TJ-Ⅱ型鉆孔應(yīng)變儀維護(hù)技術(shù)

全建軍， 方傳極， 鄭永通， 鄭志泓， 劉水蓮， 劉禮誠， 陳美梅， 龔 薇

(1.福建省地震局永安地震臺，福建，永安 366000；2.福建省地震局南平儀器維修分中心，福建 南平 363000；3.福建省地震局泉龍巖地震臺，福建 龍巖 364000； 4.福建省地震局邵武地震臺，福建 邵武 354000)

技術(shù)交流

TJ-Ⅱ型鉆孔應(yīng)變儀維護(hù)技術(shù)

全建軍1，2， 方傳極2， 鄭永通3， 鄭志泓4， 劉水蓮1， 劉禮誠1， 陳美梅1， 龔 薇2

(1.福建省地震局永安地震臺，福建，永安 366000；2.福建省地震局南平儀器維修分中心，福建 南平 363000；3.福建省地震局泉龍巖地震臺，福建 龍巖 364000； 4.福建省地震局邵武地震臺，福建 邵武 354000)

介紹TJ-Ⅱ型鉆孔應(yīng)變儀的基本原理與系統(tǒng)構(gòu)成，著重介紹儀器常見故障的現(xiàn)象與原因，以及檢修方法與流程。

鉆孔應(yīng)變儀； 日常檢查； 故障檢修

0 引言

TJ-Ⅱ型鉆孔應(yīng)變儀是一種觀測地殼應(yīng)變，研究地球物理學(xué)和地球動力學(xué)的動態(tài)觀測儀器[1]。儀器安裝在鉆孔內(nèi)，使用特種水泥作為耦合介質(zhì)，具有較高的觀測精度和穩(wěn)定性，可以記錄到清晰的固體潮汐和地震孕育過程中地殼的伸縮變形，適用于觀測地殼應(yīng)變和固體潮汐的連續(xù)變化，為研究地震孕育過程的應(yīng)變變化規(guī)律提供數(shù)據(jù)，也為地球彈性研究提供重要參數(shù)指標(biāo)[2]。通過鉆孔應(yīng)變儀精密觀測地殼內(nèi)部的應(yīng)變狀態(tài)，熟悉地震應(yīng)變前兆的短、中、長期，臨震與震后調(diào)整的時(shí)空分布和變化發(fā)展規(guī)律，為探索地震學(xué)以及防震減災(zāi)工程建設(shè)提供基礎(chǔ)性研究數(shù)據(jù)[3]。

我國是最早對地應(yīng)力(應(yīng)變)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測并將其用于地震分析預(yù)報(bào)的國家，從1962年廣東新豐江水庫6.1級地震發(fā)生后中國就開始新建新豐江試驗(yàn)應(yīng)力觀測站。經(jīng)過“九五”、“十五”和“十一五”三個(gè)期間地震前兆觀測臺網(wǎng)的建設(shè)與優(yōu)化，目前我國已有100多套TJ-Ⅱ型鉆孔應(yīng)變儀投入運(yùn)行。儀器在運(yùn)行過程中，無法避免會發(fā)生故障，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率或觀測精度降低，影響觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量[4]。因此對儀器進(jìn)行細(xì)致維護(hù)和及時(shí)檢修可以有效提高形變觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。日常的維護(hù)和及時(shí)檢修，要求工作人員不但需要具有基本的維修技能，還要了解系統(tǒng)的測量原理、儀器的組成和結(jié)構(gòu)、測量過程及產(chǎn)出數(shù)據(jù)，這樣才能合理分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)干擾源或找到儀器的故障點(diǎn)。

1 基本原理與系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 基本原理

鉆孔體應(yīng)變儀是將探頭置于巖石鉆孔中，用黏接劑(特種水泥)與巖石剛性聯(lián)結(jié)，巖石的應(yīng)變變化作用于探頭，使探頭的體積產(chǎn)生相應(yīng)的變化，于是探頭內(nèi)的油液產(chǎn)生壓力變化，再由探頭中的壓力傳感器將該壓力變化變?yōu)殡娦盘栞敵?，?jīng)探頭內(nèi)的前置放大電路后，通過電纜送往地面電子儀器[5]。

