SS-Y型伸縮儀典型故障圖像特征分析及處理

張秀萍 葉 青 張曉剛 張珊珊

1）中國河北075000 張家口地震監測中心站

2）中國北京100045 中國地震臺網中心

3）中國石家莊050031 河北地震臺

0 引言

隨著中國地震局“九五”“十五”和“背景場”等建設項目的完成，伸縮儀觀測項目在地震監測臺站得到快速發展，截至2018 年，已陸續架設SS-Y 型伸縮儀111 臺套，為我國地震監測預報提供了豐富的基礎資料。但如何保證伸縮儀運轉正常，產出連續、完整、高質量的觀測數據，是當前運維工作中面臨的困難，只有不斷積累有關前兆儀器維修經驗，才能快速判定并鎖定儀器故障位置，解決儀器故障。文中利用中國地震臺網中心開發的前兆數據跟蹤分析平臺，搜集并梳理2016—2018 年全國形變觀測臺SS-Y 型伸縮儀觀測數據跟蹤分析工作中觀測系統事件記錄、異常核實等資料，總結分析伸縮儀運行中出現的各類故障圖像特征、幅度變化及可能的維修處置措施等，按13 種故障影響因素，分類總結主要故障的曲線特征與技術解決措施，為基層臺站伸縮儀日常運維提供參考。

1 基本概況

SS-Y 型伸縮儀用于測量地殼表面兩點間基線長度的相對變化量（圖1）。為了提高該伸縮儀自身抗干擾能力，研制廠家采用膨脹系數極小的含鈮特種銦瓦棒材料為基線棒。應變伸縮儀觀測是全國定點形變臺重要觀測手段之一，正常記錄曲線光滑，固體潮清晰，觀測信號噪聲小，日變規律明顯（圖2），其主要用于洞體應變固體潮觀測及地震前兆地應變監測與研究，長期連續的觀測資料對區域地震活動趨勢的預測研究具有重要意義（徐春陽等，2009；趙慧琴等，2016）。

圖1 伸縮儀典型布設示意Fig.1 Typical layout of extensometer deployed in the cave

圖2 全國部分形變臺伸縮儀整點值曲線Fig.2 Hour-sampled curves observed by extensometer

2 故障事件分析

在2016—2018 年數據跟蹤分析工作中，共計對全國110 個臺站111 套伸縮儀觀測數據進行跟蹤分析，產出觀測系統事件1 040 條。其中：68 套儀器319 條事件由供電故障引起，54 套儀器169 條事件由傳感器故障引起，45 套儀器123 條事件由前置放大故障引起，49 套儀器117 條事件由數采故障引起，41 條事件由UPS 故障引起，20套儀器63 條事件由超量程故障引起，32 套儀器97 條事件由主機故障引起，23 套儀器57 條事件由線路故障引起，12 套儀器13 條事件由避雷故障引起，10 套儀器12 條事件由維修更換儀器引起，7 套儀器8 條事件由標定裝置故障引起，5 套儀器8 條事件由交直流切換干擾引起，6 套儀器6 條事件由擺系故障引起，5 套儀器5 條事件由通信故障引起，1 套儀器1 條事件由擺系（粘）靠擺引起，1 套儀器1 條事件由時鐘誤差引起。統計結果見表1、圖3。由表1 可知，全國SS-Y 型伸縮儀觀測系統突出故障主要有供電故障、傳感器故障、前置放大故障、數采器故障、主機故障，故障比例分別為31.67%、16.25%、11.83%、11.25%、9.33%。

圖3 故障類型事件統計Fig.3 Statistics of event by Fault type

表1 中國地球物理臺網SS-Y 型伸縮儀2016—2018 年觀測系統故障統計Table 1 Statistics of system faults of SS-Y extensometer of Chinese Geophysical Network

由表1、圖3 可知，2016—2018 年各類觀測系統故障事件中，傳感器、前置放大故障引起的缺測時段較長，充分反映了2 類故障的排查難度。而且，可能因備機、備件不足，需返廠檢修或重新購置，增加了數據缺測時長。總體來看，各類故障均處于逐年下降趨勢，充分說明基層臺站儀器維修水平在不斷提升，備機、備件的配備工作跟進速度在加快。

