PET型重力仪观测概况与仪器维护

张 凯， 赖见深， 林苗禄

(1. 福建省地震局漳州地震台， 福建 漳州 363000 ； 2. 福建省地震局东山地震台， 福建 东山 363400）

0 引言

漳州地震台PET 型重力仪安装于2008年2月， 由于此前仪器所处的窿洞进行大规模改造， 观测环境有了很大的提升。 PET 型重力仪经过几年来的稳定运行， 产出了大量可靠的前兆观测数据。 目前仪器运行正常， 可以清晰的记录到固体潮， 对国内外的震级较大的远震也具有良好的映震能力。 但在仪器日常观测的过程中可能遇到各种各样的问题， 影响仪器的正常运行， 因此有必要对仪器遇到问题的相应解决办法做一次总结， 以提高仪器维护的质量。 漳州台的PET 型重力仪是国家地震局重力台站十五陆态网络项目购置的三十台仪器其中之一， 由于前期投入运行的台站数量少， 运行时间不长， 因此各台站对仪器运行过程中遇到的问题的解决普遍感到经验不足。 在已投入运行的台站的经验交流文章中对PET型重力仪在时钟异常的一般校准、 水准校准、 粘摆的调节方法都有详细的介绍， 本文则从漳州台所遇到的特殊情况的问题出发， 对PET 重力仪的硬时钟调整、 网络故障的多方面排查、 雷击故障的多种情况修复方法以及漳州台防雷改造的经验交流等方面进行介绍， 以此分享仪器维护方面的经验， 提高仪器维护质量。

1 台站仪器观测概况

漳州地震监测台位于漳州龙海市九湖镇衍后村石狮岩， 海拔42.3 m。 基岩为花岗闪长岩， 台站距长诏断裂带几十公里， 附近有北西向、 近南北向断裂经过。

漳州台PET 型重力仪安装于台站二层观测办公楼后的仪器专用窿洞内。 该窿道开挖于1976年7月， 宽1.40 m、 高2.07 m、 总长100 m。 窿道内建有仪器室5 间， 总面积为71.8 m2， 重力仪安装于距洞口最内侧的观测室。 2006年11月窿洞完成改造及装修。 现窿洞内有3 道密封式船舱门， 观测条件较好， 洞室内年温差为0.15℃，日温差0.05℃， 平均室温22℃。

漳州台的PET 型重力仪为国家地震局台站观测仪器十五项目， 福建地区共有2 台。PET 型相对重力仪由美国劳雷公司生产， 是用于测量地球各点重力随时间变化的高精度仪器。 该仪器可以检测周期从秒到若干年的地球物理、 地球动力学效应所导致的微小的重力场变化。 PET 型重力仪共有三部分组成： 装有数据采集系统的仪器箱， 装有UPS 和通信单元的主机箱， 一台运行控制软件的笔记本电脑。 重力通信单元通过光纤连接到洞口的交换机， 再通过该交换机与仪器室的核心路由器相连将数据上传至省局台网中心。

2日常观测资料与仪器映震效应

漳州台重力仪日常记录的应变曲线光滑， 固体潮清晰， 分钟值曲线噪声较低，日变规律明显， 具有良好的周期特征。 漳州台近年观测资料完整连续， 通过分析仪器测定到的重力场潮汐和非潮汐变化， 可了解构造活动信息和全球环境变迁等重要现象， 为科学研究与应用研究等工作提供基础资料。

2.1 漳州台观测资料连续、 固体潮清晰

漳州台重力仪2008年运行至今， 仪器运行情况良好， 重力固体潮曲线记录清晰，日变周期规律明显（图1）。

图1 重力仪连续三日观测曲线Fig.1 Observation curve of gravimeter for three continuous days

2.2 观测曲线的映震效应

漳州台重力仪运行以来， 有较好的映震能力， 对强远震能够较好的记录到产生的显著同震应变阶跃， 信息量丰富。

2011年3月11日日本MS9.0 大地震， 震中距几千千米， 大震引起较大的振幅波动，周期长达数十分钟， 重力仪在震后出现粘摆现象， 记录呈一条直线（图2）。

2012年6月10日台湾宜兰附近海域MS5.9 地震， 震中距只有几百千米， 地震引起较大振幅波动， 映震效应明显。

图2 2011年3月11日日本9.0 级大震重力仪大振幅效应曲线Fig.2 The gravimeter large amplitude effect curve of Japan M9.0 earthquake In March 11, 2011

图3 2012年6月10日台湾宜兰5.9 级地震重力仪大振幅效应曲线Fig.3 The gravimeter large amplitude effect of Taiwan Yilan M5.9 earthquake curve In June 10, 2012

