新疆区域钻孔倾斜仪观测系统典型故障及故障处理①

关冬晓， 李晓东， 斯 琴， 雷 晴， 颜 龙， 郭春生， 王 斌

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

钻孔倾斜仪是用来测量地壳微量倾斜和记录地球倾斜固体潮的仪器，相对于传统的洞体形变仪器，钻孔倾斜仪对台基的要求不高，基岩、破碎带、土层甚至海底都能正常观测，因仪器安装在地下几十米到几百米的钻孔内，可以避免人类活动和气象因素的干扰。经过网络化、数字化等多次改进升级，已成为中国地形变台网的主要仪器之一。台网观测运行评价必须以准确可靠的观测资料为基础，观测仪器运行是否稳定、故障处理是否及时，将直接影响地球物理台网整体运行质量及观测资料的连续率和完整率[1]，如果故障周期较长，观测数据不可用，将对观测资料产生不可逆的影响，观测资料的使用价值就会降低很多[2-5]。

新疆区域目前运行钻孔倾斜仪共28套，仪器长期运行过程中会不可避免的出现各种问题和故障，据新疆地球物理台网数据跟踪分析统计结果，2017～2020年共记录到钻孔倾斜仪观测系统事件125条，其中数据采集器故障57条，传感器故障53条，供电故障14条，网络通讯故障1条，且故障频次呈逐年递增的趋势，严重影响了观测数据的连续率和完整率[6]。本文中针对近年钻孔倾斜仪运行中出现的典型故障现象和原因进行分析总结，为今后观测中仪器故障的快速判定以及日常运维提供参考，从而缩短仪器维护时间和提高仪器的运行率。

1 钻孔倾斜仪观测系统简介

钻孔倾斜仪系统由竖直摆钻孔倾斜仪传感器、数据采集仪、网络数据交换机、数据分析软件和智能防雷系统等组成。

目前台站使用的数据采集器型号是THDCC-1412型冗余数采。其处理器以ATMEL的ARM9为核心，采用24位高精度Δ-∑A/D转换器对竖直摆倾斜仪的NS向和EW向电压信号进行采集，每个方向被分为滤波值和实时值，可以同一时刻纯硬件、无延时、高准确度的采集4路电压信号，并对电压信号进行存储传输。

井下传感器核心部分是一个竖直悬挂的重力摆[7]，全部元件装在一个耐压的密封不锈钢钢筒内，摆盒下方有2个由电机驱动的调整机构，用来调整摆体以使平行板电容传感器处于最佳工作位置，摆盒内还装有静电标定或电磁标定装置，用来标定仪器并计算格值。摆的下部设有检测摆位移量的电容测微器，当地壳产生倾斜时，自由悬挂的摆体相对于与地表连接的支撑架发生相对位移，数据采集器将此微小位移量转换成电压变化，经专用电缆传输到数据采集器，数据采集器再把电压转变成数字量记录并存储。

2 典型故障及故障处理

2.1 数采故障

根据数据跟踪分析结果显示，2017～2020年，新疆区域钻孔倾斜仪数据采集器故障在观测系统故障中占比为45%。数采故障的类型包括内部电源故障、主板故障、网络模块故障、内存卡故障、程序死机、设置参数错误等[8]，数采故障会造成原始数据缺失(图1a)、观测数据脉冲(图1b)、产出错误数据(图1c)或噪声大(图1d)等情况。

图1 数采故障典型曲线(a) 数据采集中断 (b) 数采输出故障 (c) 主板故障 (d) 重启后采集程序错误Fig.1 Typical curves of data acquisition fault

通过查阅台站工作日志，结合日常运维经验，数采故障可分为三类：即数据采集故障、数据传输故障和现场调零标定故障。

① 数据采集故障中一类是数据采集中断，即数采不能正常工作；另一类是数采正常工作，但采集数据偏大、偏小，甚至为无效值。此类故障多为数采自身输出故障，线路连接故障、主板故障或程序出现问题。遇到这类故障时，需要检测设备运行情况、电流输出是否正常、线路连接是否牢固、驱动程序是否正常运行，判断是否为数采故障[9-10]。

