VP宽频带倾斜仪检修技术研究①

赵希磊

(1．安徽省地震局，安徽 合肥 230031； 2．安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站，安徽 蒙城 233500)

VP型宽频带垂直摆倾斜仪是中国地震局地震研究所在VS型倾斜仪基础之上研发的新型洞体形变观测设备，其优于千分之一角秒的分辨力和拓宽的频带不但满足了对地倾斜固体潮的观测，也能记录到孕震和长周期地震等更多地震信息[1-6]。作为当前最先进的洞体形变观测设备，VP倾斜仪具有观测精度高、洞体适应性强等特点，在安徽区域内得到了广泛应用[7]，已成为安徽洞体形变学科数量最多(7套)的主流观测设备。

然而，由于该仪器应用时间短(2013年首次入网观测)、精度高、内部设计复杂，仪器检修难度很大[8-14]。

1 VP倾斜仪工作原理

VP倾斜仪观测系统包括EP3数据采集器、主机、调零板、摆体及相关线路等，如图1所示。主机和数采通过2条5芯屏蔽线与洞室内调零板及摆体相连接，各部件功能分别为：数采采集DT2返回信号(±3.6 V以内的微变低压直流模拟信号)，模数转换后传输至数据库，通过网页控制仪器标定和调零；主机内置12 VDC电源模块，为调零板及摆体供电，接收DT2返回信号并实时显示，前面板可手动启动标定；调零板接收主机±12 V直流电，转换后为放大板、调零马达供电，采集DT1信号并实时显示，反向后输出DT2信号，控制调零马达工作状态；摆体内置两定片一动片，动片经钨丝传输信号至放大板，摆体底座连接马达可远程调零。

图1 倾斜仪结构示意图Fig.1 Inclinometer composition

作为VP倾斜仪最核心部件，调零板功能复杂、故障率高，下面按功能分3部分详细介绍其工作原理：

供电分布：总供电(±12 V)在①处，②处的7805、7905输出±5 V通过⑤为主放电路供电，③处7805、7905通过⑥为前放电路供电，④处7806、7906输出±6 V为调零电路供电。

信号传输：⑤处的DT1低通信号在⑦处外接数显屏显示实时数据，该信号经OP07芯片反向处理后，由⑧接口输出至连接数采的信号线。

调零控制：网页调零启动后，数采通过调零线路发出高电平(接近+9 V)调零信号，通过洞室内调零板上的C4和R11给出一个正向脉冲，使LF356的输出为+5 V，再通过OPA551输出-5 V，使继电器导通，马达即可转动，马达带动齿轮转动实现调零功能。在日常检修时，还可以短接调零板⑨处K和+6 V脚启动调零。

当拿到1块调零板，需对板子做3个检测，确保板子工作正常后方可使用：

检测1：供电检测，通±12 V电，检测⑤和⑥处±5 V是否正常。

检测2：信号检测，在⑦处临时外接显示模块，检测DT1与DT2信号是否反向及输出信号是否近0 mv。

检测3：调零检测，在⑩处临时外接一个马达，短接K和+6 V脚，观察马达转动情况。

2 故障分类

按照VP倾斜仪工作原理，故障可分为测量系统故障、调零系统故障和标定系统故障。

2.1 测量系统故障

2.1.1 测量系统检修流程

第1步：测量直流供电，排除电源板、供电线路及接触点故障。测量方法：在调零板上，使用万用表20 V直流档测量±12 V供电及±5 V供电。处理方法：重新焊接接触点、更换供电线路、更换7805等6个电压转换器件直至更换整块调零板。

第2步：测量钨丝阻值，排除悬块掉落及钨丝断开情况。测量方法：锁摆后，使用万用表200 Ω档在放大板测量钨丝阻值，正常范围是20～30 Ω之间。处理方法：打开摆体，重新固定悬块、另取一段钨丝进行焊接。

