2018年4月19日VP 宽频带倾斜仪调零故障Fig.1 Zeroing fault of VP broadband tiltmeter on April 19，2018

检查排除故障步骤：首先，进入观测室内对仪器调零模块检查，仪器在超量程状态下，短接接头启动调零操作，再用万用表测量调零电路板上马达两端电压。根据仪器调零原理，若测马达两端电压值≥2 V，说明电路调零输出正常，马达前端电路部分亦正常；若电机不转，表明电机可能已烧坏，更换新电机后，仪器可恢复正常。若马达两端电压值＜2 V，说明输出电压过低无法启动，问题可能是调零电路板上驱动芯片OP07CP 损坏或烧坏，需更换芯片器件或维修电路板。

1.2 雷击引起芯片器件或数采电路故障

雷电最大的危害是导致电压、电流瞬时的升高，进而引起仪器中的各种电子原件被击穿[4]。为了防止仪器被雷击，建议在仪器主机前端的供电线路安装避雷装置并良好接地，当强雷电到来时，迅速切断电源或快速泄流，从而保护仪器芯片免遭雷击，防患于未然。

1.2.1 雷击引起调零电路模块芯片故障

强雷电往往会产生瞬间强电流，瞬间强电流一般都远远超过仪器的额定电流，从而导致仪器电源、数采或调零模块芯片被击坏。如：2021年8月3日，一场强雷电过后，长汀地震台VP 宽频带倾斜仪主机显示屏不亮，经万用表测量检查，主机输出电压值为0，初步判断仪器供电电源遭雷击损坏，更换新电源后，主机恢复正常，但仪器北南分量出现限幅偏移，对VP 宽频带倾斜仪北南分量启动调零，对应分量记录数值不变，通过远程登录仪器界面也无法调零。进入观测室检查发现电机一直在转，原认为是调零螺杆与齿轮未充分接触造成的，但充分接触后，电机仍空转不停。关闭主机电源，重新通电发现电机仍不停转动，无法带动齿轮，检修更换芯片OP07CP，现象未变，最后更换芯片TL084CN 后，仪器恢复正常工作，说明雷击使该芯片损坏（图2）。

图2 VP 宽频带倾斜仪调零板芯片故障Fig.2 Chip failure of VP broadband tiltmeter zero board

1.2.2 雷击致使数采死机

VP 宽频带倾斜仪由主机数采与传感器摆体组成。由于华东地区每年4—9月是雷雨季节频发期，台站附近一旦发生强雷电后，主机数采经常出现死机现象，造成原始数据缺数。

因为雷击时，强雷电流信号通过各类线路感应或耦合直接影响数采，且当雷电流超出数采工作允许承载力时，过压放电造成数采电路板芯片损坏或自身判断供电电压过高导致数采死机处于不工作状态。

解决方法：重启数采，可恢复仪器正常。由于雷电经常造成数采死机，需要及时发现死机故障，应要求台站值班人员遇雷雨天气后，及时登录仪器界面，查看仪器是否正常或出现死机。若无法登录仪器界面，初步判断数采可能死机，就需要重启数采恢复仪器正常（图3a）；否则，若未能及时发现数采死机，就可能造成较长时间原始数据缺数（图3b）。

1.3 VP 仪器南北和东西两分量曲线比较分析

VP 宽频带倾斜仪有两个分量传感器相互独立，当两个分量同时故障时，应首先排查公共端的电源和供电线缆以及接地线。检查电源输出端与调零盒电源输入端电压±12 V 是否正常，正负偏差是否过大，再用万用表测量主机电源的四芯航空插头输出是否为±12 V（其中1 脚为正，4 脚为负，2 和3 脚接地）。如果无±12 V 输出或正负偏差过大，说明主机输出电源故障；如果±12 V 正常，则检查山洞观测室调零盒输入端±12 V 是否正常，接地线是否漏电。