② 数据传输故障表现为数采正常，但服务器或冗余数采中无数据。此类故障出现在数采到服务器传输过程中，在确认网络通讯正常后，故障出现的原因可能是数据传输模块、网络模块故障。处理此类故障应首先检查数据传输模块供电是否正常、主板到数据传输模块间的连接线是否牢固、设置的端口是否正确等。通过对以上设备的故障排查，判断故障是否来自于数据传输模块。

③ 现场调零标定故障一般情况下无法进入现场控制模式或调零标定按键不可用，若现场无法进行调零标定，但上位机软件可以启动调零标定，可使用万用表测量现场控制按键和控制板上的PD7是否连通，连通则按键正常，检查按键连接线是否正常连接和控制板的X9是否插好，是否连通，若非以上问题，可能是主板出现问题，需返厂维修；若调零标定按键不可用，检查继电器反应是否正常，如果按键小灯正常，说明按键没有问题，继电器没有问题，需要返厂。

一般情况下，数采故障持续时间短，通过更换备用电路板或备机即可恢复正常工作。

2.2 传感器故障

传感器故障在观测系统故障中占比为42%，传感器故障包括摆系故障、信号板故障和电路故障，传感器故障一般由套管生锈、与大地耦合不佳、仪器老化或雷击造成的[11]。传感器故障表现为数据畸变、台阶、数据超限、无法正常调零等(图2)。

图2 传感器故障典型曲线(a) 线路故障 (b) 电路板、信号板损毁 (c) 摆系故障 (d) 传感器耦合滑动Fig.2 Typical curves of sensor failure

因传感器故障造成的数据不规则变化分为两类，一类是传感器本身故障造成的[12]，一般情况下，可通过冗余数采信号表、按钮等判断传感器故障位置：① 正常情况下，受地脉动影响，NS、EW 2个指示表表针在工作区并有晃动，如果表针靠边或在零点并静止不动，调零无反应，说明传感器损坏；② 数采屏幕显示数值应该信号指示表电压一致，如果二者相差很大说明有源滤波器故障；③ 拨动标定开关，信号表针无变化，说明传感器故障；④ 电机电流监视表判断传感器是否正常，正常情况下，传感器工作电流20～30 mA，如果工作电流超过50 mA，判断为传感器电路损坏；⑤ 调整井下电机时，电机工作电流正常在10 mA以下，如果超过30 mA说明电机卡死；此类故障多由仪器老化和雷击造成，一般需要提摆维修，更换相应的电路板，信号板等，维修后一段时间数据漂移较大，需要1～3个月甚至更长时间才能稳定，严重影响观测数据质量。

另一类是因井孔套管生锈、泥沙、仪器与井管耦合不佳造成的数据变化。钻孔倾斜仪是一种非常精密的仪器，地基和井孔的任何不稳定因素都会反映到将来的观测数据之中，直接影响观测数据的质量，因仪器耦合不佳造成的数据变化，可打开井口，甩动电缆使波动传到仪器，或经一个机械冲击，看信号表晃动范围，如果井下探头已经与井壁结合紧密,电压指针基本不动，若表针变化幅度大，说明未固定紧，需要加固；井底或井壁附着的泥沙、铁锈都会造成仪器和井孔耦合失效，甚至造成仪器被埋无法取出维修。因仪器耦合不佳造成的台阶畸变，维修时可将传感器稍微提起后重新放置，以改变其耦合状态，但此方法并不能从根本上解决问题，需要在台站勘选，井孔施工时严格按照规范进行相关工作。

2.3 供电故障

供电系统是台站正常运行的基本保障，台站供电方式主要有交流电供电和太阳能供电2种方式，太阳能供电故障频次远高于交流电。交流电供电故障主要是受市电断电和供电线路故障影响，太阳能供电故障主要是太阳能电池板故障、供电线路某一段开路或接线松动、控制器模块故障和UPS超过使用年限。供电系统发生故障后，观测曲线一般表现为缺数，突跳或者台阶。