地面電子儀器將井下送上來的電信號進(jìn)行濾波后送給外接數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行記錄，同時(shí)濾波后的信號經(jīng)阻抗變換后送給一級加法器，為適應(yīng)用電子差位計(jì)進(jìn)行記錄時(shí)，調(diào)整記錄曲線在紙面上的位置。經(jīng)阻抗變換后的信號除了送給加法器外，還送給自動開閥電路，使信號在接近±2 V時(shí)井下電磁閥自動短暫打開，卸掉探頭所積累的應(yīng)變(不是巖石)，重新開始積累，以達(dá)到保護(hù)傳感器、擴(kuò)展量程的功效。

此外地面電子儀器還能產(chǎn)生一個(gè)2 s的恒流信號(標(biāo)定信號)送給井下探頭中的一個(gè)電阻絲，電阻絲發(fā)熱使硅油產(chǎn)生微小膨脹，以檢查整個(gè)測量系統(tǒng)的靈敏度。地面電子儀器輸出的電信號與井下探頭感受的應(yīng)變信號有明確的對應(yīng)關(guān)系，這一對應(yīng)關(guān)系由靈敏系數(shù)或格值給出。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

TJ-Ⅱ型鉆孔應(yīng)變儀測量系統(tǒng)由鉆孔應(yīng)變儀主機(jī)、探頭以及相應(yīng)的連接線路構(gòu)成。

(1) 主機(jī)部分

TJ-Ⅱ型鉆孔應(yīng)變儀主機(jī)主要由變壓器、電源模塊、模擬模塊、采集模塊、避雷模塊以及嵌入式控制模塊等組成。

電源模塊：由變壓器或電瓶12 V進(jìn)入電源板，生成：①顯示使用的5 V；②供標(biāo)定開閥的可調(diào)電壓±10 V，供信號電路及井下傳感部分用電±9 V；③還有一組整流、濾波輸出給小電源板，在小電源板生成兩組5 V，供A/D采集模塊、控制模塊使用。

模擬模塊：包含傳感器信號放大電路、傳感器調(diào)零控制電路及傳感器標(biāo)定控制電路，主要實(shí)現(xiàn)體應(yīng)變井下信號、輔助氣壓信號、水位信號及溫度信號的集合，為各電路提供電源，同時(shí)設(shè)計(jì)有專供體應(yīng)變井下部分的避雷系統(tǒng)，一旦遭遇雷電侵襲，能及時(shí)阻斷高壓、大電流通向探頭，有效保護(hù)儀器和探頭不受損壞。

采集模塊：A/D采集模塊將輸出的體應(yīng)變井下信號、輔助氣壓信號、水位信號及溫度信號做A/D轉(zhuǎn)換后通過RS232口送給控制板。本機(jī)A/D轉(zhuǎn)換芯片采用了凌特(Linear)公司的LTC2400數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。LTC2400是一種微功耗、高精度的24位A/D轉(zhuǎn)換器，芯片內(nèi)部集成了振蕩器，工作電壓范圍為2.7～5.5 V，積分線性誤差(INL)為4 ppm。通過對LTC2400芯片F(xiàn)0腳的設(shè)置，可以對輸入信號中的50 Hz或60 Hz干擾進(jìn)行大于110 dB的抑制，或采用片外的振蕩器輸入抑制范圍1～120 Hz中的干擾信號。芯片采用△一∑技術(shù)及獨(dú)特的體系結(jié)構(gòu)，建立時(shí)間為單周期，消除了數(shù)字濾波器達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的等待時(shí)間，供電電流僅為200 μA(待機(jī)時(shí)為20 μA)。

嵌入式控制模塊：控制模塊采用SB-810C主板，該主板是一款面向工業(yè)自動化領(lǐng)域的高性價(jià)比嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊，能與一般的PC機(jī)完全兼容，支持Linux和WindowsCE操作系統(tǒng)?？刂颇K通過RS232串行接口與A/D采集板相連接，通過RJ45網(wǎng)絡(luò)接口與外部網(wǎng)絡(luò)相連，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、遠(yuǎn)程傳輸以及遠(yuǎn)程控制等功能。

