REPASO: TÍPOS DE SENSORES

SISMÓGRAFOS - 3

REPASO: TÍPOS DE SENSORES

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

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

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 1984-1985 del volcán Kilauea (Hawaii) Inclinómetro en Mauna Loa (Hawaii)

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)

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

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.

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

Problemas de información en amplitud (cuantización) ΔV nº (cuentas) en binario represent. por palabra de 2-4 bytes (1 byte = 8 bits) (2 12-2 24 valores posibles -cuantización-) +/- ±2 11 - ±2 23 (2048-8.38 10 6 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

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 > 50-60 Hz (sólo ruido eléctrico y similar, salvo exploración) inconveniente filtros analógicos: gran desplazamiento fase, debe corregirse

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-)

PARÁMETROS MÁS IMPORTANTES DE UN ADC Resolución/sensibilidad: mín. incremento detectable amplitud (ΔV) -0.1-1 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 1-200 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

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)

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)

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

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.

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

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

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

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)