3 故障與記錄圖像實例分析

在臺站儀器維修工作中，首先通過觀測曲線形態發現并判斷故障類型及其位置，然后進行現場維修。簡單故障可及時解決，但對于復雜故障，需借助經驗判定，方可加快檢修進度，縮短資料斷記時間。若缺乏維修、維護經驗，在維修過程中可能擴大問題。因此，梳理并總結伸縮儀故障類型及對應解決辦法，可為地震前兆儀器的維修、維護提供一定參考。

3.1 傳感器故障

傳感器是SS-Y 型伸縮儀觀測系統的重要組成部分，當傳感器內部受潮或電子元件老化后，工作狀態開始不穩定，觀測曲線出現畸變。總結分析9 個臺站的傳感器故障事件，梳理其典型圖像特征（袁曲等，2007；盧雙苓等，2012）。

（1）傳感器受潮。該故障典型圖像特征是，在固體潮形態基礎上疊加高頻擾動、突跳、毛刺，固體潮形態隱約存在，但波形畸變、曲線不光滑并伴隨較多毛刺，潮汐曲線日變幅度減小，如涇縣地震臺伸縮儀EW 分量、上王地震臺伸縮儀EW 分量觀測曲線，見圖4 中(a)、(b)圖。故障原因是，觀測山洞濕度大，導致傳感器內部電子器件、接口、信號傳輸線接頭裸露處表面受潮，引起伸縮儀工作狀態不穩定。處理措施是，對傳感器進行干燥處理與密封，信號傳輸線接頭處擦掉水汽并風干、放置干燥劑、硅膠密封或包扎防潮材料。

（2）傳感器內部電子器件老化。長時間持續運行，導致傳感器內部電子器件老化，工作狀態逐漸不穩定，典型圖像特征有：①固體潮汐形態基本清晰但噪聲大，大幅度階躍式變化并疊加高頻擾動，故障典型圖像特征見包頭地震臺伸縮儀NS 分量、營口地震臺伸縮儀EW 分量、張家口地震臺伸縮儀NW 分量觀測曲線，見圖4 中(c)、(d)、(e)圖；②觀測曲線固體潮形態畸變嚴重，甚至無固體潮汐形態，出現突跳、噪聲大的現象，故障典型圖像特征見黃石地震臺伸縮儀EW 分量、湖州地震臺伸縮儀EW 分量、乾陵地震臺伸縮儀NS 分量、會昌地震臺伸縮儀NS 分量觀測曲線，見圖4 中(f)、(g)、(h)、(i)圖。此類故障處置措施是更換傳感器。

圖4 傳感器故障儀器記錄的典型圖像Fig.4 Typical images recorded by sensor fault instruments

（3）傳感器模塊故障。對于此類故障，除從上述數據曲線形態判斷外，還可通過以下幾點檢查措施予以判斷：①傳感器直流供電輸入電壓檢查：使用萬用表，測量前置盒輸入至傳感器的電壓是否在±20 V 左右，持續約1 min，觀察數值是否穩定；②檢查傳感器輸出信號電壓值：人為改變傳感器位移，監視輸出信號電壓是否存在變化；③檢查傳感器鐵芯與套筒是否有接觸：傳感器鐵芯與套筒的幾何中心軸線是否平行或者重合，切記傳感器鐵芯與套筒內壁不能有接觸或摩擦；④檢查是否存在傳感器受潮、插頭部位受潮、接觸不良等現象。