(2) 探頭部分

TJ-Ⅱ型鉆孔應(yīng)變儀探頭部分是由一個(gè)長約1 000～3 000 mm、外徑約100～120 mm的長圓形彈性鋼筒組成。長圓形鋼筒內(nèi)有一個(gè)隔板，將鋼筒分為上下腔室。下腔室又稱感受腔，其內(nèi)充滿硅油并設(shè)有金屬芯柱，金屬芯柱可使探頭的靈敏度提高，同時(shí)加大探頭自身的比重，使探頭在井下安裝時(shí)能自行沉入孔底的水泥中。上腔室內(nèi)裝有差壓傳感器、備用傳感器、電磁閥以及標(biāo)定電阻絲，也充有硅油，但在硅油的上方充有氬氣。由于氬氣的存在，上腔的壓力基本恒定，但在下腔只要外力使得腔室的體積有微量變化，由于硅油難以壓縮，硅油的壓力P即會產(chǎn)生明顯變化，差壓傳感器就能感受到上腔室與下腔室的壓力差。備用傳感器是為了延長探頭的使用壽命，一旦主體傳感器損壞(例如遭雷擊)，可以將備用傳感器接替運(yùn)行。

2 常見故障與維修

地下探頭、地面主機(jī)、交換機(jī)、寬帶通信及計(jì)算機(jī)等一起構(gòu)成體應(yīng)變儀觀測系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要組成部分都是集成的，任何一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生故障都會對整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致地震前兆數(shù)據(jù)丟失。本文以幾次典型的故障現(xiàn)象為例，詳細(xì)分析和論述故障產(chǎn)生的原因和具體的解決辦法。

2.1 數(shù)據(jù)類故障

(1) 觀測數(shù)據(jù)噪聲變大、觀測曲線變粗

TJ-Ⅱ型鉆孔應(yīng)變儀在運(yùn)行過程中有時(shí)會出現(xiàn)數(shù)據(jù)噪聲變大、觀測曲線變粗，但數(shù)據(jù)曲線形態(tài)基本正常的現(xiàn)象(圖1)。根據(jù)以往維修經(jīng)驗(yàn)判斷，這種情況一般是沒有良好的接地，采集數(shù)據(jù)引入了50 Hz電源干擾噪聲造成的。當(dāng)儀器的交流電線路與信號線相距較近時(shí)，交流干擾信號會通過信號線耦合到儀器中，如果儀器沒有進(jìn)行良好的接地，就會造成觀測數(shù)據(jù)的噪聲變大。解決辦法：臺站維修人員可以用導(dǎo)線(地線)將TJ-Ⅱ型鉆孔應(yīng)變儀主機(jī)上的接地柱與打入地下的導(dǎo)體相連接，使高頻干擾噪聲消失，地面儀器記錄波形恢復(fù)正常。

圖1 永安地震臺體應(yīng)變儀接地不良的數(shù)據(jù)曲線Fig.1 Data curve affected by bad grounding of strain gauge in Yong’an seismic station

鉆孔應(yīng)變儀地線的可靠接入是防雷與抗干擾的首要保障，接地質(zhì)量的好壞直接影響采集數(shù)據(jù)的好壞。合格的地線要滿足兩個(gè)條件：①有獨(dú)立架設(shè)的地線，接地電阻不大于5 Ω；②系統(tǒng)地線分工作地和保護(hù)地，采用單點(diǎn)接地方式，不能與水管、鋼筋等土建“地”連為一體。

值得注意的是氣象因素和周邊環(huán)境也可能影響儀器的工作狀態(tài)，導(dǎo)致輸出曲線噪聲變大，但這種隨氣象要素、周邊環(huán)境的變化而形成的噪聲不需要任何維修就會自行恢復(fù)。

(2) 儀器未停電或重啟卻有丟失數(shù)據(jù)現(xiàn)象

TJ-Ⅱ型鉆孔應(yīng)變儀在運(yùn)行過程中未曾停電或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布重啟命令，但儀器接收到的數(shù)據(jù)卻有丟失現(xiàn)象。此類數(shù)據(jù)故障主要是由校對時(shí)鐘引起的，如果日常工作中通過計(jì)算機(jī)命令校對了系統(tǒng)時(shí)鐘，而系統(tǒng)連接的計(jì)算機(jī)又有若干臺，計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的時(shí)鐘存在差異，多臺計(jì)算機(jī)校對后有可能出現(xiàn)儀器丟失數(shù)據(jù)現(xiàn)象。此類問題的解決辦法是：采用SNTP(Simple Network Time Protocol)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)授時(shí)校對系統(tǒng)時(shí)鐘。由于TJ-Ⅱ型鉆孔應(yīng)變儀自身會在9時(shí)22分采用SNTP標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)授時(shí)協(xié)議啟動進(jìn)程來校對系統(tǒng)時(shí)鐘，該進(jìn)程1分鐘后終止，所以工作人員盡量不要采用計(jì)算機(jī)命令校對系統(tǒng)時(shí)鐘。

