2020, Vol. 41
2. 中国沈阳 110031 辽宁省地震局
2. Liaoning Earthquake Agency, Shenyang 110031, China
地震学是基于观测的科学，基础数据的可靠性、准确性对地震科学研究有着重要意义。确保观测仪器正常可靠运行是地震监测的首要任务。地震计作为地震观测系统的重要组成部分，其运行状态的正常与否直接影响观测数据的准确性、可靠性。一旦地震计发生故障，记录的数据也就不具备准确性，进而会对地震分析研究产生影响。经长时间运行后，地震计受安装场地环境及设备元器件老化等因素的影响，其参数会有一定程度的变化，甚至失效至地震计不能正常工作。本文对JCZ-1T地震计的常见故障进行了分析，并给出了1个维修实例。
沈阳地震基准台毗邻沈阳东陵公园，依天柱山而建，位于沈阳地区更次一级构造单元——沈阳块状隆起上，在浑河断裂北6.5 km处。作为中国地震局国家基准台之一，沈阳地震基准台配备了JCZ-1T超宽频带地震计，观测频带为50 Hz—DC，该地震计具有50 Hz—360 s速度及360 s—DC加速度2个输出通道。目前，国内仅有16个国家基准台站运行此设备。
1 JCZ-1T地震计观测系统简介JCZ-1T超宽频带地震计是我国数字地震台网中使用的高性能仪器。JCZ-1T地震计分别由1个垂直分量、2个水平分量地震计组成，三分量一体化安装，3个分向敏感轴线正交。该仪器频带为50 Hz—DC，分别有2个输出通道：50 Hz—360 s速度平坦输出及360 s—DC加速度平坦输出，覆盖了从短周期地震波至长周期固体潮汐的宽广频带。仪器具有高灵敏度、低噪声的特点，动态范围大于140 dB。该地震计采用力平衡式的负反馈系统，传递函数稳定，采用具有密封、高精度恒温功能的环境保护装置，有效抑制了大气压力、温度变化对仪器的影响，在超低频端也能稳定工作。
JCZ-1T地震计观测系统包括三分量(UD、EW、NS)地震传感器，FCU、TCU电路单元，TPU机箱，RCU机箱，电源RU(RCU供电设备)机箱与电源TU(TPU供电设备)机箱(图 1)。
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图 1 JCZ–1T地震计观测系统结构(国家基准台站超宽带地震观测系统结构) Fig.1 JCZ–1T seismometer observation system (National reference station ultra-wideband seismic observation system) |
FCU为反馈控制器，TCU为温度控制器，均安装在JCZ-1T地震计传感器本体上。RCU为遥控机箱，反馈控制系统和温度控制系统安装在传感器的两侧，并二者保持在一定的距离内。RCU输出即JCZ-1T地震计系统输出，可连接到高分辨率的数据采集器并从数据采集器中接收各种系统标定信号。数据采集器与控制计算机相连，实现实时波形显示、记录、存贮、传输等功能。
2 JCZ-1T地震计故障分类及处理方法JCZ-1T地震计长时间不间断运行中会出现不同类型的故障，如地震计某个分量出现脉动噪声异常变化或仪器标定不正常等。在台站日常运维中，值班人员应随时关注记录波形的变化情况，对地震计出现的故障进行前期预判，以减少由故障引起的损失。
笔者将JCZ-1T地震计常见故障简单分为3类：第1类是仪器记录波形异常(长、短周期波形异常变化及不规则脉动噪声)；第2类是仪器标定波形异常；第3类是地震计不能正常工作。
2.1 仪器记录波形异常 2.1.1 长周期波形异常JCZ-1T地震计有时会出现某个或多个分量长周期波形异常(图 2)，主要表现为波形出现长周期不规则变化，图 2中EW分量明显与其它2分量不同。
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图 2 JCZ-1T地震计长周期波形异常 Fig.2 JCZ-1T seismometer long-period waveform anomaly |
JCZ-1T地震计出现的长周期波形异常多是由FCU板出现故障造成的。在日常观测中FCU板对观测环境要求较高，需要保持观测环境恒温恒湿，以使地震计处于相对稳定的环境中。FCU板出现故障多是由环境因素造成的，如暴雨可能会造成观测室潮湿、积水；观测山洞大门密封不严时，易产生空气对流，进而对观测环境造成影响。在以上情况下，JCZ-1T地震计FCU板会因此而受潮，这导致主板元器件工作异常，从而出现此类故障。针对此类故障，可首先对故障FCU板进行烘干处理，刷防腐漆，检查地震计防护罩是否符合要求，对不符合要求的防护罩进行维修或更换。
2.1.2 短周期波形异常JCZ-1T地震计在运行过程中偶尔会出现短周期噪声异常(图 3)，波形记录出现成丛现象，伴有毛刺，含有明显不正常的高频成分。
