吝利民,张聪聪,荆红亮,靳宝萍,郭国祥

(1.山西省地震局临汾地震监测中心站,山西 临汾 041000;2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站,山西 太原 030025)

0 引言

宽频带倾斜仪是记录由天体相互作用力引起的地倾斜固体潮变化的地球物理观测设备[1],是进行地球物理观测的重要手段之一。由于其具有实用性强、运行稳定等特点,在地震系统得到广泛的应用[2-3]。宽频带倾斜仪在垂直摆倾斜仪的基础上研发,数据采集器的采样率由原先的分钟采样提高为秒采样,可以有效捕获更多的地球物理信号。宽频带倾斜仪的稳定运行和数据产出对地震监测工作起着一定的作用,因此,保障宽频带倾斜仪正常运行尤为重要。临汾地震监测中心站宽频带倾斜仪的长期稳定运行为地球物理观测提供大量可靠观测数据的同时,其运维人员也积累了大量的运行维护经验[4-5]。

1 宽频带倾斜仪工作原理

宽频带倾斜仪主要由垂直摆摆系、电源系统、信号处理系统、数据采集系统四部分构成[6]。其中,垂直摆摆系主要由摆杆、柔丝、主体支架、调零装置、锁摆装置、底盘组成,垂直摆机械结构如图1所示。

图1 宽频带倾斜仪机械结构图Fig.1 Mechanical struture of the wide-band inclinometer

宽频带倾斜仪由高强度合金柔丝将摆体垂直悬挂起来,在无震动时处于铅锤状态,当地面发生倾斜变化时,柔丝悬挂的动片会随着地倾斜变化而发生改变,导致动片与定片间的相对位置发生变化,仪器将这种相对位置变化通过高精度的电容式差分式电容传感器(三片式电容器)将这种微小的电压变化记录下来,再通过一系列的信号放大装置,将信号记录到数据采集器中,最后数采对信号进行整理,还原地倾斜固体潮变化情况[7],电容传感器结构如图2所示。

图2 电容传感器结构图Fig.2 Structure of capacitance sensor

图3所示的校准平台通过利用压电陶瓷的压电效应产生微形变来模拟实际微小形变量[8-10]。为保障宽频带倾斜仪的正常运行,每半年进行一次格值校准,给定一个格值,让仪器在测量物理量与采集量之间进行数据转换。当格值出现错误后,导致记录的数据出现偏差,严重影响观测质量。

图3 标定平台示意图Fig.3 Sketch of calibration platform

2 仪器常见故障处理流程

宽频带倾斜仪观测系统由四部分构成,工作原理为用垂直于地面悬挂的摆系来监测地倾斜的变化状况,高精度的电容式微位移传感器,把这种变化转化为微弱电信号,通过放大、整形、同步检波、滤波等模拟电路,将微弱电信号进行处理,由数据采集器记录整理,还原实际的地倾斜变化状况。宽频带倾斜仪常见故障有三类:第一类是控制功能性故障,主要有调零故障和标定故障;第二类是信号调理故障,主要表现为观测数据背景噪声大、突跳、台阶、畸变、无固体潮等;第三类是网络故障。故障排查流程如图4所示。

图4 宽频带倾斜仪故障排查流程图Fig.4 Troubleshooting process for wide-band inclinometer

2.1 控制功能性故障

(1) 调零系统故障。

当传感器输出信号的大小超出数据采集器记录范围时,数采将无法记录传感器信号,需要对仪器进行调零操作。宽频带倾斜仪具有自动调零的功能,当需要调零时,可以通过仪器主机页面对仪器进行远程自动调零。当多次进行远程调零而仪器无响应时,应检查调零电路板的电压和供电线路,确认供电电压是否正常,供电线路是否存在虚接等现象,排除上述故障后,检查调零装置及马达是否出现故障。检查步骤为:将前置放大盒中的调零接线柱短路,若马达未能发出声音且不能正常调零,初步判定调零马达或马达控制芯片出现故障;在更换马达或马达控制芯片后,如果听到马达转动声音,但调零仍然出现故障,判定可能是调零底脚螺丝太紧或者太松,反复调整至合适位置,确保其平稳运行。

(2) 标定系统故障。

仪器每年进行2次格值校准,选择在小潮期间,波形曲线处于波峰或者波谷时进行。如果多次进行远程校准,仪器未响应或标定波形异常,判定为标定系统故障。故障排查步骤为:首先检查数据采集器的标定功能及标定线进入山洞后是否有标定电压;若标定功能正常且有标定电压输出,待校准结束后查看校准波形,若校准波形幅度略小于正常校准波形幅度,可能是因长时间不校准导致,可再次进行校准,直到符合规范要求;若校准波形幅度与正常校准波形幅度明显不同,需对标定线路、标定信号进行检查;检查标定线路是否存在虚接、电子元件是否正常工作,同时可以对存在故障的电子元件LM336进行更换。