(3) 儀器不穩(wěn)定導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)突跳、不規(guī)則臺階

儀器的不穩(wěn)定指的是在時(shí)間因素作用下，觀測系統(tǒng)各個(gè)部件性能的量變或者質(zhì)變等造成的測值變動[6]，使得測值中偶爾出現(xiàn)不明原因的不規(guī)則臺階、突跳。2007—2013年永安臺體應(yīng)變所記錄到的這一現(xiàn)象超過40次。但有一些記錄是有原因的，如2007年1月2-3日永安地區(qū)連續(xù)降雨，3日體應(yīng)變及輔助測項(xiàng)同時(shí)出現(xiàn)電信號干擾引起突跳(圖2)。

圖2 永安地震臺體應(yīng)變突跳與預(yù)處理曲線對比圖Fig.2 Comparison of sudden jump curve and pretreatment curve of body strain at Yong’an seismic station

實(shí)際上，儀器的不穩(wěn)定性主要表現(xiàn)為電路的某些故障[7](接觸不良、漏電、地電流干擾及電磁干擾等)；巖體的不穩(wěn)定在新打的鉆孔上更明顯，如鉆孔巖面開挖后的自然崩落、井孔附近作業(yè)造成井內(nèi)巖石小碎塊的掉落,這些影響需要觀測人員的細(xì)心謹(jǐn)慎，詳細(xì)記錄每一個(gè)觀測環(huán)境的變化事件，否則會使得許多臺階、突跳無法找到原因，也無法判斷其是否為地震前兆信息。

2.2 電源故障

(1) 顯示屏無法正常顯示，但輸出信號(電壓)正常。故障處理：當(dāng)主機(jī)前面板的顯示屏不亮?xí)r，應(yīng)檢查儀器面板上的通道按鈕是否開啟，儀器的交流保險(xiǎn)絲是否完好(交流保險(xiǎn)絲為1 A)，開蓋檢查儀器內(nèi)主板至顯示屏的線路及其接插件是否松動、氧化或 斷路接觸不良。若以上都正常，則應(yīng)檢查交流電是否已停電、直流電壓是否已降至11 V以下，因?yàn)樵诮涣鞴╇娬r(shí)，只有電瓶未接或嚴(yán)重缺電，同時(shí)交流保險(xiǎn)絲燒斷，才可能導(dǎo)致開機(jī)后顯示屏無法正常顯示。若不是以上原因，考慮到顯示屏上的5 V電源是變壓器送出的AC 8 V經(jīng)整流濾波后，再經(jīng)7805穩(wěn)壓后供給，所以也有可能是主機(jī)運(yùn)行時(shí)間過長，而出現(xiàn)電源線接觸不良或主板故障，此時(shí)可以將數(shù)采打開，重新固定電源線或聯(lián)系廠家更換主板。

(2) 數(shù)采器收不到信號或信號不穩(wěn)定。故障分析：兩個(gè)交流12 V經(jīng)整流濾波后分別送給7809和7909穩(wěn)壓，提供給放大電路和井下前級電路±9 V恒定的電壓。若測量系統(tǒng)出現(xiàn)問題，例如數(shù)采器收不到信號或信號不穩(wěn)定等，應(yīng)首先檢查這±9 V電源是否穩(wěn)定,其次應(yīng)檢查電纜插頭與地面儀器的插座是否接觸良好，如果接觸不良也會導(dǎo)致井下信息的傳送受阻，或是井下前級電路不能得到供電。解決辦法:若7809或7909穩(wěn)壓器出現(xiàn)故障應(yīng)進(jìn)行更換；若與地面儀器接觸不良應(yīng)重新拔插電纜插頭。

(3) 在日常觀測過程中，電源不穩(wěn)導(dǎo)致觀測曲線出現(xiàn)畸變異常，且這種畸變圖像是多式多樣的。2013年6月14日永安臺體應(yīng)變曲線多次出現(xiàn)突跳(圖3)，經(jīng)檢查為市電電源電壓不穩(wěn)定導(dǎo)致。2013年7月12日8：40及23∶10，出現(xiàn)2次類似標(biāo)定的階躍(圖3)。解決辦法：鉆孔應(yīng)變儀最好配備UPS以提供穩(wěn)定的電源電壓，UPS電池每年充放電一次，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)更換處理(電池為每三年進(jìn)行一次更換)，保證UPS設(shè)備可靠工作。電源干擾現(xiàn)象在實(shí)際觀測中是非常常見的，當(dāng)發(fā)現(xiàn)曲線出現(xiàn)畸變時(shí)，應(yīng)首先對電源進(jìn)行排查。

