La Strumentazione Sismica

Il sismoscopio

Che cos’è un sismometro?

È uno strumento in grado di misurare il moto del suolo relativo a un sistema di riferimento inerziale trasducendolo in un segnale elettrico.

Il segnale elettrico viene poi “registrato” da un acquisitore

DISPOSITIVO

SENSIBILE al

MOTO del SUOLO

(SENSORE)

SISTEMA di

ACQUISIZIONE

DATI

STAZIONE SISMICA = +

SENSORI SISMICI

Pendolo meccanico

È costituito da un

OSCILLATORE ARMONICO SMORZATO

La massa è vincolata a muoversi solo in una data direzione senza poter subire rotazioni

SENSORI SISMICI

L’equazione del moto del sistema è:

)t(kz)t(zD)t(f)t(yM

Che può scriversi come:

)t(xM)t(f)t(kz)t(zD)t(zM

Il moto del suolo ha lo stesso effetto di una forza esterna

)t(xM

M: massa

k: costante elastica della molla

D: coefficiente di smorzamento

x(t): moto del suolo

y(t): moto della massa

z(t)=y(t)-x(t): moto della massa relativo al suolo

f(t): risultante delle forze esterne agenti sulla massa

SENSORI SISMICI

Per risolvere l’equazione del moto supponiamo che

ti

ti

ti

Fe)t(f

Ze)t(z

Xe)t(x

Si ricava MXFZkDiM 22

da cui

Mk

MD

i

XMF

Z2

2

Se poniamo

M2D

h

Mk

o

0

(pulsazione naturale)

si ottiene200

2

2

ih2

XMF

Z

SENSORI SISMICI

In assenza di forze esterne: 200

2

2

ih2

XZ

Il pendolo meccanico è di solito accoppiato a un trasduttore elettromagnetico. Sia G la costante di trasduzione di modo che U=GZ sia la tensione in uscita:

Xih2

GU

2o0

2

2

2o0

22A

2o0

2V

2o0

2

2

S

ih2

G

X

U)(T

ih2

iG

Xi

U)(T

ih2

GXU

)(T

Le curve di risposta complesse del sismometro sono date da:

SENSORI SISMICI

spostamento velocità accelerazione

Il sistema si comporta come un

filtro passa-alto per lo spostamento

e come un

filtro passa-basso per l’accelerazione

SENSORI SISMICI

Perché lo smorzamento?

Lo smorzamento garantisce che l’oscillatore non continui a vibrare indefinitamente quando la sollecitazione è terminata

SENSORI SISMICI

Geofono elettromagnetico

Quando l’onda sismica arriva al geofono, il magnete si muove con il terreno, in quanto solidale ad esso.

La bobina, essendo sospesa alla molla, agisce come elemento inerte rispetto al suolo.

Si istaura così un moto relativo e la tensione V(t) indotta nella bobina è data da (Legge di Faraday):

)t(xlB)t(V La risposta del sistema è proporzionalealla velocità del suolo

SENSORI SISMICI

Geofono piezoelettrico

La piezoelettricità è la proprietà di alcuni cristalli di manifestare cariche elettriche (che dunque originano un campo elettrico) quando sottoposti a variazioni di pressione

L’innalzamento (o abbassamento) del suolo associato a un’onda sismica genera una variazione apparente del peso della massa M che si traduce nella comparsa di cariche elettriche di segno opposto sui cristalli piezoelettrici che vengono raccolte da condensatori.

La risposta del sistema è proporzionaleall’accelerazione del suolo

SENSORI SISMICI

Sistemi controbilanciati

Sono basati sull’introduzione di una reazione negativa mediante la quale si applica alla massa in movimento una forza che ha lo scopo di annullare il moto relativo

La forza richiesta per tenere in quiete la massa è proporzionale

all’accelerazione del suolo

SENSORI SISMICI

Bilancia convenzionale

Come si fa a determinare il peso incognito?

Equilibrando il sistema mediante dei pesi campione

SENSORI SISMICI

E se la bilancia è fatta così?

Si equilibra il contrappeso con dei pesi campione e quando viene aggiunto il peso incognito si ripristina

l’equilibrio rimuovendo alcuni pesi campione

SENSORI SISMICI

L’operazione di rimozione (o aggiunta) di pesi campione può essere automatizzata se la posizione dell’ago della bilancia è collegata a un trasduttore di spostamento che governa un trasduttore di forza

SENSORI SISMICI

Per eliminare l’effetto della forza di gravità è sufficiente sostituire il contrappeso con una molla

Geofono controbilanciato

SISTEMI di ACQUISIZIONE DATI

Schema a blocchi

SISTEMI di ACQUISIZIONE DATI

Analog/Digital Signal Processing (ADSP)

I segnali provenienti dai geofoni raggiungono il blocco ADSP

SISTEMI di ACQUISIZIONE DATI

Analog/Digital Signal Processing (ADSP)

• preamplificazione (con guadagno programmabile dall’operatore)

• filtraggio anti-aliasing

• digitalizzazione (convertitori A/D) effettuata a una frequenza molto elevata ( kHz) in maniera sincrona su tutti i canali in ingresso

• filtraggio passa-basso (filtri FIR)

• decimazione alla frequenza di campionamento fissata dall’operatore

• condizioni di acquisizione (TRIGGER)

SISTEMI di ACQUISIZIONE DATI

TriggerRiconoscimento di segnali “utili”

Principio: il segnale in ingresso eccede una certa soglia?