3 仪器常见问题及解决方法

3.1 时钟异常

仪器在运行一段时间后时钟可能出现偏差较大的情况， 时钟不准确仪器网页状态栏可能显示时钟异常， 解决办法： 在网络授时不成功的情况下， 采用手动授时， 授时前先校准本地计算机时间， 在设备参数管理的设备信息页面中点击手动授时按钮， 然后重启系统[1]。 漳州台重力仪曾经出现过仪器断电几十分钟恢复供电后时钟用手动授时多次重启仍无法恢复正常时间的情况， 这样的情况可能是系统写入的硬时钟故障引起， 具体解决办法如下： 用与仪器在同一局域网的电脑主机， 在 “运行” 中用cmd 命令进入DOS 窗口， 键入telnet，用户名： root， 密码： root， 登陆telnet。 先在页面中进行手动授时， 不要重启机器， 进入telnet， 运行 “hwclock_-w” ,然后键入reboot， 重启机器。 该命令为linux 设置硬件时钟命令， 这样系统会对时间进行修正， 以确保时间准确。

3.2 水准气泡偏离中心位置

仪器运行一段时间后， 由于外界环境变化、 震动、 人为干扰等的影响， 仪器主体的水准气泡会发生偏离中心位置的现象， 当网页信息显示纵水准或横水准的绝对读数＞150 就需要重新进行仪器的水平调整， 解决方法： 使用仪器自带的笔记本进行， 调整时锁摆， 调整完成后开摆。 仪器摆体下方有三个底脚旋钮， 一个固定， 另外2个分别对应横水准和纵水准，观察页面显示水准的读数， 按照 “逆时针减小顺时针增加” 的方法进行相应调整， 调整为纵水准和横水准的绝对读数＜20[2]。 最后填写工作日志。

3.3 仪器粘摆

粘摆是金属弹簧重力仪常见的一个问题。 粘摆出现的原因主要有以下几种情况： ①外界的强烈撞击； ②远距离大震或近距离地震； ③仪器开锁摆电机故障； ④仪器供电完全中断超过一定时间。 解决办法： ①锁摆后开摆， 利用仪器的震动电机将摆震开； ②如果开锁摆仍无法解决， 应用重力仪笔记本直接连接仪器主机箱串口， 开启厂家安装在笔记本上的重力专用调试控制软件TideDaq， 在 “settings” 菜单中点击 “Set Range” 中的 “auto Range”， 重新设定量程， 这时会听到仪器箱嗡嗡的调试音， 如果调试成功数值将从超量程值回到正常值， 这时只需在设置量程菜单中点击加减重力值即可逐步调节到粘摆前的接近数值； ③如果上述方法都无法解决应轻轻敲击仪器本体的侧面利用外力将其震开； ④当这三种方法都尝试仍无法解决， 千万不要自行打开仪器箱， 应及时联系厂家， 返厂维修[3]。

3.4 网络故障

工作机有时无法正常连接到重力仪下载观测数据， 主要表现为仪器IP 无法PING 通，网页查看仪器工作状态无法登陆页面。 重力仪网络连接出现中断的原因主要有以下几种情况： ①网线插头松动； ②交换机光猫死机或故障； ③仪器主机箱中的通信单元工控机故障。 解决办法： 由于通信连接的问题包括各个方面， 因此要判断具体故障位置， 应对通信线路的各个环节进行排查。 漳州台重力仪网络进行过防雷优化改造， 在重力通信单元端用网线与光猫连接， 再通过光纤传输至仪器窿道洞口与另一台光猫连接， 然后该光猫通过网线与洞口一小交换机连接再将数据传输至观测室核心路由器与省局内网连接。 这样的连接方式较为复杂， 因此网络故障判断要逐一排查， 首先检查网线或光线头是否松动， 具体可以观察路由交换机或者光猫的端口状态灯是否正常。 如果传输链路中有交换机或者光猫死机故障等则可以用笔记本进行网络测试， 将笔记本的网段设置成与仪器IP 同网段， 然后将网线插入笔记本使用PING 命令看是否连通， 这样逐级排查就可以发现是从哪一级开始就无法连通的， 再观察该设备状态是否正常， 进行断电重启看是否恢复， 如仍无法恢复则应进行设备检查是否设备故障， 直到网络连通恢复。

在进行了上述方法排查后仍无法解决网络故障则应考虑是否为源头的仪器通信单元故障。 漳州台曾经因雷电近雷感应造成通信单元工控机UC7112 损坏， 表现为网页可以登陆仪器但查看仪器状态时会弹出无法连接的窗口， 具体表现如图4 所示。

这样仪器的通信单元直接与笔记本连接都无法PING 通。 如果判断是通信单元工控机损坏则无法自行修理， 应及时返厂维修。

3.5 雷击故障

雷击故障包括多种形式， 最有可能的情况是近雷感应造成： ①通信单元工控机内存储数据的SD 卡烧毁； ②工控机完全故障损坏； ③仪器摆体箱内主机电路板芯片损坏， 后两种情况相对比较严重。