圖3 永安臺體應(yīng)變儀受電源影響的數(shù)據(jù)曲線Fig.3 The data curve affected by power at Yong’an station

2.3 通訊類故障

工作機(jī)有時(shí)無法正常連接到體應(yīng)變儀下載觀測數(shù)據(jù)，主要表現(xiàn)為儀器IP無法PING通，網(wǎng)頁查看儀器工作狀態(tài)無法登陸頁面。鉆孔應(yīng)變儀通訊連接出現(xiàn)中斷的的主要原因可歸納為2大類：網(wǎng)絡(luò)鏈路故障和網(wǎng)絡(luò)通信工控板系統(tǒng)故障。前者的原因較多，有路由器故障、交換機(jī)故障、路由器或交換機(jī)與儀器連接的雙絞線斷線、RJ45插頭與接口接觸不實(shí)等。后者主要是工控機(jī)開關(guān)電源損壞、程序存儲卡損壞、SB-810C工控板損壞等。

2.3.1 網(wǎng)絡(luò)鏈路故障

永安地震臺TJ-Ⅱ型鉆孔應(yīng)變儀維護(hù)過程中出現(xiàn)的通訊故障大多是網(wǎng)絡(luò)鏈路故障引起的。因此在進(jìn)行通訊故障排查時(shí)，應(yīng)首先排查是否屬于網(wǎng)絡(luò)通訊鏈路故障。永安臺體應(yīng)變儀網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行過防雷優(yōu)化改造，在體應(yīng)變儀通信單元端用網(wǎng)線與光貓連接，再通過光纖傳輸至臺站辦公樓與另一臺光貓連接，然后該光貓通過網(wǎng)線與一小交換機(jī)連接再將數(shù)據(jù)傳輸至信息節(jié)點(diǎn)機(jī)房的核心路由器與省局內(nèi)網(wǎng)連接。這樣的連接方式較為復(fù)雜，因此網(wǎng)絡(luò)故障判斷要逐一排查，首先檢查網(wǎng)線或光線頭是否接觸不實(shí)或斷線，具體可以觀察路由交換機(jī)或光貓的端口狀態(tài)燈是否正常。如果傳輸鏈路中有交換機(jī)或者光貓死機(jī)故障等則可以用筆記本進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測試，將筆記本的網(wǎng)段設(shè)置成與儀器IP同網(wǎng)段，然后將網(wǎng)線插入筆記本使用PING命令看是否連通，這樣逐級排查就可以發(fā)現(xiàn)是從哪一級開始就無法連通的。再觀察該設(shè)備狀態(tài)是否正常，進(jìn)行斷電重啟看是否恢復(fù)，如仍無法恢復(fù)則應(yīng)更換該設(shè)備檢查是否設(shè)備故障直到網(wǎng)絡(luò)連通恢復(fù)[7]。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)通信工控機(jī)系統(tǒng)故障

若進(jìn)行了上述方法排查后仍無法解決通訊故障，則應(yīng)考慮是否為源頭的網(wǎng)絡(luò)通信工控板系統(tǒng)故障。

(1) 工控板開關(guān)電源損壞。SB-810C工控板是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信工控板系統(tǒng)中最重要的元器件，其正常工作需要5 V的直流電壓，這就需要將220 V的交流輸入轉(zhuǎn)換成5 V直流輸出為其供電，通過網(wǎng)絡(luò)通信工控板系統(tǒng)內(nèi)部的開關(guān)電源可以實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換操作。在網(wǎng)絡(luò)通信工控機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部鄰近供電電源輸入接口位置有一個(gè)長方體模塊，即開關(guān)電源，其作用是將220 V交流電壓轉(zhuǎn)換成5 V直流電壓。開關(guān)電源故障的主要現(xiàn)象是：可以正常輸入220 V交流電壓，但電源降壓輸出端輸出的電壓不是直流5 V或沒有電壓輸出，同時(shí)SB-810C工控板上的電源指示燈一般不亮。通過檢查SB-810C工控板上的電源指示燈是否點(diǎn)亮即可判定是否屬于此類故障，但為保險(xiǎn)起見，在電源指示燈滅的情況下也要檢查一下開關(guān)電源的輸出電壓是否為直流5 V，以避免誤判。此類故障可以通過更換同類開關(guān)電源來排除。該種故障在實(shí)踐中是極易出現(xiàn)的，而且同類開關(guān)電源在市場上較容易購到，建議臺站提前選配優(yōu)質(zhì)的同類開關(guān)電源以備用。

