數字測震儀故障診斷與處理

摘 要：針對洛陽地震臺數字地震儀遇到的波形干擾、數據傳輸、工控機和電源等故障，采取技術措施予以排除，介紹了維修方法及經驗，對數字地震觀測系統正常工作具有一定的借鑒價值。

關鍵詞：數字地震儀；維修；經驗

隨著科技進步經濟發展我國的地震觀測軟硬件設施也隨著不斷進步，最大的變化是出現數字化地震儀。洛陽臺已經先后完成了數字地震觀測九五和十五系統的安裝調試。從軟件上講，十五在控制上用WINDOWS系統較九五的UNIX系統更易于掌握，十五使用數據庫的管理方式較九五更方便在網絡下的處理，硬件上對網絡的支持提供了更方便的檢查控制。可以直接共享處理結果，總體上，多年來，系統運行穩定可靠，但也出現一些故障，根據對儀器設備的故障現象和維修體會，予以匯集，與數字地震儀觀測臺站交流。

地震臺站的主要任務是保證儀器工作環境正常，經常性地維護保養。遇到簡單故障要及時排除，遇到復雜故障先向臺網中心反映，在專家指導下，查出故障原因，予以排除，一定不要亂拆、亂修，特別是地震計等精密設備，避免擴大問題。例如，數字地震儀NS向波形失真，向中國地震局反映后，很快確定為數采故障，加快了檢修速度，縮短了資料斷記時間。但臺站人員也要了解數字地震儀的工作原理，掌握一般故障的維修方法。

一 數字地震儀系統運行原理

臺站維護人員首先應作到了解系統運行原理，出現故障時能迅速判斷出故障點，并采取相應措施（如重新起動、替換、向上反映等）。數字地震儀由寬頻帶地震計、數據采集器、系統控制計算機及通訊設備組成，實時向臺網中心傳送數據。（通訊設備九五系統采用的是衛星，十五系統采用的是互聯網。）要求觀測系統的各個環節都要正常運行，系統匹配合理，防止交叉干擾。同時，儀器的安裝精度和工作環境，對保證儀器的正常工作也非常重要。寬頻帶地震計的作用是拾取地振動，產生地振動的模擬信號，但它是連續的電信號仍然無法被計算機處理。數據采集器的作用是采集寬頻帶地震計的模擬信號生成離散的數字信號，這些離散的數字信號才能被計算機處理保存，同時才能被通訊設備不失真的向中心傳輸。系統內的計算機按功能分為兩種，其一為實現系統自動運行保證系統連續工作的計算機它可以設置數據采集器的工作參數實現對寬頻帶地震計自動標定以及保存地振動的數字信號等，我們可以叫它前臺機或控制機。其二由于目前震相的自動識別，地震事件的自動截取還不能實現自動化，當遇到地震時還需要臺站人員分析處理。為了保證控制機不受干擾的連續工作我們分析地震事件時用另外一臺計算機處理。由于它接在控制機之后我們可以叫它后臺機。

運行安裝以后我們遇到了各式各樣的故障現象，出現在了系統的各個部分，既有以下幾類。（1）波形異常（方波或尖脈沖，方波時間一般較固定）；（記錄波形見圖1）：（2）地震初動方向錯誤（與模擬記錄對比）；且三個分向干擾背景相差較大，與模擬記錄不一致。（3）干擾幅度大、頻次高；（4）高頻干擾較多（5）數據傳輸設備故障（6）前臺控制機運行異常前臺機資源耗盡（7）其它常見故障

二 解決方法

（１）波形異常（方波或尖脈沖，方波時間一般較固定）

經分析認為故障只可能出現在寬頻帶地震計和數據采集器部分。具體出現在哪一部分可以采取以下兩種檢查方法。方法1）：將數采的各道輸入端短路。（給數采零輸入信號，檢查輸出效果）結果：噪音極小；儀器經過穩定后，沒有干擾。結論：此項結果證明了各項干擾均于與數采無關。方法2）：用示波器檢查地震計的各道輸出信號結果：存在干擾現象。討論：儀器故障引發干擾； 經驗：方波干擾出現的時間較固定，最初認為與地震計關系不大，可能和線路輸入的干擾信號或數采的時鐘電路有關，但檢查結果是地震計輸出功放電路的集成塊故障。