2020年3月25日23:47 分开始，长汀地震台VP 宽频带倾斜仪的两分量观测数据曲线形态基本一致（图4）。通过排除并重新焊接电缆线后，再检查接地线连接是否良好，确认调零盒输入±12 V 正常，最后VP 仪器恢复正常。

图4 长汀地震台2020年3月25—27日VP 宽频带倾斜仪数据曲线Fig.4 VP broadband tiltmeter curves of Changting seismic station from March 25 to 27，2020

1.4 数据曲线紊乱，无固体潮现象分析

2020年5月27日—6月1日长汀地震台VP 仪器东西分量数据出现曲线紊乱，无固体潮形态。很大程度上说明VP 仪器的摆体部分出现了故障，导致无固体潮形态，数据曲线杂乱无章（图5）。

图5 2020年5月27日—6月1日长汀地震台VP 宽频带倾斜仪东西分量曲线Fig.5 EW component curves of VP broadband tiltmeter at Changting seismic station from May 27 to June 1，2020

解决方法：更换钨丝器件，数据曲线严重畸变可得到解决，但未能解决出现重复台阶现象；更换传感器摆系部件后，仪器恢复正常。

1.5 调零电路板间互扰分析

VP 宽频带倾斜仪的北南、东西两分量共用一个供电线路，当一个分量电路调零出现故障时，很可能会影响到另一分量的记录数据。

2020年4月27—29日，长汀地震台VP 宽频带倾斜仪出现北南分量调零板故障，引起东西分量观测数据受其影响，也出现数据异常（图6）。

因VP 宽频带倾斜仪北南、东西两分量共用一个供电线路，当北南分量调零出现故障导致东西分量调零盒不正常，而产生错误数据。在更换北南分量调零板后，两个分量不再相互影响，数据恢复正常。

1.6 VP 仪器出现靠摆现象分析

地震震级较大，震中距较远，地震产生的面波周期与仪器自振周期接近时，共振效应极容易造成垂直摆发生粘摆或靠摆现象，导致中止记录[5]。VP 宽频带倾斜仪属于一种高精度固体潮观测设备，仪器量程只有2″，对应动片前后摆动位移为2 μm 左右，其工作灵敏区间相当窄小，当传感器动片超出该范围后，仪器输出就会超量程，仪器表现为不灵敏状态，也就是仪器靠摆。图7 为2017年12月21—22日长汀地震台VP 宽频带倾斜仪北南分量因靠摆，数据曲线输出直线。需要通过现场人工调零或远程多次调零方式才能把仪器调节到线性灵敏工作区间，稳定后就能够清晰记录固体潮数据曲线。

图7 2017年12月21—22日VP 宽频带倾斜仪北南分量曲线图Fig.7 NS component curves of VP broadband tiltmeter from December 21 to 22，2017

2 讨论

通过对长汀地震台VP 宽频带倾斜仪在运行中出现调零失灵、遭雷击故障、数据曲线异常比较分析、调零电路板芯片损坏检修以及仪器靠摆问题处置等分析判断，进行检修总结，认为：

（1）VP 宽频带倾斜仪的调零故障判断和雷击引起故障处理相对简单些，而数据曲线异常、调零板故障检修、仪器靠摆问题处置的分析判断与处理较为复杂，需要在长期的台站日常仪器观测与运行中，不断摸索思考，遇到问题要认真比较分析，善于总结积累运维检修经验，才能根据记录波形异常特征判断仪器故障类型，从而有效解决仪器故障问题。

（2）提升台站运维工作效率，确保仪器运行稳定性，是提高台站数据内在质量，保证数据的连续性、可靠性，更好的为地震预测预报服务的重要基础。

（3）台站其他仪器运维工作，同样需要我们去主动接触问题，分析问题，解决问题，才能提高台站各类仪器运维效率，确保仪器运行稳定性。

（4）建议所有接线改为拔插式公母插件，便于后期维护，也可避免因焊接不牢或虚焊而引起的数据畸变。