(2) 工控機(jī)程序或程序存儲卡損壞。工控機(jī)程序或程序存儲卡有時(shí)也會發(fā)生損壞，導(dǎo)致TJ-Ⅱ型鉆孔應(yīng)變儀不能正常通訊，該類型故障較難判定，一般采用替換法來判定和排除。

具體做法是：①將工控機(jī)程序預(yù)先復(fù)制到通用存儲器中，以備工控機(jī)程序故障或程序存儲卡損壞時(shí)所需；②在發(fā)生通訊故障懷疑是工控機(jī)程序或程序存儲卡損壞時(shí)，將通用存儲器中備份的工控機(jī)程序復(fù)制到工控機(jī)適用的存儲卡中；③將工控機(jī)的程序存儲卡取出(SB-810C工控板上)，將裝有完好程序的新存儲卡插入，然后檢測通訊故障是否排除，如排除則屬于該類故障，如未排除則需進(jìn)一步檢查故障原因；④如果通訊故障通過第③步已經(jīng)排除，則重新在取出的存儲卡上復(fù)制完好的工控機(jī)程序，然后替換掉先前更換的存儲卡，如此時(shí)儀器能夠正常通訊，則故障原因僅為程序故障，原存儲卡可用；若儀器不能正常通訊，則可以斷定原存儲卡已經(jīng)損壞，需要將損壞的存儲卡取出后重新插人帶有完好程序的可用的程序存儲卡。

(3) SB-810C工控板損壞。一般是在更換完好的裝有程序的網(wǎng)絡(luò)通訊接口存儲卡仍無法恢復(fù)儀器通訊時(shí)可懷疑是SB-810C工控板損壞。判定此類故障的最簡單的方法是聽聲音：將網(wǎng)絡(luò)通訊接口斷電重啟，在網(wǎng)絡(luò)通訊接口重新上電后幾秒鐘內(nèi)能聽到“嘀”的一聲，一般表明該通訊接口的SB-810C工控板工作正常。當(dāng)然通過替換法，更換一臺完好的SB-810C工控板來判定故障原因的方法更準(zhǔn)確、可靠。實(shí)踐中，SB-810C工控板損壞導(dǎo)致儀器通訊故障極少遇到。

(4) 工控機(jī)RS-232通訊芯片損壞。工控機(jī)內(nèi)部有用于支持RS-232接口通訊的芯片，這種芯片也會發(fā)生損壞，特別是儀器受到雷擊時(shí)。如果在雷電后發(fā)生通訊故障，采用其他方式無法排除故障時(shí)，可以采用斷開儀器主機(jī)的電源后更換新的RS-232通訊芯片的方式嘗試解決。

2.4 開閥故障

電磁閥開啟電路主要由施密特電路和繼電器組成，當(dāng)巖石的體應(yīng)變變化達(dá)到6×10-6量級時(shí)，地面電子線路能自動開啟電磁閥一次使壓差傳感器的工作點(diǎn)恢復(fù)到零位(上腔室壓力≈下腔室壓力，電子線路的零位輸出近于零伏)。此外，該儀器安裝了手動開閥按鈕，必要時(shí)可手動打開閥門。