（2）地震初動方向錯誤（與模擬記錄對比）可以采取以下三種檢查方法

1）單獨標定數采

斷開數采與擺線，將數采的標定電壓輸出端分別連接每一路信號的正輸入端，標定電壓返回端連接信號的負輸入端。進行正弦標定，以檢查數采。結果：各分向標定一致，且干擾背景很小。結果分析：數采內部對各道是分路處理的，排除了數采內部某一路電路故障引發的問題。根據數采傳感器插座定義表的檢查，推斷：地震初動方向錯誤的問題與數采無關。

2）依次斷開地震計的各道輸出

結果：記錄顯示，波形斷缺的次序與線路斷開的次序不一，而地震計的放置正確。結論：地震初動方向錯誤與擺線接錯有關，也可能是地震計AFURCU機箱內線路連接有誤（其它機箱如FCU內為平行線路且各自獨立，可直觀發現無誤）。

３）在擺線的一端依次短路各線頭，另一端用萬用表測量是否相通

結果：證實擺線連接有誤，導致初動方向錯誤與模擬記錄與數字記錄的干擾背景不一致兩種現象。為了證實初動方向與AFURCU機箱內線路有無關系，依次斷開AFURCU機箱的連接，再觀察波形記錄的斷缺次序與線路斷開次序是否一致。結果：初動方向錯誤問題解決，干擾背景與模擬記錄現象趨于一致。

相關問題：數字地震儀安裝初期，我們曾有這樣的探討：初動方向錯誤，可能是因為CTS-1型地震計是速度型記錄，而模擬拾震器是位移型記錄，所以造成初動方向不一致。但實際分析后認為：位移是速度在時間域的積分，因此，各向在初動方向的1/2個周期內符號不會改變，用簡單的仿真處理也可以證實。線路接錯反映在定位結果上有兩種特殊表現也應注意：如果僅僅各向正反接錯，則定位結果不變；線路方向交錯，可能出現定位結果時對時錯。對問題（3）干擾幅度大、頻次高：用示波器檢查地震計的各道輸出信號。結果：存在干擾現象。討論：儀器故障引發干擾；高頻干擾大也可能與此相關，估計問題出現在地震計或擺線上。與廠家聯系，更換地震計的線路板。結果：問題解決，干擾背景有所下降。對問題（4）高頻干擾較多：對高頻干擾較多問題采取了以下實驗方法。1）給機箱另加接地。結果：效果不明顯。2）經過與儀器研制人員聯系，通過對地震計系統與數采進行研究。提出另接屏蔽線的實驗方法。斷開屏蔽線與數采的連接線（當擺線的兩端均接地時，兩個接地點的自然電位會在屏蔽線中形成微弱電流）。結果：高頻干擾有所下降。3）分析認為：高頻背景干擾較大與臺基有關。洛陽臺周圍巖層裸露較多，土層覆蓋較薄，附近有公路、鐵路橋和鐵路隧道，直接將汽車和火車振動信號傳至基巖，基巖對震動信號的衰減較弱。速度型記錄相對于位移型記錄對高頻放大了ω倍即2πf倍。而且寬頻帶地震儀記錄到更多的高頻信息。對問題（5） 數據傳輸設備故障：數據傳輸設備九五系統為衛星傳輸十五系統為互連網傳輸。由于十五系統各設備都有內部IP地址臺站工作人員通過配置Nagios網絡監控手段，可以方便根據提示了解各設備是否正常，推斷故障位置。

