忻州地震监测中心站VP型垂直摆倾斜仪典型故障及维护方法

沈魏乾，李惠玲，高龙飞，李 晨，秦学理

(1.山西省地震局忻州地震监测中心站，山西 代县 034200；
2.山西省地震局，山西 太原 030021；
3.山西省地震局大同地震监测中心站，山西 大同 037008；
4.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)

VP型垂直摆倾斜仪(以下简称VP倾斜仪)是用于监测地倾斜固体潮与地震前兆信息的地形变观测设备，该仪器是近年来由中国地震局地震研究所，在VS摆式倾斜仪基础上研发的一种新型垂直摆倾斜仪[1]。相比传统的摆式倾斜仪，VP倾斜仪在映震能力、观测精度、灵敏度及抗干扰能力方面具有显著优势。

忻州地震监则中心站(以下简称忻州站)于2012年初安装VP倾斜仪，2013年1月1日正式入网。仪器安装初期存在机械漂移现象，运行一段时间后，漂移现象逐渐减弱，此后运行稳定，干扰较小。现对忻州站VP倾斜仪日常运行中出现的典型故障进行分析，提出运维改进措施，为台站仪器维护人员进行故障处理提供借鉴，为产出完整率高、可靠性强的地形变观测数据服务。

1.1 台站地理位置及地质条件

忻州站隶属山西省地震局，位于山西省代县峪口乡峪里村，地处五台山区边缘隆起区，滹沱河支流峪口河北岸二级阶地上，东邻忻定盆地南缘的五台山北麓断裂，西北距代县县城9 km，北部以恒山断块与大同盆地相隔，南部以石岭关横向隆起与太原盆地分开，自北向南由代县、原平、定襄3个凹陷组成，历史上曾发生过3次7级以上地震。

1.2 垂直摆测点

垂直摆测点位于忻州站的代县山洞内，山洞覆盖层厚度大于40 m。洞内安装水管倾斜仪、伸缩仪、BSQ倾斜仪及VP倾斜仪等多套形变仪器。其中，垂直摆倾斜仪安装在山洞尽头的观测室内，距离洞口约32 m，有3道船舱门密封(未浇筑水泥)。观测基墩建在基岩之上，长2 m，宽1.2 m(见图1)。

图1 代县地震台山洞测点分布图Fig.1 Distribution map of mountain cave survey points of Daixian Seismic Station

VP倾斜仪由垂直摆摆体、主机和数据采集器三部分组成[2]。其中，图2a为VP倾斜仪实物图，图2b为垂直摆摆体结构示意图，图2c为摆系示意图。

图2 VP垂直摆倾斜仪结构图Fig.2 Structure diagram of VP vertical pendulum tiltmeter

工作原理为：摆体内动片在未受外力作用时处于铅锤状态，当地面在潮汐、地震、振动等作用下发生倾斜变化时，动片与定片之间相对位置发生改变[3]，相对偏移量转换成电信号输出，经过放大、整形、滤波等电路进行信号调理，传输到数据采集器[4](见图3)。其计算公式为：

图3 VP垂直摆倾斜仪工作原理示意图Fig.3 Working principle diagram of VP vertical pendulum tiltmeter

式中：l为摆长(单位：m)；
ψ为地倾斜角 (单位：″)；
δ为摆的相对位移。

3.1 摆系信号引丝受潮

信号引丝结构如图4所示，动片与前置放大器由直径为0.001 mm 的钨丝进行连接[5]。若山洞长期处于潮湿状态，潮气进入摆体内部，摆系信号引丝受潮引起数据曲线固体潮畸变。

图4 摆系信号引丝示意图Fig.4 Schematic diagram of swing system signal lead wire

以忻州站代县地震台VP倾斜仪为例，2020年9月1日至2日NS分量未记录到双峰双谷型固体潮形态，曲线持续向南漂移，并伴有小幅突跳、畸变；
EW分量固体潮形态正常(见第41页图5)。维护人员通过排查，发现供电线路、传感器连接处均正常，使用示波器检测振荡信号正弦波峰值在0.5 V附近，低于正常峰值(1.2 V)，初判为摆体故障。开摆后发现摆体内及信号引丝上存在细水珠，清除水珠并做防潮处理，后续的标定及调零显示，NS分量固体潮曲线恢复正常(见第41页图6)。