2012年4月18日永安臺體應(yīng)變曲線出現(xiàn)了“幾”字形臺階，幅度達(dá)52 980×10-9(圖4)。觀測人員首先檢查儀器面板、接線，發(fā)現(xiàn)一切正常后排除了天氣干擾，最后查詢18日并無地震記錄，因此也排除了地震引起的體應(yīng)變自動開閥，把這一現(xiàn)象當(dāng)成儀器不穩(wěn)定造成的。但隨后的19—22日，永安體應(yīng)變依舊出現(xiàn)“幾”字形臺階，值班人員經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)這些臺階存在一定規(guī)律，即出現(xiàn)時(shí)間集中在3-7時(shí)、16-20時(shí)。經(jīng)缺數(shù)處理、顯現(xiàn)正常曲線形態(tài)后，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)時(shí)間段正是固體潮波峰時(shí)段，同時(shí)體應(yīng)變這幾日的測值在波谷處約為5 500×10-9，產(chǎn)生臺階處即近波峰處為5 700×10-9，說明波峰處測值有可能已超過鉆孔體應(yīng)變儀的最大量程6×10-6。在波峰處超出量程，應(yīng)當(dāng)自動開閥，但儀器故障，自動開閥失敗，測值限幅導(dǎo)致了這一異常臺階現(xiàn)象。隨后采取了以下措施：

圖4 永安地震臺體應(yīng)變開閥失敗曲線圖Fig.4 Curve of body strain affected by open valve failure in Yong’an seismic station

(1) 按動前面板開閥按鈕后，體應(yīng)變前面板顯示數(shù)據(jù)沒有恢復(fù)到零毫伏(小于50 mV稱之為零毫伏)附近，手動開閥失敗，為保護(hù)探頭，值班員關(guān)閉體應(yīng)變測量儀。

(2) 如果在手動開閥動作前后，儀器的應(yīng)變讀數(shù)沒有改變，最大的可能是此時(shí)開閥的電壓不夠高，導(dǎo)致電磁閥門未能開啟。值班員打開機(jī)箱，用萬用表測量手動開閥時(shí)刻的電壓值，發(fā)現(xiàn)過低，僅有+7 V；

(3) 兩名觀測人員配合，一面旋轉(zhuǎn)電源板上電位器的螺母調(diào)整電壓值，一面通過手動開閥并測量此開閥電壓值，使它增大1～2 V，當(dāng)其達(dá)到9 V時(shí)則開閥成功。

2.5 雷擊故障

雷電具有極大的破壞性，它不僅給室內(nèi)設(shè)備帶來威脅，而且也會對室外觀測設(shè)備帶來威脅，輕則對信號造成干擾，重則損壞儀器、中斷記錄[8]。地震臺站所在構(gòu)筑物應(yīng)安裝避雷帶、避雷網(wǎng)，接地電阻必須小于10 Ω[9]。永安地震臺地勢較高，周圍沒有更高的建筑，當(dāng)雷電與接閃器、建筑物、山體及其他物體感應(yīng)放電后，導(dǎo)體上的感應(yīng)電荷經(jīng)接地裝置不能迅速流入地下，將會形成地電位的急劇升高，有時(shí)會產(chǎn)生高達(dá)幾萬伏的電位差，強(qiáng)雷電時(shí)甚至可能擊壞儀器。2008年8月9日永安出現(xiàn)短時(shí)的強(qiáng)對流天氣，開始打雷閃電，在此次強(qiáng)雷電天氣過程中，體應(yīng)變的數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)突跳和較大的臺階，雷擊過后數(shù)據(jù)曲線不正常。圖5(a)為永安臺體應(yīng)變儀在雷擊前后的連續(xù)數(shù)據(jù)曲線。這次雷擊為感應(yīng)雷擊，直接造成體應(yīng)變儀數(shù)據(jù)前置盒放大模塊損壞,儀器所收取的數(shù)據(jù)失真、錯誤。

2013年5月7日16時(shí)5分至17時(shí)永安出現(xiàn)雷暴雨天氣，有強(qiáng)雷，體應(yīng)變的數(shù)據(jù)曲線在同一時(shí)間出現(xiàn)脈沖式畸變現(xiàn)象，雷擊過后數(shù)據(jù)曲線開始恢復(fù)正常。圖5(b)為永安臺體應(yīng)變儀在雷擊時(shí)的連續(xù)數(shù)據(jù)曲線。這次雷擊為感應(yīng)雷擊，未造成體應(yīng)變儀數(shù)據(jù)模塊的損壞[10]。

圖5 永安臺體應(yīng)變儀受雷擊影響的數(shù)據(jù)曲線Fig.5 The data curve affected by lightning strike