• calcolo di LTA (Long Term Average)

• calcolo di STA (Short Term Average)

• verifica della condizione

STA > LTA RATIO

dove RATIO è un parametro fissato dall’operatore

SISTEMI di ACQUISIZIONE DATI

Trigger: ulteriori accorgimenti

• filtraggio passa-banda del segnale in ingresso al blocco di trigger

• selezione del parametro LEVEL tale che

STA > LTA RATIO + LEVEL

SISTEMI di ACQUISIZIONE DATI

Trigger

SISTEMI di ACQUISIZIONE DATI

Trigger

L’algoritmo di trigger viene calcolato indipendentemente per ciascuno dei canali in ingresso e fornisce in uscita un segnale che vale 0 (trigger non verificato) o 1 (trigger verificato).

Tale segnale viene passato al blocco di coincidenza che provvederà ad abilitare l’acquisizione se è verificato il criterio:

3

1iii CSwtrig

dove wi (pesi assegnati ai canali) e CS (Coincidence Sum) sono parametri programmabili dall’operatore.

Cosa accade se CS=0 ?

Il blocco di trigger sovrintende alle gestione delle memorie di pre-evento e post-evento che consistono nell’acquisizione di alcuni blocchi di dati precedenti l’attivazione del trigger e successivi alla sua disattivazione

SISTEMI di ACQUISIZIONE DATI

Clock

I sistemi di acquisizione dati sono dotati di moduli per il trattamento del segnale del tempo (CLOCK).

L’orologio interno viene di norma sincronizzato con un segnale esterno del tempo e a tale scopo e sistemi di acquisizione sono dotati di decodificatori per segnali GPS e/o DCF77.

GPS (Global Positioning System) è un sistema basato su una costellazione di satelliti geostazionari.

DCF77 è un segnale radio irradiato a 77.5 kHz da Francoforte ed è ricevibile entro un raggio di 3000 km dalla stazione di trasmissione.

SISTEMI di ACQUISIZIONE DATI

Range dinamico

Il range dinamico è la capacità che ha il convertitore A/D di rappresentare in digitale una funzione continua.

Un convertitore A/D a n bit ha a disposizione 2n valori (counts) per codificare un segnale continuo.

CALIBRAZIONE

La calibrazione di una stazione sismica consiste nel ricavare la relazione esistente tra l’ingresso (moto del suolo) e l’uscita (segnale elettrico digitalizzato) ed è un prerequisito fondamentale per la corretta ricostruzione del moto del suolo.

Ricordando che il moto del suolo è del tutto equivalente a una forza agente sulla massa inerziale, si calibra il sistema utilizzando in ingresso opportune forze elettromagnetiche che si generano in un’opportuna bobina (detta di calibrazione).

In ingresso si usano segnali sinusoidali di ampiezza e frequenza note. Poiché il sistema è lineare, l’uscita sarà ancora un segnale sinusoidale della stessa frequenza ma di ampiezza e fase in generale diverse da quelli di ingresso.

Il rapporto fra le ampiezze in funzione della frequenza fornisce il modulo della funzione di trasferimento cercata.

CALIBRAZIONE

La determinazione della fase della funzione di trasferimento può essere ricavata costruendo con i segnali di ingresso e uscita un’ellisse di Lissajous

essendo d1 e d2 i due semiassi dell’ellisse.

CALIBRAZIONE

STRUMENTAZIONE

Accelerometri

destinati alla registrazione di forti movimenti del suolo e utilizzati in studi di dettaglio sulla sorgente sismica e sugli effetti dei terremoti sulle strutture; sono caratterizzati da un elevato range dinamico e frequenza propria dell’ordine di 1-2 Hz

Sismometri

destinati alla registrazione di eventi deboli o lontani e utilizzati in studi inerenti l’interno della Terra; hanno frequenza propria dell’ordine di 1-2 Hz

Sensori a larga banda

utilizzati per la registrazione di telesismi; sono caratterizzati da una curva di risposta molto ampia (20s – 20Hz)

STRUMENTAZIONE

Geofono Mark L-4CA 2 Hz Sensore Larga BandaPMD

Perché, di norma, si utilizzano sensori a tre componenti?

STRUMENTAZIONE

ISMI e NAPI velocimetri larga bandaBENI accelerometroVESI velocimetro corto periodo

STRUMENTAZIONE

L’ampiezza del segnale acquisito da una stazione sismica è di solito misurata in counts.

Cosa bisogna conoscere per passare dai counts a unità di misura proprie della grandezza fisica che si sta misurando?

Range dinamico del convertitore A/D: R [Volt/counts]

Costante di trasduzione: G [Volt/(m/s)]

Ad esempio, n counts corrispondono a nR/G m/s