目前，新疆大多数地球物理台站供电系统，在仪器的前端加载有UPS电源，以备停电后能继续连续监测[13]，从而获取完整观测资料。但是从统计结果发现，由于对UPS电源维护不到位或者电瓶老化等原因，发生停电后，UPS电源不能长时间供电，造成数据缺测，供电恢复后会产生脉冲，或者出现短时漂移现象。同时在交直流切换过程中数据容易产生台阶、突跳，锯齿形震荡等变化，影响观测数据的观测质量(图3)。

图3 供电故障典型曲线(a) 电压不稳 (b) 供电不足Fig.3 Typical curves of power supply failure

针对供电系统的维护管理手段包括：① 安装供电设备时，严格按照产品说明，依次连接供电设备各个组成部分，蓄电池保持水平、正立放置，太阳能板朝南安装; ② 检查设备机箱防水条密封性，机箱散热口通畅性，确保蓄电池在适宜环境下工作;③ 定期对备用电池进行一次容量恢复性充放电试验，活化蓄电池内的活化物质，保证备用蓄电池有足够的容量; ④ 检修时检测控制器模块、蓄电池充电电压、充电电流。具体流程见图4。

图4 太阳能供电系统故障检修维护方法流程Fig.4 Troubleshooting and maintenance methods of solar power supply system

2.4 网络通讯故障

仪器所产生的数据需要稳定的网络进行传输，网络通讯故障(包括计算机与服务器、服务器与数采之间的通讯)，直接导致计算机和服务器连接失败，数据无法转换和预处理。因网络通信涉及通信环境是否稳定、光缆、链路是否通畅、网线、站点路由、分中心路由、交换机等设备是否运行正常、通信基站等关键设备是否正常供电、分中心协议转换器、光电转换器等设备是否老化等问题[14]。在传输路径上，网络通讯中断的因素有通信光缆遭到破坏，一些偏僻的通信基站因太阳能无法正常供电而导致的关键节点中断，网线、路由器、交换机等设备老化造成的通讯中断等。台站运行中，发生的通信故障多为无线传输链路，供电、网络运营商及硬件自身问题影响较大[15]。新疆区域地球物理台站一半以上是无人值守台站，传输通信设备出现故障对无人值守台站数据的连续率有较大影响，尤其是3G网络传输的台站。网络通讯故障发生后，要及时对网络进行检查，排除故障，直到建联为止。

3 结语

钻孔倾斜仪运维中首先要保障观测系统运行正常，观测系统故障处理的及时与否直接关系到地球物理观测台网系统的整体运行，如何降低仪器故障率，保障数据观测质量，需要从根本上解决问题。

(1) 观测场地勘选。观测台站选址应按照“地震前兆数字观测技术规范”地壳形变观测规定进行。台站尽量选在活动断裂带附近，但要离开破碎带，台基岩性坚硬完整，致密均匀(如花岗岩、石英砂岩、石灰岩等)，避开风口、山洪汇流处和泥石流、滑坡、溶洞发育地带，避开江、湖、河、水库、深层抽水注水、温泉、自流井、大型仓库、铁路、主干公路和爆破等干扰源；观测井孔是钻孔倾斜仪的工作环境，井孔的好坏直接影响以后产出的数据质量，井孔尽量选在结构完整的基岩(花岗岩、石灰岩等)上，套管孔径和材质符合相关技术要求。

(2) 保障供电的连续性及稳定性。台站人员需定期对UPS进行放电维护，及时检查供电系统及线路，对出现隐患的供电线路及早更换。

(3) 完善防雷接地系统。仪器安装时虽在钻孔倾斜仪交流电源入口和信号输入处都增加了防雷器，但只能减少一般雷电对仪器的损害，在雷电较强的地区建议对观测台站布设完善的防雷措施，防雷装置也应做好周期性和日常维护。

(4) 加强台站人员维修能力的培养。目前新疆区域钻孔倾斜仪故障很大程度依靠仪器厂家进行维修，造成维修周期不可控。加强对维护人员及台站人员维修能力的培养，可以最大可能缩短故障时间，保障数据的连续率。

(5) 增加备用仪器。新疆区域幅员辽阔，片区维修中心应适当增加备机备件，备用设备应当经常检查、通电维护，保证在仪器出现故障时能够尽快恢复观测，缩短维修周期。

感谢河南震安科技有限公司张喜振工程师在台站升级改造和现场维修中给予的指导与帮助！