九五傳輸設備為衛星小站。它的故障現象一般有以下幾種。1）發射燈不亮，而接收燈與聯系燈亮：誤碼率正確為1.0×10-8。發射燈不亮，而接收燈與聯系燈亮，常會自動恢復，或需人工重新啟動衛星小站。可能由于氣象因素干擾、衛星漂移或其它因素引起。總之，不要一旦傳輸信號中斷，就去調整天線。2）發射燈不亮，誤碼率在1.0×10-5以下：自檢出現SCANNING（LED顯示），經小范圍檢查，未發現衛星信號。檢查VSAT RF-IN接頭，無電壓輸出，發現VSAT RF-IN接頭故障。3）衛星小站只有電源燈亮，前臺機系統仍正常工作：重啟衛星小站不起作用，但重啟前臺機后恢復正常，原因可能是信道堵塞，引起衛星小站死機。經驗：對星位置已經鎖定，不易變動，應先檢查其他因素。對問題（6）前臺控制機運行異常：前臺機運行異常一般由于前臺機資源耗盡，常出現在對前臺機進行大數據量的操作（如觀察、打印大文件）的情況下。現象：命令不能執行、數據丟失、網絡中斷等，常需重啟前臺機。解決方案：打印機連接到后臺機，減小前臺機系統負荷等方法。效果：系統死機、NNVS-RTS停止運行（無實時波形顯示，但地震計正常）的現象減小。對前臺機仍使用95系統的工控機的會有如下故障，（1）按下與按起鍵盤鎖，對鍵盤均不起作用。故障現象：（1）按下鍵盤鎖，電源燈滅；按起鍵盤鎖，電源燈亮。（2）鍵盤鎖燈均不亮，鍵盤不起作用。采取以下應急措施：拔掉面板后的鍵盤鎖通往主板的連線，隨后恢復正常。

對于前臺控制機無論九五與十五系統都會由于多年24小時連續工作，機內積塵，CPU風扇等轉動部件磨損，硬盤文件和硬盤在反復啟動過程中損傷，導致前臺機頻繁死機。更換CPU風扇，清除灰塵，重新安裝軟硬件等，前臺機重新運轉。可見，保持機柜清潔、通風，對保持儀器正常工作有重要作用。避免方法：改變機柜原有的頂部排風、機柜底部管道散熱的方式，關閉機柜排風扇，打開機柜后門散熱，以免從地面吸入灰塵；定期用吸塵器清除機柜周圍、邊角縫隙處的灰塵。對問題（7）常見故障：1）電源故障最常見，儀器保險絲斷、電壓不穩、電量不足等，都會引起儀器工作不正常，因此，遇到問題，要先檢查電源指示燈和電壓。停電、恢復供電后，數字地震儀實時波形0.5小時后還不能恢復，可將“調零-正常”開關撥向左方，擺位指針回到正常6秒后，將“調零-正常”開關撥向右方。

例：數字地震觀測系統的220V交流輸入顯示不正確。檢查表明儀器系統正常，用萬用表檢查電源電壓為220V，屬于正常。分析認為，電源內阻過大，接通儀器后，電源內阻損耗電壓過大。而10000V高壓輸電線和變壓器出現內阻突然增大的幾率非常小。經過檢查，發現一根表面接觸牢靠的保險絲，實際接觸不良。2）高頻噪聲突然增大，常與外界環境變化、地線連接不正常、電臺干擾等因素有關。3）低頻不規則漂移：常與擺房密封不好，儀器保護罩未罩好等有關。地震計安裝初期，要注意安裝時，地震計下面有無異物。

結論：臺站是資料產出單位首先要保證資料的正確、連續、其次也要保證數據所受的干擾小。以下對試運行調試期和調試運行后的數據質量進行對比，結果見表1。

由上可見數據傳輸設備九五系統不僅成本高且易受氣候及衛星軌道偏移影響，造成數據傳輸中斷，十五系統由于采用了公用網絡，成本降低可以大規模應用于大多數臺站。

討論臺站人員的主要任務是取得資料連續、可靠的地震觀測資料，因此保證數字地震觀測系統正常工作至關重要。必須掌握一定的儀器維修知識，讀懂、讀熟儀器說明書，熟悉系統中的每件設備及其相互關系；從技術培訓和日常工作中獲得知識、積累經驗；遇到系統故障，冷靜、全面分析，找準根源；從電源、連接到設備，首先確定故障部分，進一步排查具體故障點。對不明原因應多于廠家，有關專家聯系，這樣既能快速解決問題又能更好提高水平。謹向曾幫助過我的廠家及中國地震臺網中心的專家老師深表感謝！

參考文獻

[1] 中國地震局監測預報司. 2003. 數字地震觀測技術[M]. 北京：地震出版社，15-96

[2] 周振安.2004.地震前兆數據采集器常見故障分析處理[J]. 北京：地震地磁觀測與研究，25（5），62-67

[3] 中國地震局地震研究所. 1998. CTS-1寬頻帶地震計使用手冊[C]. 武漢：中國地震局地震研究所，12-23

[4] 北京港震機電技術有限公司. 國家數字地震臺網數據采集系統用戶手冊[C]. 北京：中國地震局地震研究所，37-59.