2.2 信号系统故障

信号系统故障主要有四类:第一类是供电故障。首先确保宽频带倾斜仪供电电压正常,采用直流12 V或直流15 V,或者交流100～240 V供电电压。当供电电压异常时,先确保台站UPS是否正常供电,再测量电源模块中输出电压是否符合规范要求,进而对故障进行判断和处理。第二类是信号放大装置故障。信号放大装置的作用是将电容板定片与动片之间的相对位置信息通过放大、滤波、整形等信号调理[1],将其转化为电压信号,并传输给数据采集器。信号放大装置故障会导致采集的数据出现错误。当其出现故障时,先拆开并检查电路,更换容易出现故障的电子元件,如果故障仍不能解决,考虑更换信号放大装置。第三类是电容动片位置偏离。当差分式电容传感器(三片式电容器)中的电容动片位置偏移中心位置时,导致观测数据异常且调零或者标定不能正常进行。用手电筒照射摆体正上方,查看电容动片的相对位置,使用螺丝刀等对电容动片进行微调,将其置于两个电容定片的正中间位置。第四类是摆体受潮。在个别湿度较大的山洞容易出现此类故障,导致记录的电压信号出现偏差,此时需要对摆体进行除潮处理。

2.3 网络故障

网络故障主要分为三类:第一类是本地交换机故障。台站一般都是多套仪器共用交换机,交换机出现故障时,通过交换机连接的所有仪器都无法连接网络。第二类是网线接口松动。一般是由于维修过程中维修人员不小心触碰网线接口导致,重新插拔网线即可。第三类是网卡故障。维修人员在维修仪器时触碰网卡,导致松动,重新插拔即可。

3 典型故障分析及处置

3.1 供电电源故障

2022年6月3日临汾站宽频带倾斜仪南北向零漂超限,工作人员对其进行远程调零处置失败,重启仪器后东西向观测数据也出现错误,两分量观测数据同时出现无潮汐形态(见图5)。

图5 宽频带倾斜仪原始观测数据曲线Fig.5 Original observation data curve of wide-band inclinometer

出现该故障后,工作人员到山洞进行现场检查发现,东西向和北南向调零盒上的显示面板均无数据,数据采集器面板上有错误数据。两个测项的调零盒同时无数据显示,调零盒本身故障的概率很小,同时出现故障的概率也较低,初步判定电源故障的可能性较大。供电故障有两种可能性:一是供电线路问题,二是供电电源问题。

首先检查主机到传感器之间的供电线路。拆除供电线路接口,短接线路两头,用万用表进行导通测试,发现线路正常,排除供电线路故障。打开主机检查供电模块,使用万用表测量传感器供电电源,正常状态时V1=5 V,V2=12 V,V3=-12 V,通过测量发现V2为10 V,其余电压正常。故障原因为供电模块电压过低,造成调零盒显示器不亮。更换+12 V的电源模块后,调零盒显示恢复正常。

3.2 调零故障

2022年6月4日供电故障维修后,供电恢复正常,但无法对其进行调零处置,主要表现为调零命令发出后调零电机一直运转,无法自行停止,初步推断为调零控制电路故障,对调零信息不能及时反馈所致。更换调零电路板上的TL084和LM356控制芯片后,调零成功,观测数据恢复正常。

上述供电电源和调零故障具有一定的内在联系,当远程调零命令发出后,调零装置开始运行,马达转动开始调零,此时调零控制芯片发生故障,无法将调零信息及时反馈马达,使马达无法停止,长时间给马达供电,引起供电模块部分烧坏,无法提供正常的供电电压,导致双向前置放大盒出现故障,造成调零盒显示面板无数据。

3.3 低通滤波芯片故障

2022年12月2日宽频带倾斜仪东西分量出现高频抖动及观测曲线噪声明显增大,发现问题后观测人员进山洞对仪器进行检修。由于观测环境未发现明显变化且北南分量观测数据正常,分析认为是东西分量故障(见图6)。

图6 宽频带倾斜仪预处理数据曲线Fig.6 Preprocessing data curve of wide-band inclinometer

首先打开东西分量前置放大盒,通过万用表检查发现供电稳定,电压芯片输出稳定,排除线路和电源故障,初步认为可能是低通滤波芯片故障。更换低通滤波芯片后,高频抖动现象消失。

3.4 网络故障

查看仪器工作状态是否正常、观测数据是否可以正常采集入库是每日巡检的项目。2022年12月4日在维修结束后发现仪器不能正常连接网络,路由器指示灯断续闪烁,网线接口未出现松动现象。

首先更换网线,故障仍然存在,认为可能是数据采集器中的网卡故障;然后打开数据采集器,检查网卡接口时,发现网卡接口松动,重新插拔网卡后,故障得到解决。

4 结语

由于仪器故障种类较多,为保障观测数据的连续、可靠,需要维修人员了解仪器的工作原理,掌握最基本的故障排除方法。总结临汾站宽频带倾斜仪运维工作,得出以下经验:

(1) 当主机面板显示正常,调零盒双向同时数据不显示时,首先考虑供电模块能否提供有效电压。

(2) 当远程操作无法调零时,首先考虑调零马达故障或马达控制芯片故障,在调零信号发出后,马达不转动,则大概率为马达故障;马达可正常转动,则考虑马达控制芯片故障。

(3) 曲线背景噪声大、数据突跳时,在确认观测环境未发生明显改变的前提下,首先考虑低通滤波芯片故障。

(4) 在每次维修仪器后,要检查仪器网络是否畅通,观测数据是否可以正常采集入库。