0 引言

随着中国地震局“九五”“十五”和“背景场”等建设项目的完成，伸缩仪观测项目在地震监测台站得到快速发展，截至2018年，已陆续架设SS-Y型伸缩仪111台套，为我国地震监测预报提供了丰富的基础资料。但如何保证伸缩仪运转正常，产出连续、完整、高质量的观测数据，是当前运维工作中面临的困难，只有不断积累有关前兆仪器维修经验，才能快速判定并锁定仪器故障位置，解决仪器故障。文中利用中国地震台网中心开发的前兆数据跟踪分析平台，搜集并梳理2016—2018年全国形变观测台SS-Y型伸缩仪观测数据跟踪分析工作中观测系统事件记录、异常核实等资料，总结分析伸缩仪运行中出现的各类故障图像特征、幅度变化及可能的维修处置措施等，按13种故障影响因素，分类总结主要故障的曲线特征与技术解决措施，为基层台站伸缩仪日常运维提供参考。

1 基本概况

SS-Y型伸缩仪用于测量地壳表面两点间基线长度的相对变化量(图 1)。为了提高该伸缩仪自身抗干扰能力，研制厂家采用膨胀系数极小的含铌特种铟瓦棒材料为基线棒。应变伸缩仪观测是全国定点形变台重要观测手段之一，正常记录曲线光滑，固体潮清晰，观测信号噪声小，日变规律明显(图 2)，其主要用于洞体应变固体潮观测及地震前兆地应变监测与研究，长期连续的观测资料对区域地震活动趋势的预测研究具有重要意义(徐春阳等，2009; 赵慧琴等，2016)。

2 故障事件分析

在2016—2018年数据跟踪分析工作中，共计对全国110个台站111套伸缩仪观测数据进行跟踪分析，产出观测系统事件1 040条。其中: 68套仪器319条事件由供电故障引起，54套仪器169条事件由传感器故障引起，45套仪器123条事件由前置放大故障引起，49套仪器117条事件由数采故障引起，41条事件由UPS故障引起，20套仪器63条事件由超量程故障引起，32套仪器97条事件由主机故障引起，23套仪器57条事件由线路故障引起，12套仪器13条事件由避雷故障引起，10套仪器12条事件由维修更换仪器引起，7套仪器8条事件由标定装置故障引起，5套仪器8条事件由交直流切换干扰引起，6套仪器6条事件由摆系故障引起，5套仪器5条事件由通信故障引起，1套仪器1条事件由摆系(粘)靠摆引起，1套仪器1条事件由时钟误差引起。统计结果见表 1、图 3。由表 1可知，全国SS-Y型伸缩仪观测系统突出故障主要有供电故障、传感器故障、前置放大故障、数采器故障、主机故障，故障比例分别为31.67%、16.25%、11.83%、11.25%、9.33%。

由表 1、图 3可知，2016—2018年各类观测系统故障事件中，传感器、前置放大故障引起的缺测时段较长，充分反映了2类故障的排查难度。而且，可能因备机、备件不足，需返厂检修或重新购置，增加了数据缺测时长。总体来看，各类故障均处于逐年下降趋势，充分说明基层台站仪器维修水平在不断提升，备机、备件的配备工作跟进速度在加快。

3 故障与记录图像实例分析

在台站仪器维修工作中，首先通过观测曲线形态发现并判断故障类型及其位置，然后进行现场维修。简单故障可及时解决，但对于复杂故障，需借助经验判定，方可加快检修进度，缩短资料断记时间。若缺乏维修、维护经验，在维修过程中可能扩大问题。因此，梳理并总结伸缩仪故障类型及对应解决办法，可为地震前兆仪器的维修、维护提供一定参考。

3.1 传感器故障

传感器是SS-Y型伸缩仪观测系统的重要组成部分，当传感器内部受潮或电子元件老化后，工作状态开始不稳定，观测曲线出现畸变。总结分析9个台站的传感器故障事件，梳理其典型图像特征(袁曲等，2007; 卢双苓等，2012)。

(1) 传感器受潮。该故障典型图像特征是，在固体潮形态基础上叠加高频扰动、突跳、毛刺，固体潮形态隐约存在，但波形畸变、曲线不光滑并伴随较多毛刺，潮汐曲线日变幅度减小，如泾县地震台伸缩仪EW分量、上王地震台伸缩仪EW分量观测曲线，见图 4中(a)、(b)图。故障原因是，观测山洞湿度大，导致传感器内部电子器件、接口、信号传输线接头裸露处表面受潮，引起伸缩仪工作状态不稳定。处理措施是，对传感器进行干燥处理与密封，信号传输线接头处擦掉水汽并风干、放置干燥剂、硅胶密封或包扎防潮材料。

