莆田地震台铟瓦棒伸缩仪故障分析及维修技术研究

陈伟 蔡佩蕊 沈健健 吴劲柏 李毅伟

摘  要：该文论述莆田地震台形变观测仪器SS-Y型铟瓦棒伸缩仪近几年来的故障，从电源、主机、传感器、线路故障等几个方面对故障进行整理、分类、统计。通过故障的表现形式分析故障原因，整理出不同故障曲线形态产生的原因。总结莆田地震台维修经验，结合其他台站经验，针对不同故障给出维修方案，可为其他相关地震台站提供借鉴。

关键词：形变观测仪器；SS-Y型铟瓦棒伸缩仪；故障维修；故障排查；传感器

中图分类号：P315.7      文献标志码：A          文章编号：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

我国自1966年邢台地震后，地震预报事业开始起步。1998年中国地震局地震研究所，研发出了新型的应变观测仪——SS-Y型铟瓦棒伸缩仪，经过30多年的发展SS-Y型伸缩仪为地震预报分析积累了大量的宝贵资料。

1  莆田地震台铟瓦棒伸缩仪安装概况

福建省地震局莆田地震台（以下简称“我台”）伸缩仪采用中国地震局武汉地震仪器研究所研制的SS-Y型铟瓦棒伸缩仪（简称“SS-Y伸缩仪”），配套进行洞温辅助观测。2013年12月安装东西（EW向）分量、北南（NS向）分量，2014年9月安装其他分量，2014年通过验收并正式运行。

2  SS-Y型铟瓦棒伸缩仪运行情况

我台SS-Y伸缩仪2014年8月正式运行以来，仪器运行稳定，数据产出可靠。伸缩仪记录的日变固体潮波形清晰，3个分量年变趋势较明显。东西分量漂移量较大，这与仪器安装后，北南分量一直在进行故障排查试验、电源线路检修和多次更换仪器元件有关。

以我台SS-Y伸缩仪的故障维修维护为研究对象，系统分析伸缩仪的常见故障及原因，主要存在以下5个故障问题：①传感器故障干扰；②前置避雷器干扰问题；③前置放大器受潮干扰与故障；④标定中出现的问题；⑤伸缩仪和水管仪线路故障维修时互相干扰。

3  故障排查及解决

3.1  传感器故障

我台SS-Y伸缩仪自2014年1月23日观测以来，该仪器3个分量均有固体潮不定期畸变现象发生，观测数据抖动并无明显规律。常在固体潮曲线正常的情况下突发突跳现象，使原本正常的曲线形态严重偏离甚至处于超限状态，并在较短时间内恢复杂乱无章的固体潮形态，如图1所示，3个不同时期的不同分量输出的分钟数据都有明显的共同特征（固体潮日变在正常条件下毫无征兆的产生突跳并严重偏离曲线固有形态，而后形成无波峰、无波谷短时无规律的曲线走势）。我台工作人员对环境干扰、线路干扰、前置放大器干扰进行排查。对发生曲线偏离的分量测向进行伸缩仪传感器更换。更换后的分量测向固体潮形态恢复正常，日变规律明显清晰。通过更换传感器的途径来解决这个问题。

3.2  前置避雷器故障

SS-Y伸缩仪仪器在正式并网运行后即产生较为稳定可靠的数据，固体潮曲线在相当长的时间里波形光滑，日变形态清晰，即使在第三分量（其他分量）安装施工过程中，其他2个分量亦能产生连续稳定的数据。至2017年10月，东西分量数据曲线开始无固定时间出现畸变的情况（图2），且发现EW向曲线相对较粗。漂移较大，数据突跳情况时有发生。而在同一时间里，北南分量与其他分量固体潮曲线清晰正常。开始阶段，台站维修人员观察固体潮畸變规律，结合伸缩仪电源不稳定导致的固体潮畸变情况，总结出EW向的曲线畸变是由于电源不稳所造成的结论。

