REPASO: TÍPOS DE SENSORES

Transcripción

1 SISMÓGRAFOS - 3

2 REPASO: TÍPOS DE SENSORES

3 PRINCIPALES PARÁMETROS DE UN SENSOR frecuencia o periodo natural constante de amortiguamiento constante del generador ruido interno nº componentes

4 MEDIDORES DE DEFORMACIÓN (STRAINMETERS) estudio f << sismómetros Miden procesos tectónicos (acumulación de esfuerzos, creep, sismos silenciosos, procesos volcánicos) ~ 100 s Hz - años d ~ mm (barras metal o Qz -Benioff, 1932-) hasta ~102 s m (interferometría láser; LB) pozos (boreholes): medida Ø

5 INCLINÓMETROS Miden deformación tubo de agua (demasiado sensible a temperatura) electrónicos (nivelación burbuja; poco sensible a temp.) monitoreo volcánico (inflación/deflación), taludes, llenado presa Ciclo de inflación-deflación en del volcán Kilauea (Hawaii) Inclinómetro en Mauna Loa (Hawaii)

6 OTROS METODOS PARA ESTUDIAR DEFORMACIÓN B) Dilatómetros cambios en volumen lleno de fluido (aceite de silicón) generalmente en pozo C)GPS constelación de satélites envío y recepción de señal codificada (disponibil. selectiva) medición tiempos de llegada triangulación elevada precisión, + cuanto +t levantamiento desplazamientos relativos (respecto a SR) absolutos (posición punto en sup. terrestre) dos tipos de levantamiento y procesamiento: diferencial ( t, 2 estacs) PPP ( t - horas-) (Precise Point Positioning)

7 Estación sismológica: - Sensor (sismómetro) -Registrador (amplificador, convertidor AD, filtros, etc.) sismógrafo actualmente digitalizador + registrador = 1 única unidad generalmente (pero dos partes por separado algunos sensores llevan digitalizadores incorporados - GPS - Sistema de comunicaciones rango dinámico mejores ADC no alcanza mejores sensores!!! - Fuente de alimentación Digitalizador + registrador Reftek Sensor + digitalizador Guralp 6TD Estación sísmica, con el digitalizador al fondo. Digitalizador Quanterra 24-b

8 CONVERTIDORES ANALÓGICO-DIGITAL (ADC) clave sismología moderna: computadoras procesado/análisis nececitamos digitalización (ΔV por nº cuentas) antiguamente: paso papel-digital (mesa digitalizadora). Todavía hacemos esto para sismogramas antiguos actualmente: convertidores analógico-digital (ADC) conversión señal continua a señal discreta pérdida de información (errores en f y amplitud): - entre puntos - valores posibles limitados (cuantizados) resolución nececitamos mejora tecnología ADC para minimizar errores 2 pasos: - muestreo a intervalos discretos - evaluación señal (número) en cada muestra Figura 1. Proceso de muestreo.

9 Formas de determinar amplitud automáticamente -rampa (muy lento) -aproximaciones sucesivas (más rápido; típico para ADC s tradicionales) rango dinámico limitado (16-b) Los mejores para sismología ( rango dinámico): -Rango de ganancia: ganancia variable evita saturación (cada muestra registrada con su ganancia) + amplificador tras ADC h. 140 db -Sobremuestreo: muestreo a mayor tasa que la deseada + filtro pasabaja + remuestreo a tasa deseada aumento rango dinámico ++; límite: nivel ruido amplificador -Convertidores ΣΔ (ΣΔADC): bastante complejos (sobremuestreo + filtrado para ruido + filtrado digital) alta resolución y velocidad los más empleados actualmente

10 Problemas de información en amplitud (cuantización) ΔV nº (cuentas) en binario represent. por palabra de 2-4 bytes (1 byte = 8 bits) ( valores posibles -cuantización-) +/- ± ±2 23 ( valores) Problemas de información en f: proceso de alias en la señal discretizada (aliasing) Señal de frecuencia ω f muestreo para recuperar señal? Señal: 5 Hz Muestreos: 0.5 mu/s (roja/azul) pérdida algunos máx/mín o todos! Alias: suplantación de una señal por otra (Energia, E, en altas frecuencias transferida a frecuencias menores que realmente pueden tener E=0 creación de señales espúreas) Para reproducir bien señal inicial: muestreo a 2ω (ω recuperables tasa muestreo/2 = ω Nyquist ) Para evitar aliasing: filtrado anti-aliasing

11 Filtrado anti-aliasing señal de entrada NO debe contener E para ω > ω Ny filtro pasabaja (más pronunciado conserva más ancho banda) ADC s tradicionales filtro analógico previo digitalización Butterworth orden 8 con ω c =ω Ny /2 más n ω c más alto ~ func. rectáng. (-3 db) fácil diseño, corte suficientemente fuerte y limpio buena opción: atenuación fuerte > Hz (sólo ruido eléctrico y similar, salvo exploración) inconveniente filtros analógicos: gran desplazamiento fase, debe corregirse