(2) 传感器内部电子器件老化。长时间持续运行，导致传感器内部电子器件老化，工作状态逐渐不稳定，典型图像特征有: ①固体潮汐形态基本清晰但噪声大，大幅度阶跃式变化并叠加高频扰动，故障典型图像特征见包头地震台伸缩仪NS分量、营口地震台伸缩仪EW分量、张家口地震台伸缩仪NW分量观测曲线，见图 4中(c)、(d)、(e)图; ②观测曲线固体潮形态畸变严重，甚至无固体潮汐形态，出现突跳、噪声大的现象，故障典型图像特征见黄石地震台伸缩仪EW分量、湖州地震台伸缩仪EW分量、乾陵地震台伸缩仪NS分量、会昌地震台伸缩仪NS分量观测曲线，见图 4中(f)、(g)、(h)、(i)图。此类故障处置措施是更换传感器。

(3) 传感器模块故障。对于此类故障，除从上述数据曲线形态判断外，还可通过以下几点检查措施予以判断: ①传感器直流供电输入电压检查: 使用万用表，测量前置盒输入至传感器的电压是否在±20 V左右，持续约1 min，观察数值是否稳定; ②检查传感器输出信号电压值: 人为改变传感器位移，监视输出信号电压是否存在变化; ③检查传感器铁芯与套筒是否有接触: 传感器铁芯与套筒的几何中心轴线是否平行或者重合，切记传感器铁芯与套筒内壁不能有接触或摩擦; ④检查是否存在传感器受潮、插头部位受潮、接触不良等现象。

3.2 供电故障

SS-Y型伸缩仪观测站一般采用市电与电瓶经UPS逆变后供电，当存在市电电压不稳、UPS故障、交直流切换等干扰时，典型图像特征为脉冲型突跳、高频扰动、固体潮畸变。按引起供电故障的原因，典型图像可分为以下几类: ①观测曲线出现背景噪声增大和高频干扰现象，如海拉尔地震台伸缩仪EW分量、NS分量，因零线与地线混接引起干扰，重新接线后数据恢复正常，见图 5中(a)、(b)图; ②观测曲线出现尖锐脉冲型突跳，固体潮曲线畸变与突跳，如侯马地震台伸缩仪EW分量、怀来地震台伸缩仪NE分量观测曲线，见图 5中(c)、(d)图。观测曲线有毛刺加粗、高频扰动、噪声大现象，如离石地震台伸缩仪NE分量、莆田地震台伸缩仪NE分量、佘山地震台伸缩仪NS分量观测曲线，见图 5中(e)、(f)、(g)图。该现象由供电电压不稳定所致，电压稳定后，观测曲线恢复正常; ③开启空调引起仪器设备供电电压不稳定，观测曲线噪声大、曲线加粗、高频突跳，关闭空调后，观测数据恢复正常，如太原地震台伸缩仪EW、NS分量，见图 5中(h)、(i)图。处置措施是，将观测仪器与其他外设备供电电源分开，确保仪器供电电压稳定; ④交直流供电电源切换干扰: 为避免仪器雷雨天遭受雷击，人为切换仪器供电电源，将交流供电切换为UPS电瓶供电，在此过程中，因UPS延时造成瞬时干扰，观测曲线出现瞬时阶跃、尖峰脉冲、“拖尾”等典型图像特征，见图 6。

一般，查找与锁定SS-Y型伸缩仪观测系统供电故障部位比较简单，若发生诸如跳闸、烧断保险、电瓶电量耗尽、UPS故障等事件，检查仪器面板指示灯显示是否正常，或者使用万用表测量仪器输入电压是否为220 V。而线路漏电、接触不良、短路，用电干扰，直流电源、主机箱内电源模块等存在的隐蔽性故障，则不易查实。

3.3 前置放大器故障

前置放大器是SS-Y型伸缩仪主要部件之一，故障率较高。其主要功能是，对传感器信号进行振荡、检波、零位调整电路、放大、二阶有源滤波等，将观测信号输出至洞外主机箱数采部分。熟悉前置放大器接线点位，有利于出现故障时进行逐一排查(袁曲等，2007; 卢双苓等，2012)。总结分析9个地震台站SS-Y型伸缩仪观测系统前置盒故障典型事件(图 7)，按故障发生原因进行分类总结。