第3步：测量检波信号，排除放大板故障。测量方法：在调零板正上方标有JB字样的触点，使用示波器CH1通道信号线连接该触点(信号接JB脚，地接G)，开机后按自动设置按钮，屏幕会实时显示合适量程的检波信号(正常的检波信号见图3)。处理方法：查找放大板虚焊、接头掉落情况，更换所有芯片直至更换整块放大板。

图3 正常的检波信号示意图Fig.3 Normal detection signal

第4步：测量输出信号，排除调零板故障。测量方法：在调零板⑦处和⑧处(图2)，使用万用表测量低压直流信号，并与数码管显示屏及数采面板显示数据作比对。处理方法：查找调零板虚焊、接头掉落情况，更换OP07芯片直至更换整块调零板。虚焊实际是2个物体表面未能完全融为一体，通常表现为焊点脱落、信号传输时断时续、焊点表面暗淡、焊点锡少等情况。物体形状、物体表面不干净、烙铁未充分加热、焊点处理不当都会造成虚焊。正确的焊接方法：先清洁物体表面，刮去物体表面的锈迹，两面吃锡(使用含松香锡)，焊接时烙铁充分持续加热焊点，直至焊点呈有光泽的球面，待焊点降温后在表面涂抹一层防锈脂。

图2 调零板实物示意图Fig.2 Material object of zero adjustment board

2.1.2 检修实例

泾县地震台VP倾斜仪EW分向出现噪声变大情况，但固体潮基本正常。经与厂家和台站远程讨论交流，认为VP倾斜仪EW分向调零板信号输出最后一级OP07芯片疑似故障。对该仪器EW分向调零板芯片进行更换处理，处理前后数据曲线如图4所示。

图4 仪器检修前后数据曲线变化Fig.4 Data curve changes before and after instrument maintenance

由图可见，处理前数据曲线虽然固体潮清晰，但噪声水平较高、干扰较多；处理后数据曲线明显好转，噪声水平下降，干扰减少。

佛子岭地震台VP倾斜仪EW分向洞内外显示数据不一致，测试发现洞内显示值与输入显示屏电压不一致，确定为显示屏故障，更换后恢复正常。泾县地震台VP倾斜仪也出现过类似故障现象(洞内外显示数据不一致)，检查发现，洞内线路转接处存在信号线虚接情况，重新焊接后仪器恢复正常。

2.2 调零系统故障

该仪器调零系统常见故障现象主要有无法调零和调零不过零2种。第1种故障，可以通过测量调零系统各节点有无调零信号来锁定故障位置，分析可能出现的故障原因：数采内电路板故障、调零线路中断、调零芯片故障、马达烧坏、齿轮卡住。第2种故障，是由于仪器的工作环境影响，造成仪器底脚螺丝摩擦力增大，马达带不动齿轮转动。可以在调零板电阻R7(12 kΩ)上串联1个电阻(2.2 kΩ)，增大反馈电阻，使放大器的输出增大，保证马达可以带动齿轮转动，仪器调零可过零，若问题仍未解决，可尝试更换芯片(TL084CN)[15]。

2.3 标定系统故障

故障一般表现为标定记录中标定精度不合格。故障原因多为以下几种情况：① 标定控制线断开，由于线路一般超过100 m，接头较多，这种情况概率较大；② 标定控制芯片损坏；③ 仪器灵敏度过高导致数据漂移，影响标定结果。

针对不同情况有对应的故障处理方法，在确保线路连通正常、排除芯片故障后，如标定结果仍不合格，可采取降低仪器灵敏度操作。具体操作方法：硬件上使用降低灵敏度的调零板和放大板，软件上后台修改相应的偏角常数(修改值由标定结果计算得来)。随着灵敏度下降，格值放大8倍，可有效抑制数据曲线漂移。

3 结语

VP倾斜仪故障虽然错综复杂，通过剖析仪器各功能系统原理，提供仪器各类故障排查处理流程及仪器维修实例，证明该运维流程科学合理，为仪器检修技术人员提供借鉴。

感谢湖北省地震局吴艳霞博士提供技术支持！