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SISMÓGRAFOS - 4

Monday, August 22, 11

Accelerómetros y sismómetros de Fuerza Balanceada

Sismómetros modernos tienen un sistema de retroalimentación. La fuerza inercial es compensada (o balanceada) por medio de una fuerza generada eléctricamente, de tal manera que la masa se mueve lo menos posible.. La fuerza de retroalimentación se produce por medio de un transductor de fuerza o “forcer”.

Tenemos dos parametros nuevos:G - GananciaR - Resistencia

El movimiento de la masa está controlado por dos fuerzas: la fuerza inercial debido a la aceleración del suelo y la fuerza negativa de retroalimentación. El circuito electrónico ajusta la fuerza de retroalimentación para anular la fuerza inercial. La señal de salida del transductor de desplazamiento es amplificada y reenviada al transductor de fuerza a través de la resistencia R.

El rango dinamico incrementa, por que la masa se mueve muy poco!


CONSTANTE GENERADOR

• Transductor de velocidad (actualmente sólo sensores T corto)

• transductor (transformación E sísmica – E eléctrica)

• bobina en mov. dentro de campo magnético. → ΔV=G ẋ

• G: cte generador -V/ms-1-)

• RT: resistencia total del circuito

• Rg: bobina

• Re: externa ajustable para variar amortig.

• fuerza de amortiguamiento:

• -también amortig. mecánico por fricción, hm

• amortig. total:


2. EL SISMÓGRAFO

2.1 Sismógrafos analógicos y digitales2.2 Sismógrafos, acelerógrafos, inclinómetros, etc. 2.3 Sismómetros de banda ancha2.4 Calibración y curvas de respuesta2.5 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

zi: ceros

pi: polos (pares conjugados)

Sismómetro mecánico de desplazamiento:

Sismógrafo mecánico


sismógrafo: sensor + digitalizador + registrador (≡ filtros)

respuesta total = (respuesta elementoi)

Ejemplo. Sismógrafo con las siguientes características:T0 = 5.0 s (sensor) h = 0.707 (sensor)Cte. generador = 200 V/ms-1 (sensor) Ganancia amplificador = 1000 veces (60 dB)Sensibilidad = 2000 cuentas/V (ADC) Filtro anti-alias: Butterworth, fc=25 Hz, n=6 (p-baja;ADC)Filtro LB (DC): Butterworth, fc = 0.01 Hz, n=1 (pasa-alta; registrador)

Respuesta total del sismógrafo:

Ttot = Ts·Ta·TADC·Tanti-alias·TDC

COMBINACIÓN DE CURVAS DE RESPUESTA

(Sensor, amplificador, convertidor análogo -digital,

anti’alias, DC)

Respuesta de cada uno de los elementos y la respuesta combinada de todos ellos.


Corrección eliminar la respuesta total del sismógrafo deconvolución

FuenteTrayecto Instrumento

Sitio

CORRECCIÓN POR INSTRUMENTO


DIVISION POR CONSTANTE DE GANANCIA DEL SISTEMA

• Ad entro del rango plano de la respuesta del instrumento, es sufficiente dividir por la ganancia combinada del sismógrafo

• counts/ (counts/V * V/ms-1) = ms-1

Respuesta de cada uno de los elementos y la respuesta combinada de todos ellos.


RESPUESTA A UN IMPULSO11.1 I N S T R U M E N T S 329

0.001 0.01 0.1 1 10

0.1

1

10

Frequency (Hz)

Rel

ativ

e A

mpl

itude

IRIS/IDA BB

GDSN SP

GDSN LP

Old IDA

Figure 11.4 Velocity response functions for four different vertical-component instruments (oldIDA station ALE, long and short-period channels for the GDSN station COL, and IRIS/IDA stationALE).

The instrument response can be defined in terms of the relationship between thedigital counts in the recorded time series and the actual Earth motion. The gain ofan instrument is the ratio between the digital counts and some measure of Earthmotion; thus a high-gain instrument is more sensitive than a low-gain instrument.However, since seismograph sensitivity is frequency dependent, the concept of gainis only meaningful at a fixed frequency. A more complete description is providedby the frequency response function, Z(ω), which specifies the amplitude and phaseresponse continuously as a function of frequency. Instrument response can also bedescribed by the impulse response function, which shows the seismograph output inthe time domain from a delta-function input. Figure 11.5 plots the impulse responsefunctions for four different instruments. In general, the impulse response functionwill more closely approximate a delta function as the instrument becomes morebroadband.