(1) 前置放大器雷击故障: 雷击故障典型图像特征为产出无效数据，无固体潮汐形态，曲线呈一条直线，如会昌地震台伸缩仪EW分量、黄石地震台伸缩仪EW分量、南昌地震台伸缩仪NS分量观测曲线，见图 7中(a)、(b)、(c)图。采取的处理措施是，更换前置放大器。

(2) 前置放大器内部电子器件老化: 典型图像特征有无固体潮形态，毛刺加粗、高频扰动、突跳，固体潮形态隐约存在但畸变严重，曲线噪声大，如梧州地震台伸缩仪NS分量、离石地震台伸缩仪NE分量、南昌地震台伸缩仪NS分量、西山咀地震台伸缩仪EW分量观测曲线，见图 7中(d)、(e)、(f)、(g)图。采取的处理措施是，更换前置放大器。

(3) 前置盒面板接线柱松动: 典型图像特征为固体潮曲线畸变严重、噪声大，如西山咀地震台伸缩仪NS分量，因前置盒内接线柱松动，导致直流供电电压不稳，紧固接线柱后，观测数据恢复正常，观测曲线见图 7(h)。

(4) 前置盒电路与器件受潮: 典型图像特征为固体潮曲线出现畸变、扰动加粗，如营口地震台伸缩仪EW分量、九江地震台伸缩仪EW分量，对前置放大器进行干燥处理后，观测数据曲线恢复正常，见图 7中(i)、(j)图。

3.4 数据采集器故障

判断是否为数据采集器故障，应查看采集信号电压值是否超量程范围(±2 V)，超出±2 V时数采显示数据为0，此时需进行仪器调零。若采集数据在正常范围内，则检测主机电压输出与数据采集器采集电压数据是否一致，若不一致则判定为数采问题(袁曲等，2007; 卢双苓等，2012)。

数据采集器故障典型图像(图 8)特征有3种类型: ①观测曲线固体潮畸变严重、噪声变大、伴有突跳与扰动，如上王地震台伸缩仪EW分量、丽江地震台伸缩仪NS分量观测曲线，见图 8中(a)、(b)图; ②观测曲线出现毛刺与扰动，日变形态隐约存在，如精河地震台伸缩仪NS、EW分量观测曲线，见图 8中(c)、(d)图; ③日变形态基本清晰，但固体潮曲线叠加间歇性扰动，如十堰柳林沟地震台伸缩仪EW、NS分量观测曲线，见图 8中(e)、(f)图。解决措施是，更换数据采集器。

3.5 线路故障

观测室内主机箱至洞室内传感器之间的线路，一般用于弱电直流供电传输与观测信号传输，具体包括直流供电传输、传感器信号传输、标定电机供电传输。一般架设的电缆不能有中断与焊接节点，涉及的关键连接点位有主机箱后面板接口、洞室内前置盒接口，这些点位易长期受潮腐蚀，导致线路接触不良或漏电、短路等，故障率较高点位为洞室内接口。总结分析10个地震台站SS-Y型伸缩仪典型线路故障事件，按线路故障出现的不同部位进行分类总结(图 9)。

(1) 前置盒线路接口与接头: ①前置盒线路接头处松动，观测曲线出现阶跃型变化并伴有高频抖动，重新焊接后观测数据恢复正常，如张家口地震台伸缩仪NW分量观测曲线，见图 9(a); ②前置盒直流电源线接触不良，观测曲线出现多处突跳或台阶，重新焊接后观测数据恢复正常，如黄梅地震台伸缩仪NS分量观测曲线，见图 9(b); ③前置盒接口处信号线缆接头部位氧化生锈，线缆航空插头发霉锈蚀，曲线形态出现高频脉冲扰动，更换线缆航空插头，重新焊接信号线后观测曲线恢复正常，如佘山地震台伸缩仪NS分量观测曲线，见图 9(c)。