3.2 供電故障

SS-Y 型伸縮儀觀測站一般采用市電與電瓶經UPS 逆變后供電，當存在市電電壓不穩、UPS 故障、交直流切換等干擾時，典型圖像特征為脈沖型突跳、高頻擾動、固體潮畸變。按引起供電故障的原因，典型圖像可分為以下幾類：①觀測曲線出現背景噪聲增大和高頻干擾現象，如海拉爾地震臺伸縮儀EW 分量、NS 分量，因零線與地線混接引起干擾，重新接線后數據恢復正常，見圖5 中(a)、(b)圖；②觀測曲線出現尖銳脈沖型突跳，固體潮曲線畸變與突跳，如侯馬地震臺伸縮儀EW 分量、懷來地震臺伸縮儀NE 分量觀測曲線，見圖5 中(c)、(d)圖。觀測曲線有毛刺加粗、高頻擾動、噪聲大現象，如離石地震臺伸縮儀NE分量、莆田地震臺伸縮儀NE分量、佘山地震臺伸縮儀NS分量觀測曲線，見圖5中(e)、(f)、(g)圖。該現象由供電電壓不穩定所致，電壓穩定后，觀測曲線恢復正常；③開啟空調引起儀器設備供電電壓不穩定，觀測曲線噪聲大、曲線加粗、高頻突跳，關閉空調后，觀測數據恢復正常，如太原地震臺伸縮儀EW、NS 分量，見圖5 中(h)、(i)圖。處置措施是，將觀測儀器與其他外設備供電電源分開，確保儀器供電電壓穩定；④交直流供電電源切換干擾：為避免儀器雷雨天遭受雷擊，人為切換儀器供電電源，將交流供電切換為UPS電瓶供電，在此過程中，因UPS 延時造成瞬時干擾，觀測曲線出現瞬時階躍、尖峰脈沖、“拖尾”等典型圖像特征，見圖6。

圖5 供電故障引起的儀器記錄的典型圖像Fig.5 Typical images of power supply failure

圖6 交直流切換引起的儀器記錄的典型圖像Fig.6 Typical images recorded by instruments due to AC/DC switching

一般，查找與鎖定SS-Y 型伸縮儀觀測系統供電故障部位比較簡單，若發生諸如跳閘、燒斷保險、電瓶電量耗盡、UPS 故障等事件，檢查儀器面板指示燈顯示是否正常，或者使用萬用表測量儀器輸入電壓是否為220 V。而線路漏電、接觸不良、短路，用電干擾，直流電源、主機箱內電源模塊等存在的隱蔽性故障，則不易查實。

3.3 前置放大器故障

前置放大器是SS-Y 型伸縮儀主要部件之一，故障率較高。其主要功能是，對傳感器信號進行振蕩、檢波、零位調整電路、放大、二階有源濾波等，將觀測信號輸出至洞外主機箱數采部分。熟悉前置放大器接線點位，有利于出現故障時進行逐一排查（袁曲等，2007；盧雙苓等，2012）。總結分析9 個地震臺站SS-Y 型伸縮儀觀測系統前置盒故障典型事件（圖7），按故障發生原因進行分類總結。

圖7 前置放大器故障典型圖像Fig.7 Typical images of preamplifier failure

（1）前置放大器雷擊故障：雷擊故障典型圖像特征為產出無效數據，無固體潮汐形態，曲線呈一條直線，如會昌地震臺伸縮儀EW 分量、黃石地震臺伸縮儀EW 分量、南昌地震臺伸縮儀NS 分量觀測曲線，見圖7 中(a)、(b)、(c)圖。采取的處理措施是，更換前置放大器。

（2）前置放大器內部電子器件老化：典型圖像特征有無固體潮形態，毛刺加粗、高頻擾動、突跳，固體潮形態隱約存在但畸變嚴重，曲線噪聲大，如梧州地震臺伸縮儀NS 分量、離石地震臺伸縮儀NE 分量、南昌地震臺伸縮儀NS 分量、西山咀地震臺伸縮儀EW 分量觀測曲線，見圖7 中(d)、(e)、(f)、(g)圖。采取的處理措施是，更換前置放大器。

（3）前置盒面板接線柱松動：典型圖像特征為固體潮曲線畸變嚴重、噪聲大，如西山咀地震臺伸縮儀NS 分量，因前置盒內接線柱松動，導致直流供電電壓不穩，緊固接線柱后，觀測數據恢復正常，觀測曲線見圖7(h)。