此现象持续接近一个月的时间后，维护人员认为若是电源不稳定导致此种固体潮畸变，不可能有在这么长的时间里只对EW向固体潮产生干扰，而其他2个分量正常的情况。我们采取了线路检修、逐一更换元器件等方法排查：①排除电源线路与信号线接触问题。对仪器室至山洞伸缩仪装置的电源外线路进行仔细地检查，万用表测量主机后面板EW向信号接线的电压值变化，对EW向信号线与航空头的接触进行加紧处理。观察几小时后，发现记录曲线仍然较粗且畸变，并未得到改善，可证明并非电源线路与信号接触不良导致。②排除记录主机及数采器故障。将主机后面板NS、EW两方向信号接线对换，以检验是否主机及数采控制器的故障，若记录曲线仍然较粗，并依然有突跳情况。说明主机及数据采集器正常，曲线畸变偶有突跳的现象与仪器室伸缩仪仪器无关。③排除传感器故障。更换了传感器探头，情况依旧没有改观，则旧传感器无故障。④伸缩仪前置避雷器，由于我台SS-Y伸缩仪在形变观测仪器安装后对新山洞进行防雷改造，以在雷雨的天气里起到减弱雷电对观测仪器造成的损害。2017年12月18日维修人员对EW向前置避雷器进行拆除处理，之后我台伸缩仪东西分量数据曲线回归清晰正常状态。2018年12月下旬开始，我台SS-Y伸缩仪北南分量观测数据也出现了固体潮畸变伴有突跳且数据曲线明显加粗的现象，2019年1月12日拆除NS向前置避雷器，1月13日之后产出的数据回归正常。故判断SS-Y伸缩仪北南分量固体潮畸变伴有突跳的原因是由于前置避雷器不稳定所造成的。

3.3  前置放大器受潮以及故障

我台SS-Y伸缩仪产出的数据曲线有种比较特殊的曲线畸变情况，特别是这种曲线畸变持续时间较长且无超限情况发生，尤其是北南分量与东西分量曲线长时间畸变状况比较多，其他分量曲线受到干扰较少。我台伸缩仪北南、东西两分量数据出现多次曲线在较长时间内密集畸变，导致这段时间内固体潮日变形态不定期畸变（图3），产出的数据漂移量较大。2017年8月2日、2018年10月8日针对此噪声现象采取措施，打开SS-Y伸缩仪前置放大盒，发现前置放大器内部均有轻微潮湿情况，于是在前置放大盒内放入干燥剂并使用小功率型吹风机对其进行除湿与干燥处理。除湿干燥处理后的1—2日内数采采集到的数据产出均归于正常，固体潮波形光滑、日变形态恢复正常。因此归纳出此类长时期曲线畸变是由于前置放大器受潮造成。放大器故障表现形式（图4）：固体潮曲线正常的情况下突发突跳现象，使原本正常的曲线形态处于超限状态，并在短时间内徘徊在正常与超限极端状态下。我台维修人员进洞运用万用表对伸缩仪前置放大器各元器件端口进行电压输出与输入值测量，发现某些电压值与正常状态下的电压值有较大差别，于是分别在2016年9月25日与2017年11月1、2日对SS-Y伸缩仪进行前置放大器更换操作，更换后数分钟内数采采集到的数据产出均归于正常，因此归纳出此类极短时间内曲线超限，且曲线在观察期内无法恢复正常的现象是由于前置放大器故障造成。以上2种由前置放大器造成的数据干扰情况，是因我台处于福建沿海及洞体处于很深的位置，气候较潮湿，加上台风天气的侵蚀，且受到洞口蓄水井湿气的影响较大，导致山洞内的观测仪器装置极容易受潮，特别是对前置放大器潜移默化的干扰。利用小功率吹风机除湿与放入干燥剂能很大程度上起到作用。

3.4  标定中出现的问题

SS-Y伸缩仪检定器是依据斜楔块原理产生微位移，2017年6月15日，我台SS-Y伸缩仪进行例行标定检查，第一次标定时3个分量重复性精度都不理想，结果和正常标定结果有相差（表1）。重复性精度大于1%，正常时北南分量|ΔU|应该在2 168 mV左右，电压灵敏度为59.57 mV/μm，但是本次标定这2个指标都略小于正常值，而且标定重复性精度为2%。于是根据经验认定这种情况是由于仪器标定装置长时间不工作，运动不顺畅所致，手动活动下标定装置后再次标定，结果符合要求。