(2) 主机线路接口与接头: 主机接口处信号线漏电，观测曲线出现高频干扰，线路检修后观测数据恢复正常，如海拉尔地震台伸缩仪NS分量观测曲线，见图 9(d)。

(3) 主机与前置盒之间的传输线路故障(信号与供电): 宁强地震台伸缩仪NS、EW分量观测曲线出现无固体潮形态，后大幅度突跳，随即信号超出量程，排查发现主机输出电压正常，但前置放大盒入口处无电压，更换主机与放大盒之间线路后数据恢复正常，见图 9中(e)、(f)图。宁强台伸缩仪EW分量观测数据曲线无固体潮形态，检修发现，数据传输线破损短路，更换后恢复正常，见图 9(g)。烟台地震台伸缩仪EW分量观测曲线出现高频扰动与毛刺，检查发现，信号传输线锈蚀导致线路接触不良，重新焊接后观测数据恢复正常，见图 9(h)。马陵山地震台因整理线路，造成线路接触不良，伸缩仪NS分量观测曲线无固体潮形态，维修后恢复正常，见图 9(i)。代县地震台伸缩仪因前置盒接口处受潮，NS分量观测曲线畸变，EW分量观测曲线高频干扰，干燥处理后观测数据恢复正常，见图 9(j)。

(4) 数据采集器接口故障: 数采端接口处信号线松动，观测曲线出现阶跃—高频抖动变化，线路检修后恢复正常观测，如信阳地震台伸缩仪EW分量观测曲线，见图 9(k)。

(5) 接地线路故障: 因主机输出线的接地线接触不良，观测曲线出现高频扰动，固体潮形态基本正常，接地线重新焊接后观测数据恢复正常，如信阳地震台伸缩仪EW分量观测曲线，见图 9(l)。

3.6 主机故障

伸缩仪主机箱主要功能有: ①为前置放大器提供电源; ②接收前置放大器的输出信号; ③将信号转送至自动调零或应变数控仪; ④将信号转送EP-Ⅲ型采集控制器进行数据传输; ⑤校准; ⑥调零。几例常见典型主机故障事件见图 10。

由图 10可见: ①呼和浩特、离石地震台伸缩仪NS分量观测曲线无固体潮形态，见图 10中(a)、(b)图; ②泗县地震台伸缩仪NE分量观测曲线特征表现为突跳、高频扰动、阶变、毛刺等变化形态，见图 10(c)。出现上述2种现象，需更换主机。

若仪器受雷电影响出现死机现象，主机重启即可恢复正常观测，如泾县地震台伸缩仪NS分量观测曲线，见图 10(d)。

3.7 超量程

伸缩仪数据采集器的信号输入电压量程是[-2 V，+2 V]，若传感器测量信号电压超出该量程，则采集信号非真实电压信号，电压值显示为零，记录曲线形态特征为“阶跃型上升→直线”或“阶跃型下降→直线”，无固体潮汐形态(图 11)。为防测量信号超出量程范围，一般信号电压接近±1 800 mV时应及时调零。

正常情况下，仪器漂移速率不大，在每年2次仪器标定时调零即可。降雨或强台风、远大震引起的阶跃、维修或仪器检修、进洞干扰等，均会引起观测数据发生趋势性的持续漂移，导致电压信号超出数据采集器测量范围。日常工作需加强监控传感器电压信号，并及时调零，可有效避免超量程故障发生。

3.8 避雷器故障

伸缩仪避雷装置一般配置信号避雷器与电源避雷器，统计发现，信号避雷器故障率较高。信号避雷器发生故障时，固体潮汐曲线形态基本存在，在固体潮汐信号基础上叠加高频扰动与毛刺，如嘉祥、永胜、平利地震台伸缩仪NS分量以及佘山、信阳地震台伸缩仪EW分量观测曲线，见图 12中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)图; 电源避雷装置发生故障时，观测曲线无固体潮形态，如武都地震台伸缩仪EW、NS分量观测曲线，见图 12(f)。对于此类故障，需摘除并及时修复避雷器，以恢复正常观测。

4 结束语

利用国家前兆台网数据跟踪分析共享平台，梳理并分析全国定点形变观测台SS-Y型伸缩仪2016—2018年数据跟踪分析记录事件的仪器维修事例，发现主要故障发生部位节点有前置放大盒、传感器、主机、供电、传输线路、避雷器、标定装置等，通过总结分析故障发生时观测曲线图像特征及解决措施，可为基层观测人员日常运维、快速准确地判断伸缩仪观测系统故障位置提供参考，基于以上维修实例，可快速提高仪器的维修效率，为地震分析预报人员提供连续、稳定、可靠的观测数据。