图5 2020年9月1日至2日VP倾斜仪固体潮曲线图Fig.5 VP vertical pendulum solid tide diagram of curves from September 1 to 2,2020

3.2 放大盒故障

放大板的作用是将摆体内部动片和定片之间产生的微弱位移量电信号进行调理。放大板发生故障时，会造成前置放大电路无信号输出或输出错误信号，表现为数据曲线无固体潮或出现无规律突跳、畸变、台阶等。图6为忻州站VP倾斜仪NS分量放大板元器件受潮，观测曲线无固体潮，多次产生较大幅度的台阶，同震响应模糊。维护人员在确认放大盒故障后，通过更换放大盒内部元件，曲线形态恢复正常，能记录到清晰的同震响应(见第41页图7、图8)。

图6 2020年9月11日-14日VP倾斜仪固体潮曲线图Fig.6 VP vertical pendulum solid tide diagram of curves from September 11 to 14,2020

图7 2021年2月9日-21日VP倾斜仪固体潮曲线图Fig.7 VP vertical pendulum solid tide diagram of curves from February 9 to 21,2021

图8 2021年3月3日至4日VP倾斜仪固体潮曲线图Fig.8 VP vertical pendulum solid tide diagram of curves from March 3 to 4,2021

3.3 仪器调零故障

根据倾斜应变台网观测与运行工作细则要求，垂直摆摆体通过放大盒输出电压不得超过量程的90%，对于±2 V的量程，当电压读数超过±1 800 mV时，需通过步进电机进行调零。若通过软件操作无法完成调零，可能是齿轮卡死或脱开，也可能是步进电机损坏或供电故障。具体解决措施如下。

(1) 齿轮卡死或脱开时，通过调节电机上的螺丝及齿轮位置进行修复(见图9)。具体操作步骤为：网页上点击“自动调零”，进山洞观察轴①(以下数字均代表图9中的配件)马达是否转动，若转动，检查轴①是否带动齿轮②转动，若齿轮②不转动，检查③处螺丝是否松动；
以上均正常时，检查齿轮②是否带动齿轮④转动，无转动则判定齿轮②和齿轮④间距变大而脱开；
松动固定马达的3个螺丝，使齿轮②和④间距变小即可；
若正常转动，检查齿轮④是否带动轴⑤转动，若不转动，拧紧固定齿轮④的螺丝即可；
若正常转动，检查轴⑤是否带动齿轮⑥转动，即查看轴⑤和齿轮⑥是否啮合，若未啮合，轴⑤转动而齿轮⑥不转动，需松开⑦，把⑧往下方靠，使得轴⑤和齿轮⑥靠近，拧紧⑦；
若轴⑤无转动，可能是轴⑤和齿轮⑥卡得太紧，需松开⑦，将轴⑤和齿轮⑥分开即可。

图9 调零电机图Fig.9 Diagram of zero-adjustment motor

(2) 步进电机损坏时，使用万用表测量电机阻值，在30 Ω左右则正常，远高于30 Ω则为内部断路，远低于30 Ω则是内部短路，需对内部线路进行修复或更换新的调零电机[4]。

(3) 步进电机供电故障表现为供电线路断路或供电芯片损坏时，造成电机无法正常工作，需对供电线路进行检查判断有无断路、虚焊等问题，并测量供电芯片是否为5 V直流，再根据具体的故障情况，选择电路修复或更换供电芯片。

3.4 信号引丝或悬丝断裂

信号引丝或悬丝受大震或外部作用力影响时，可能发生断裂，故障表现为摆体无输出信号，数据曲线为直线，解决办法为更换信号引丝或悬丝。

3.5 外界强电干扰

仪器受外界强电干扰或出现静电时，观测数据出现毛刺，将仪器外壳接地即可解决。

通过对VP倾斜仪典型故障进行梳理和总结，针对典型故障提出相应的解决措施，确保仪器的正常运行。上述的仪器维护经验在提高观测数据的连续率、完整率和内在质量方面有一定的作用，同时也可为其他台站解决类似故障问题提供参考。