2018年12月13日，在东西分量的标定过程中同样出现了连续标定2次后仍然不合格的情况（表2）。东西分量|ΔU|只为0.19 mV，且标定重复性精度达到164.71%。对于这种标定产生的误差结果，我台维修人员首先进洞检查了仪器标定器的测微头位置、铁芯位置，检查了弹性连轴的运动是否顺畅，结果一切正常。之后我们检查了前置放大器的输入电压和仪器数采的接线柱电压，经检查万用表显示电压值与数采显示数值基本相同。为了进一步排除主机和数采的问题，对换了主机上不同分量的标定控制线，经检查，存在问题的还是原来的分量。初步联系标定原理进行分析。有可能是楔块不能回位造成滑块不能回位，也有可能是滑块本身不能回位。

根据上面的分析，我台维修人员进洞打开标定器，结果发现标定器内部润滑油已很少且脏以及标定装置周围大面积生锈，用手滑动楔块运动性尚可，但依靠标定电动机完成自动标定已然不可能推动。我们对标定器内部用脱脂棉进行了酒精擦试清洁，然后倒入新的润滑油，重新安装好标定器，再次进行标定，结果合格。分析造成润滑油较快蒸发、标定装置生锈的原因：①我台伸缩仪标定装置工作时间较长而较少更换润滑油，洞体上方有各种传输线出口，虽用泡沫板堵塞，但仍有微气流，密闭性不太好，润滑油蒸发的相对较快。②我台处于福建沿海及洞体处于很深的位置，气候很潮湿，加上台风天气的侵蚀导致山洞内的观测仪器装置极容易受潮，造成标定设备生锈。通过这次的仪器标定过程，总结出伸缩仪标定装置在日常维护中应该勤“加油”（加润滑油）、勤“洗澡”（酒精擦拭）。

注意事项：检定器是高精密的机械装置，所以要避免灰尘与沙土等侵入，在做检定之前必须清洗干净，并加足清油（一般可用缝纫机油），试检定2～3次后，再正式检定3次，确认重复性良好后，再进行格值计算，否则格值就会产生较大的偏差。格值偏差较大时，可用千分表加以校核。

3.5  伸缩仪和水管仪线路故障维修时互相干扰

由于我台形变观测洞室内DSQ水管仪和SS-Y伸缩仪是同场地平行布设，这导致了当检查、維修、调零、标定其中任何一套观测仪器过程中都会对其另一套仪器造成较大干扰。特别是我台观测洞室紧靠于莆田市人防山洞，而人防山洞抽水口就设于我台观测洞室的前门口，仅隔2道密封门。人防山洞抽水井的不定期运作对我台洞室内的观测仪器造成很大影响，特别是DSQ水管仪由于设备灵敏度较高，抽水影响引发的仪器零漂的情况较多。台站工作人员经常需要进洞对DSQ水管仪进行调零操作处理，这势必对SS-Y伸缩仪的产出数据造成不小的干扰。因同槽平行布设的水管仪北南、东西端仪器超限，工作人员进洞对其进行调零处理。导致同时段的伸缩仪的3个分量数据输出都有曲线突跳的现象，只能在中国地震前兆台网数据处理系统中对其3个分量数据做缺数处理，这在很大程度上影响伸缩仪观测资料的连续、准确、可靠、完整性。

4  结束语

个人总结仪器维修一般思路：①观察法。查看仪器设备指示灯，测量电压值。②电路原理分析法。对电路原理进行分析，推测故障位置。③从曲线判断故障法。通过观测曲线的异常判断故障情况。④对比替换法。通过更换正常配件进行判断故障。

我台SS-Y伸缩仪自2014年8月正式运行至今，运行已有9年多时间，其伸缩仪仪器及数据采集器工作状态良好，整套前兆观测系统数据产出可靠稳定。本文以莆田地震台铟瓦棒伸缩仪的故障维修维护为研究对象，系统分析伸缩仪的常见故障及原因，提出了故障维修的原则，并给出了具体的解决措施；整理伸缩倾斜仪故障图集。作为专业的地震工作人员，需要密切关注观测仪器的运行状况，努力做好观测手段的跟踪与分析工作。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。努力让研究成果能应用到福建省SS-Y铟瓦棒伸缩运行过程的日常维护及仪器维修中，在仪器出现各种故障时，通过查找故障原因，探讨了解决问题的办法，希望能给其他台站提供相关的经验与参考。

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