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图 3 JCZ-1T地震计短周期波形异常 Fig.3 JCZ-1T seismometer short-period waveform anomaly |
导致短周期波形异常的常见原因有仪器底脚未锁紧、线性电源离摆体较近及簧片质量问题等。多数情况下，此类故障仪器底角未锁紧、仪器不稳固造成，锁紧3个底角会消除此类故障。此外，线性电源离摆体太近，会引起工频干扰，将线性电源远离摆体，并在电源底部加泡沫垫可以消除工频干扰；簧片出现质量问题也会出现此类现象，此时需要更换地震计簧片。
2.1.3 不规则脉动噪声异常JCZ-1T地震计在运行过程中也会出现不规则脉动噪声异常(图 4)，主要表现为记录中出现类似脉冲的波形。此类故障多出现在UD分量，UD分量是JCZ-1T地震计的基准分量(JCZ-1T地震计的独有特点)，也是最稳定的分量。正常运行中所记录的数据波形非常平稳，如出现图 4的现象就是地震计发生了故障。
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图 4 JCZ-1T地震计不规则脉动噪声异常 Fig.4 JCZ-1T seismometer irregular pulsation noise anomaly |
导致此类故障的原因有防护罩压到电缆、环境变化等。地震计防护罩安装过程中可能会因安装不当而挤压电缆线，导致电缆线没有紧密地连接到地震计上，应及时更换新型防护罩，新型防护罩体上配有专用转接头及转接线，可避免电缆线被防护罩挤压的情况；极端天气(暴雨暴雪)或环境干扰(观测环境较为潮湿、密封不严)也会导致此类故障现象。
2.2 仪器标定波形异常JCZ-1T地震计在运行过程中，需定期检查仪器运行状态，每年要进行3次标定(中国地震台网中心测震台网部对超宽频带地震计观测的规定)，其中，正弦标定1次，阶跃标定2次(每半年1次)。但在标定过程中会遇到标定波形异常，如出现限幅、毛刺等现象(图 5，图 6)。
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图 5 JCZ-1T地震计阶跃标定异常 Fig.5 JCZ-1T seismometer step calibration anomaly |
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图 6 JCZ-1T地震计正弦标定异常 Fig.6 JCZ-1T seismometer sine calibration anomaly |
仪器标定过程中出现的波形畸变类故障受多种因素的影响：①在仪器未完全稳定的情况下就进行标定，使得结果不准确，应等仪器完全稳定后再进行标定，JCZ-1T地震计最佳标定时间是在维修结束8 h后再进行各项标定，此时的标定结果较精确；②仪器进行标定后得出的阻尼值超限，其原因为FCU板潮湿、地震计未置平、地震计摆体内有霉菌等。FCU板潮湿会直接影响地震计阻尼，此时应加装新型防护罩；地震计未置平也会对阻尼结果产生影响，应查看NS、EW分量零位，如发现漂移应及时进行调零；地震计摆体如密封不严会产生少量霉菌，霉菌吸附在摆体上，对仪器观测影响较大，应对摆体内外进行清洁，防护罩内加干燥剂；③EADS软件未按相关要求进行计算设置，如数采应设置3 000 s高通，若数据处理时未按此处理也会直接影响标定结果，应重新检查计算设置。
数采故障或数采参数配置不正确也会出现上述现象。首先，应检查数采是否工作正常，如发现数采硬件故障应更换新数采；在数采工作正常的前提下，查看数采配置，JCZ-1T地震计标定信号正常设成50 count，大于或小于50 count时均会对标定波形造成不同程度的影响，出现标定波形限幅或失真现象。
不同型号数采与JCZ-1T地震计相连时应重新进行参数配置，EADS-24IP数采换EADS-24GN数采时会遇到此问题。
2.3 地震计工作状态不正常 2.3.1 无法调零在JCZ-1T地震计长时间运行中会发现某个分量或多个分量出现向某个方向漂移的现象(图 7)，由图 7可见，EW分量漂移现象明显，这对地震分析带来直接影响，出现此类故障时必须及时进行维修。此类故障原因是地震计机械零点发生改变，这需通过RCU控制盒进行遥控调零。但在遥控调零维修过程中可能会出现无法调零的情况，这主要是线路的问题，有可能是左右电容定片的连线与其屏蔽线短路，造成电容极板对地短路，应重新捋线，进行分线处理。
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图 7 JCZ-1T地震计机械零点漂移故障 Fig.7 JCZ-1T seismometer mechanical zero drifting fault |