解决办法： 如果是通信单元工控机UC7112 内的存储卡烧毁则在网页上可以连接到仪器， 也不会提示无法连接到服务器， 只是在数据下载页面无法看到任何数据， 这时应将通信单元所在的主机箱拆开， 取出UC7112 工控机， 将其内部的SD 插入读卡器连接电脑看是否损坏， 如果无法读取则将该SD 卡进行更换即可恢复。 如果连工控机的源头端都无法连接上， 工控机的状态灯又异常说明雷击后通信单元完全损坏， 这种情况无法自行维修应及时返厂维修。 第三种情况较为少见， 但漳州台在一次大型雷暴天气过后， 曾出现仪器摆体箱内主机电路板芯片MAX232 损坏的情况， 具体的表现见图5。 用笔记本通过串口跟仪器直连后状态栏中的仪器参数信息包括仪器内外温度压力重力潮汐数值等都无法正常显示（图中黑圈部分）， 通过调试软件也无法重新设置量程， 连接调试时没有听到仪器箱发出嗡嗡调试声。 这种情况可能为仪器箱内部控制芯片MAX232 损坏， 尝试使用仪器厂家配送的专用英制六角螺丝刀打开仪器摆体箱， 在最上层可以看到主机电路板， 找到MX232，由于该芯片直接插在焊好的芯片座上可以直接取下更换即可。 如果更换该芯片后故障依旧，应及时联系仪器厂家返厂维修。

图4 查看仪器状态时弹出无法登陆服务器的提示Fig.4 Check the instrument status when the pop-up cannot login prompt

图5 仪器信息无法正常显示的状态图Fig.5 Instrument information cannot normal display

4 关于台站PET 重力仪的防雷问题

由于地震台站多处于山区， 一旦遭遇雷电强对流天气， 雷害频发， 不利于仪器设备的长期安全运行。 漳州台PET 重力仪在仪器安装初期就曾经多次因为近雷感应造成UC7112工控机损坏， 仪器摆体内部芯片雷击损坏， 存储数据的SD 卡烧毁等仪器故障。 因此要保证仪器安全正常运行， 提高仪器连续率和观测质量， 台站的设备防雷改造十分必要。

下面分享一下漳州台在仪器防雷方面的一些经验： ①进行三级防雷改造， 在台站主供电电源处加装专业防雷器， 在分电源各个大楼电源处加装专业防雷器， 在仪器供电端更换具有防雷功能的插座； ②进行通信线路的防雷改造， 将重力仪原先的网线直连方式改成利用光纤传输， 在光纤两端安装两个光猫， 漳州台将仪器山洞内长距离传输的通信线路改成光纤传输后， 工控机无一雷击故障； ③确保仪器主机接地良好， 在大楼附近建设防雷地网， 设备接入该地网； ④漳州台仪器山洞内所有电源线缆通信线缆均采用镀锌合金套管进行防雷屏蔽， 金属管表面要连接完好并良好接地。 由于雷击故障无法避免， 但是如果做好上述防雷措施， 重力仪遭遇雷击的几率将大大减少， 有利于保证仪器长期正常运行并获得长期稳定可靠的数据。

5 结束语

漳州台的PET重力仪在运行了一段时间后， 也遇到了各种各样的问题， 通过对仪器问题的解决， 可以积累一些仪器维护方面的经验， 以便更好的为仪器稳定观测服务。 在观测过程中除了文中提到的故障外， 还会出现其它的干扰因素， 如气象因素、 人为干扰等， 其中温度湿度变化影响较为常见， 台风、 大风降温等影响也较为明显， 还有一些其它不明原因造成的干扰等。 所以在提高台站观测质量的同时， 台站的工作人员也要如实填写观测日志， 对仪器工作情况、 数据预处理情况、 天气变化情况进行详细的记录， 为分析预报人员正确识别干扰与地震异常信息提供可靠依据。 台站做好重力仪的设备维护工作和日常观测日志的记录十分重要， 在保证仪器正常稳定运行的前提下， 可以获得长期可靠的观测数据，为地震监测提供第一手的资料。

[1] 包秀敏， 刘长生， 马莉， 等. 沈阳台PET 型重力仪运行概况及故障解决方法[J]. 防灾减灾学报，2010， 26（3）： 77-80

[2] 李国斌， 马禾青， 李春贵， 等. 气压对银川基准台重力观测的影响[J]. 高原地震， 2008， 20（1）： 48-31.

[3] 刘仕锦， 李杰， 阳光， 等. 姑咱台DZW 型微伽重力仪数字观测资料分析[J]. 四川地震， 2008， 22（1）：22-31.