There are tradeoffs in instrument design. The ideal seismograph has a flat re-sponse over a broad frequency band and sensitivity over a wide dynamic range.However, it is also sturdy, portable, low-power, and inexpensive, posing many chal-lenges to instrument designers. For some purposes (e.g., local earthquake location),

330 11. I N S T R U M E N T S , N O I S E , A N D A N I S O T R O P Y

0 50 100Time (s)

0 1Time (s)

Rel

ativ

e am

plitu

de

IRIS/IDA BB

GDSN LP

GDSN SP

Old IDA

Figure 11.5 Impulse response functions for four different vertical-component instruments,showing the seismograph response to a delta-function input at zero time.The frequencyresponse of these intruments is plotted in Figure 11.4.

large numbers of cheap instruments of limited capability may be more effective thana few state-of-the-art, but expensive, broadband seismographs. In other cases (de-tailed waveform modeling), there is no substitute for broadband records. Whateverthe instrument design, the importance of accurate and reliable calibration infor-mation cannot be overemphasized. A raw seismogram alone is not very useful forresearch, without knowledge of the precise instrument location, the orientation ofthe horizontal sensors, the digitization rate, the time of the first sample, and thecomplete instrument response function.

11.2 Earth noise

Sensitive seismographs will record ground motions even in the absence of earth-quakes. These motions, sometimes called microseisms, result from seismic wavesgenerated primarily by wind and cultural noise at high frequencies and ocean wavesand atmospheric effects at longer periods. Although microseisms are sometimesstudied for their own intrinsic interest, seismologists generally consider them noisebecause they hamper observations of small and/or distant earthquakes. Typicalnoise levels will vary greatly between different sites and different frequencies. This


SISMÓGRAFOS


DIFICULTADES EN DECONVOLOUCIÓN

CHAPTER 6

166

Thus in theory, we can recover the ground displacement at any frequency knowing the instrument response. In practice, one has to be careful to only do this in the frequency band where the instrument record real ground motion and not just electronic noise, since the instrument correction then become unstable and the output has nothing to do with the real seismic signal. Figure 6.9 shows an example.

Figure 6.9 Instrument correction in different filter bands. The top trace is the original recording of a small earthquake with a 1 Hz seismometer. The 3 bottom traces have been converted to displacement with different filters. The amplitudes to the right are maximum amplitudes. The figure shows the influence of filtering, when estimating the ground displacement signal. In the frequency band 1 to 10 Hz, the signal looks very much like the original signal although a bit more low frequency, since it is converted to displacement and can nearly be considered an integration of the original signal. In the 0.1 to 10 Hz range, the earthquake signal almost disappears in the microseismic background noise. Why do we think it is seismic noise and not instrumental generated noise? First, the earthquake signal has about the same amplitude as above, second, it ‘looks’ like seismic background noise and third, the amplitude at 1290 nm is at a period of 5 sec (peak amplitude of microseismic noise) which looks reasonable compared to world wide observations (see Figure 3.3 in noise section). Note that this is how the earthquake signal would have looked being recorded on a broadband sensor, hardly noticeable. The last trace shows the calculation of the displacement without filtering so the lowest frequency used is 1/T, where T is the length of the window, here 80 s (only 65 s shown) so f = 0.0125 Hz. The amplitude is now more than 50000 nm and the signal looks ‘funny’. The large amplitude obviously cannot be right since the microseismic noise has


2. EL SISMÓGRAFO


•


SISMÓGRAFOS PERMANENTES


SISMÓGRAFOS TEMPORARIOSEarthscope


SISMÓGRAFOS PORTÁTILES


SISMÓGRAFOS MUY PORTÁTILES...


SISMOGRÁFOS MUY PORTÁTILES..


2. EL SISMÓGRAFO


•


TELEMETRÍA

En un centro de registro sísmico, la parte más importante es la comunicación

Red virtual (digital)

- internet

- radio-modem

- satélite

- teléfono celular

Red física (con radio)

Centro de Registro Sísmico

En un centro de registro sísmico, la parte más importante es la

comunicación. ¿Cómo se transmiten los datos de las estaciones al centro de procesamiento?. En el centro de procesamiento se lleva a cabo la adquisición, graficación, procesado y almacenamiento de los datos sísmicos.


CRITERIOS DE SELECCIÓN DE INSTRUMENTACIÓN SÍSMICA


CRITERIOS DE SELECCIÓN DE INSTRUMENTACIÓN SÍSMICAtipo de estación: red (global/regional/local…) / arreglo / única



permanente / temporal




superficie (campo libre / estructura) / pozo / fondo marino





propósito: monitoreo de rutina / estudios específicos (réplicas, exploración, vulcanología, etc.)






→ ancho de banda (SP / LP / BB / VBB) -función de respuesta-







→ rango dinámico (BB / SM / geófono)








→ nº componentes








→ nº componentes

→ requerimientos de emplazamiento e instalación








→ nº componentes


→ facilidad de operación / reparación








→ nº componentes



→ capacidad de almacenamiento








→ nº componentes




→ portabilidad








→ nº componentes




→ portabilidad

→ consumo de energía / fuente de alimentación








→ nº componentes




→ portabilidad


→ estabilidad ante cambios ambientales








→ nº componentes




→ portabilidad



→ sistema de comunicación








→ nº componentes




→ portabilidad



→ sistema de comunicación

→ presupuestoMonday, August 22, 11

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