（4）前置盒電路與器件受潮：典型圖像特征為固體潮曲線出現畸變、擾動加粗，如營口地震臺伸縮儀EW 分量、九江地震臺伸縮儀EW 分量，對前置放大器進行干燥處理后，觀測數據曲線恢復正常，見圖7 中(i)、(j)圖。

3.4 數據采集器故障

判斷是否為數據采集器故障，應查看采集信號電壓值是否超量程范圍（±2 V），超出±2 V 時數采顯示數據為0，此時需進行儀器調零。若采集數據在正常范圍內，則檢測主機電壓輸出與數據采集器采集電壓數據是否一致，若不一致則判定為數采問題（袁曲等，2007；盧雙苓等，2012）。

數據采集器故障典型圖像（圖8）特征有3 種類型：①觀測曲線固體潮畸變嚴重、噪聲變大、伴有突跳與擾動，如上王地震臺伸縮儀EW 分量、麗江地震臺伸縮儀NS 分量觀測曲線，見圖8 中(a)、(b)圖；②觀測曲線出現毛刺與擾動，日變形態隱約存在，如精河地震臺伸縮儀NS、EW 分量觀測曲線，見圖8 中(c)、(d)圖；③日變形態基本清晰，但固體潮曲線疊加間歇性擾動，如十堰柳林溝地震臺伸縮儀EW、NS 分量觀測曲線，見圖8 中(e)、(f)圖。解決措施是，更換數據采集器。

圖8 數采器故障典型圖像Fig.8 Typical images of digital collector failure

3.5 線路故障

觀測室內主機箱至洞室內傳感器之間的線路，一般用于弱電直流供電傳輸與觀測信號傳輸，具體包括直流供電傳輸、傳感器信號傳輸、標定電機供電傳輸。一般架設的電纜不能有中斷與焊接節點，涉及的關鍵連接點位有主機箱后面板接口、洞室內前置盒接口，這些點位易長期受潮腐蝕，導致線路接觸不良或漏電、短路等，故障率較高點位為洞室內接口。總結分析10 個地震臺站SS-Y 型伸縮儀典型線路故障事件，按線路故障出現的不同部位進行分類總結（圖9）。

圖9 線路故障典型圖像Fig.9 Typical images of line fault

（1）前置盒線路接口與接頭：①前置盒線路接頭處松動，觀測曲線出現階躍型變化并伴有高頻抖動，重新焊接后觀測數據恢復正常，如張家口地震臺伸縮儀NW 分量觀測曲線，見圖9(a)；②前置盒直流電源線接觸不良，觀測曲線出現多處突跳或臺階，重新焊接后觀測數據恢復正常，如黃梅地震臺伸縮儀NS 分量觀測曲線，見圖9(b)；③前置盒接口處信號線纜接頭部位氧化生銹，線纜航空插頭發霉銹蝕，曲線形態出現高頻脈沖擾動，更換線纜航空插頭，重新焊接信號線后觀測曲線恢復正常，如佘山地震臺伸縮儀NS 分量觀測曲線，見圖9(c)。

（2）主機線路接口與接頭：主機接口處信號線漏電，觀測曲線出現高頻干擾，線路檢修后觀測數據恢復正常，如海拉爾地震臺伸縮儀NS 分量觀測曲線，見圖9(d)。

（3）主機與前置盒之間的傳輸線路故障（信號與供電）：寧強地震臺伸縮儀NS、EW 分量觀測曲線出現無固體潮形態，后大幅度突跳，隨即信號超出量程，排查發現主機輸出電壓正常，但前置放大盒入口處無電壓，更換主機與放大盒之間線路后數據恢復正常，見圖9 中(e)、(f)圖。寧強臺伸縮儀EW 分量觀測數據曲線無固體潮形態，檢修發現，數據傳輸線破損短路，更換后恢復正常，見圖9(g)。煙臺地震臺伸縮儀EW 分量觀測曲線出現高頻擾動與毛刺，檢查發現，信號傳輸線銹蝕導致線路接觸不良，重新焊接后觀測數據恢復正常，見圖9(h)。馬陵山地震臺因整理線路，造成線路接觸不良，伸縮儀NS 分量觀測曲線無固體潮形態，維修后恢復正常，見圖9(i)。代縣地震臺伸縮儀因前置盒接口處受潮，NS 分量觀測曲線畸變，EW 分量觀測曲線高頻干擾，干燥處理后觀測數據恢復正常，見圖9(j)。