鉆孔應(yīng)變觀測不同于其他前兆觀測儀器，在鉆孔施工過程中不同的鉆孔安裝了不同深度的套管，鉆孔套管決不可與防雷用的地線或其他地線相連。套管是很好的導(dǎo)體，雷電引入臺站避雷網(wǎng)時(shí)，很容易通過套管引入探頭，擊壞鉆孔應(yīng)變探頭和輔助探頭，所以觀測室盡量不要安裝避雷裝置，同時(shí)觀測室距鉆孔一般不超過20 m。探頭與儀器之間的電纜長度不宜過長，電纜的地面段應(yīng)埋設(shè)鐵管，同時(shí)鉆孔應(yīng)變臺站還需要用防雷地線作為鉆孔體應(yīng)變儀機(jī)殼的接地體。雷雨季節(jié)，即將出現(xiàn)雷雨時(shí)應(yīng)主動及時(shí)地?cái)嚅_市電電源，改為電瓶供電或不間斷電源供電。永安地震臺在2010年1月陸續(xù)開始了臺站的防雷改造，通過對電源、儀器傳感器、通信線路、地網(wǎng)、儀器排插等部分的防雷改造，大大減少了雷擊損壞儀器的幾率。2010年1月—2013年10月間體應(yīng)變儀未出現(xiàn)因雷擊造成的儀器故障，可見臺站進(jìn)行防雷改造可以提高儀器工作的安全性，進(jìn)而提高儀器觀測資料的質(zhì)量。

3 結(jié)語

臺站工作人員可以根據(jù)現(xiàn)象分析故障點(diǎn)，進(jìn)行相應(yīng)處理，包括網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)參數(shù)、更換簡單元器件、排查探頭線、更換電源模塊、更換網(wǎng)線和更換工控機(jī)等。臺站工作人員在準(zhǔn)確判斷出故障點(diǎn)后,大部分故障可以在廠家的技術(shù)支持下自行解決，縮短維修時(shí)間，從而提高資料的連續(xù)率。

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Maintenance Technology for TJ-II Borehole Strain Meters

QUAN Jian-jun1, 2, FANG Chuan-ji2, ZHENG Yong-tong3, ZHENG Zhi-hong4， LIU Shui-lian1, LIU Li-cheng1, CHEN Mei-mei1, GONG Wei2

(1.YonganSeismicStation,EarthquakeAdministrationofFujianProvince,Yongan366000,Fujian,China; 2.NanpingEquipmentMaintenanceSub-center,EarthquakeAdministrationofFujianProvince,Nanping353000,Fujian,China; 3.LongyanSeismicStation,EarthquakeAdministrationofFujianProvince,Longyan364000,Fujian,China; 4.ShaowuSeismicStation,EarthquakeAdministrationofFujianProvince,Shaowu354000,Fujian,China)

This paper introduces the basic principles and system structure of a TJ-II borehole strain meter, the common causes of instrument failure, and maintenance methods and procedures. At present, in China, more than 100 sets of TJ-II borehole strain meters are in use. Failure cannot be avoided during operation, resulting in a reduction in the continuous gathering and accuracy of observation data, which eventually affects its quality. Carefully maintenance and timely repair of the instruments can effectively improve the quality of deformation observation data. For daily maintenance and timely repairs, station staff are required not only to have basic maintenance skills, but also to understand the measurement principles of the system, composition and structure of the equipment, measurement process, and output data, enabling them to make rational analysis and timely detection of any interference source. A underground probe, ground host computer, switch, broadband communication, computer, etc., constitute the observation system. The main components of the system are integrated, so any link failures affect the entire system resulting in the loss of seismic precursor data. This paper takes five typical categories of failure as examples: data, power, communication, open valve, and lightning, analyzes the details, then discusses the cause of these failures and specific solutions. According to the failure phenomena, station staff can analyze the failure and handle the problems effectively; most of the problems can then be solved with the manufacturer's technical support and the repair times can be effectively shortened, thus a continuous data rate can be maintained.

borehole strain meter; daily check; trouble shooting

2015-09-07 基金項(xiàng)目：2013年中國地震局“地震監(jiān)測、預(yù)報(bào)、科研三結(jié)合”課題《福建省定點(diǎn)形變干擾因素綜合查詢系統(tǒng)》；2013年福建省地震局科研項(xiàng)目基金《永安臺鉆孔體應(yīng)變畸變及映震能力分析》

全建軍(1984-)男，福建永安人，工程師，主要從事臺站電磁、形變觀測和信息節(jié)點(diǎn)、地震儀器維護(hù)管理工作。 E-mail:qjjkt@163.com。

P315.727

A

1000-0844(2016)06-0997-07

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.0997