12 Filtrado anti-aliasing ADC s con sobremuestreo filtro digital (tras digitalización) y previo a remuestreo filtros digitales: - limitados que analógicos (cálculo convolución) transición más pronunciada aumento ancho banda no desplazan fase útil digitalizador uso FIR (impulse response filter) siempre estable fácil diseño filtros lineales en fase o de fase cero (no distorsión fase) causalsólo depende de valores originales (no de los ya filtrados -IIR-)

13 PARÁMETROS MÁS IMPORTANTES DE UN ADC Resolución/sensibilidad: mín. incremento detectable amplitud (ΔV) μv- (o bits) resolución efectiva limitada por nº bits libres de ruido Ganancia: cuentas/v (inverso de la resolución) Tasa muestreo: mu/s (sps) mejor que Hz mu/s sismología (h. >1000 exploración) a mayor tasa peor desempeño ADC (mal func. circuitos electróns.) Escala completa (full-scale, FS): máxima entrada (típico: ± 1-30 V) Rango dinámico: ratio máx. / mín. ΔV entrada (db o bits; ½FS: ± realmente un poco menos: 0!) valor efectivo: ratio máx. ΔV entrada / nivel ruido digitalizador valor efectivo < teórico típico: 12-b, 16-b, 18-b, 24-b (máximo actual) Nivel ruido: nº cuentas salida si entrada = 0 promedio RMS ruido sobre muchas muestras

14 PARÁMETROS MÁS IMPORTANTES DE UN ADC Precisión: ΔVsalida - ΔVentrada (medida todas fuentes error) Cross talk: interacción entre diferentes canales (siempre existe algo) generalmente ruido artificial parecido en las 3 componenetes db relacionados con la FS del canal contiguo No linearidad: expresada en relación a FS (p.ej. 0.01% FS) para evitar intermodulación de dos entradas diferentes Nº de canales: actualmente se prefiere 1 ADC / canal sensor para redes analógicas a veces se usan ADC multicanal Impedancia de entrada (ohmios): tan alta como sea posible poca influencia en sensor u otro equipo conectado (~Mohmios) Error de cero (offset): nivel DC salida cuando entrada = 0 disminuye rango dinámico f(temperatura)

15 FUNCIONES DEL REGISTRADOR Amplificación (junto con ADC) sin distorsión de amplitud ni fase, y en gran rango f problema acoplamiento sensor-amplificador e inducción cables (aislamiento) Adición de la escala temporal (radio / GPS; exactitud 100 ms) problemas reloj interno (oscilador atómico) y GPS (derivas) Almacenamiento analógico (papel, papel ahumado, registro fotográfico) digital rango din. (<50 db), instantáneo, consumo continuo (ring buffer) / por disparo (triggering) umbral aceleración (acelerómetros) ratio STA/LTA cintas, discos magneto-ópticos, CD, discos SCSI, laptops Comunicación con entorno (redes) -configuración, descarga datos- Distintos requerimientos permanente / campo (consumo y portabilidad)

16 PRINCIPALES PARÁMETROS DE UN REGISTRADOR rango dinámico resolución tasa de muestreo nº canales nivel ruido

17 2. EL SISMÓGRAFO 2.1 Sismógrafos analógicos y digitales 2.2 Sismógrafos, acelerógrafos, inclinómetros, etc. 2.3 Sismómetros de banda ancha 2.4 Calibración y curvas de respuesta 2.5 Sismógrafos portátiles y sismógrafos permanentes 2.6 Telemetría de señales sísmicas.

18 CALIBRACIÓN Una señal conocida, U(w), entra a un sensor y observamos la señal medida X(w). La respuesta del instrumento es T(w) Para U(w) generalmente usan - función impulso - función rampa - función escalón - función caja

19 FUNCIÓN DE RESPUESTA Representable mediante: - ecuación diferencial (Fourier) sistema físico - función de transferencia de Laplace - respuesta a un impulso calibración - respuesta a una función compleja

20 REPRESENTACIÓN GENERAL DE LA FUNCIÓN DE RESPUESTA sismógrafo: sensor + digitalizador + registrador ( filtros) Formas universales para describir cualquier tipo de filtro: i) Función racional de iω ai, bi = constantes nº términos: f(complejidad sistema) formato SEED (FDSN -Fed. Redes Sismográficas Digitales-) Sismógrafo mecánico

21 REPRESENTACIÓN GENERAL DE LA FUNCIÓN DE RESPUESTA ii) Polos y ceros + cómoda y utilizada c = cte. de normalización Sismógrafo mecánico z i : ceros p i : polos (pares conjugados)