JCZ-1T地震计在正常运行时人耳是听不到其声音的。当摆体出现明显异响时，则是地震计发生了硬件故障。此类故障也会造成记录波形异常(图 8)，其特点是波形出现周期性变化(UD分量)，主要原因是FCU主板高频模块出现故障，应对高频模块进行检测，并调整高频模块参数设置。
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图 8 JCZ-1T地震计FCU板高频模块故障 Fig.8 JCZ-1T seismometer FCU board high frequency module fault |
2017年初沈阳地震台JCZ-1T地震计EW分量出现波形记录异常，从2017年4月6日24 h记录波形(图 9)可以清晰看出，EW分量(第2道)与NS分量(第1道)、UD分量(第3道)明显不同，EW分量出现明显长周期脉动异常。由前述可以判断，该故障现象为仪器波形记录的长周期波形异常，初步认为是由观测环境潮湿或EW分量FCU板老化所致。
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图 9 2017年4月6日沈阳地震基准台JCZ-1T测震波形记录 Fig.9 Shenyang Seismic Standard Station JCZ-1T seismic waveform recorded on April 6, 2017 |
首先，检查仪器观测环境是否符合观测标准，即观测房内应保证恒温干燥，温度的年变化尽量不大于±1 ℃。检查后发现沈阳地震台山洞大门年久失修，密封不严，洞内多个门已无法正常关闭，极易产生空气对流，洞内湿度较大，并伴有积水现象。地震计防护罩为普通泡沫箱制成，厚度仅为2 cm，并未进行相应的密封处理，对地震计保护作用较差。观测环境的改变会严重影响地震计的正常观测，上述问题应是沈阳地震基准台JCZ-1T地震计EW分量波形记录异常的原因之一。另外，沈阳地震基准台JCZ-1T地震计不间断运行已近6年，EW分量FCU板内部元器件有可能出现老化。对EW分量FCU板进行检测后发现，FCU板有受潮的现象，实地查看发现观测山洞内部环境较潮湿，EW分量FCU板故障应是主板元器件受潮所致，这应是造成EW分量波形记录异常的最终原因。
3.3 故障处理 3.3.1 更换EW分量FCU主板通过检查地震计EW分量FCU板内部元器件后发现，主板有受潮及老化现象，决定更换FCU板。考虑到NS分量FCU板也已长时间使用，存在一定程度的老化，随着时间推移也会遇到此类问题，故一并更换。在更换前，对FCU板进行了处理，将新FCU板先放入50 ℃—60 ℃烤箱烘烤，保证新主板干燥，再喷防腐漆，以增强FCU板的防潮性能。
3.3.2 更换新防护罩鉴于沈阳地震台山洞大门密封不严，容易产生空气对流，气压和湿度变化均能对地震计造成影响，先前的防护罩由泡沫箱制成，四周未打胶密封，并且箱体直接与地震计数据传输信号线接触等情况，为减少外部干扰，更换新防护罩，新防护罩由亚克力板制成，厚度为7 mm，总共6个面。防护罩整体均打胶密封，使地震计处在相对密闭的环境下，以减少不必要的环境干扰，提高地震计的观测质量。新防护罩配备地震计专用转接头，通过软排线连接方式防止防护罩与数据输出信号线直接接触，也可防止防护罩压贴输出数据线，这样能大幅度降低仪器自噪声，提高仪器观测精度。
3.3.3 山洞内投放干燥剂考虑到沈阳地震台观测山洞洞内湿度较大，在山洞内投放大量干燥剂(氯化钙)吸潮，并定期更换。
3.4 工作成效图 10为沈阳地震台JCZ-1T地震计经过环境处理、仪器维修后正常工作记录的波形。由图 10可见，波形稳定，地脉动清晰，反映出仪器良好的工作状态。图 10的波形充分说明了此次沈阳地震台JCZ-1T地震计观测系统环境处理和仪器维护前对问题的判断是正确的，处理方法合理、针对性强，有效解决了观测系统出现的问题，使之恢复了正常工作。
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图 10 沈阳地震基准台JCZ-1T地震计维修后测震波形 Fig.10 Seismic waveform recorded by Shenyang earthquake reference station after maintenance of JCZ-1T |
本文对JCZ-1T地震计观测系统常见故障进行了分析，将其大体分成3类，分析了各类原因并给出了处理方法；同时，还给出1个故障处理实例，希望与地震台站同行共享。
蔡亚先. JCZ-1T超宽频带地震计使用手册[R]. 2010
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蔡亚先, 吕永清, 周云耀, 等. 1995. JCZ-1超宽频带地震计[J]. 地壳形变与地震, 15(3): 1-8. |
蔡亚先, 吕永清, 周云耀, 等. 1997. JCZ-1甚宽频带观测初探[J]. 地震地磁观测与研究, 18(5): 39-45. |