（4）數據采集器接口故障：數采端接口處信號線松動，觀測曲線出現階躍—高頻抖動變化，線路檢修后恢復正常觀測，如信陽地震臺伸縮儀EW 分量觀測曲線，見圖9(k)。

（5）接地線路故障：因主機輸出線的接地線接觸不良，觀測曲線出現高頻擾動，固體潮形態基本正常，接地線重新焊接后觀測數據恢復正常，如信陽地震臺伸縮儀EW 分量觀測曲線，見圖9(l)。

3.6 主機故障

伸縮儀主機箱主要功能有：①為前置放大器提供電源；②接收前置放大器的輸出信號；③將信號轉送至自動調零或應變數控儀；④將信號轉送EP-Ⅲ型采集控制器進行數據傳輸；⑤校準；⑥調零。幾例常見典型主機故障事件見圖10。

由圖10 可見：①呼和浩特、離石地震臺伸縮儀NS 分量觀測曲線無固體潮形態，見圖10 中(a)、(b)圖；②泗縣地震臺伸縮儀NE 分量觀測曲線特征表現為突跳、高頻擾動、階變、毛刺等變化形態，見圖10(c)。出現上述2 種現象，需更換主機。

若儀器受雷電影響出現死機現象，主機重啟即可恢復正常觀測，如涇縣地震臺伸縮儀NS 分量觀測曲線，見圖10(d)。

圖10 主機故障典型圖像Fig.10 Typical images of host failure

3.7 超量程

伸縮儀數據采集器的信號輸入電壓量程是[-2 V，+2 V]，若傳感器測量信號電壓超出該量程，則采集信號非真實電壓信號，電壓值顯示為零，記錄曲線形態特征為“階躍型上升→直線”或“階躍型下降→直線”，無固體潮汐形態（圖11）。為防測量信號超出量程范圍，一般信號電壓接近±1 800 mV 時應及時調零。

圖11 超量程故障典型圖像Fig.11 Typical over range fault images

正常情況下，儀器漂移速率不大，在每年2 次儀器標定時調零即可。降雨或強臺風、遠大震引起的階躍、維修或儀器檢修、進洞干擾等，均會引起觀測數據發生趨勢性的持續漂移，導致電壓信號超出數據采集器測量范圍。日常工作需加強監控傳感器電壓信號，并及時調零，可有效避免超量程故障發生。

3.8 避雷器故障

伸縮儀避雷裝置一般配置信號避雷器與電源避雷器，統計發現，信號避雷器故障率較高。信號避雷器發生故障時，固體潮汐曲線形態基本存在，在固體潮汐信號基礎上疊加高頻擾動與毛刺，如嘉祥、永勝、平利地震臺伸縮儀NS 分量以及佘山、信陽地震臺伸縮儀EW 分量觀測曲線，見圖12 中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)圖；電源避雷裝置發生故障時，觀測曲線無固體潮形態，如武都地震臺伸縮儀EW、NS 分量觀測曲線，見圖12(f)。對于此類故障，需摘除并及時修復避雷器，以恢復正常觀測。

4 結束語

利用國家前兆臺網數據跟蹤分析共享平臺，梳理并分析全國定點形變觀測臺SS-Y 型伸縮儀2016—2018 年數據跟蹤分析記錄事件的儀器維修事例，發現主要故障發生部位節點有前置放大盒、傳感器、主機、供電、傳輸線路、避雷器、標定裝置等，通過總結分析故障發生時觀測曲線圖像特征及解決措施，可為基層觀測人員日常運維、快速準確地判斷伸縮儀觀測系統故障位置提供參考，基于以上維修實例，可快速提高儀器的維修效率，為地震分析預報人員提供連續、穩定、可靠的觀測數據。