Σχεδιασμός καινοτόμων ήλεκτρο-μηχανικών διατάξεων μέτρησης φαινομένων χαμηλής συχνότητας για σεισμολογικές παρατηρήσεις
Loading...
Date
2024-01
Authors
Γερμενής, Νικόλαος
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Στην παρούσα διπλωματική εργασία σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν δύο σεισμικοί αισθητήρες, ένας για μετρήσεις σεισμικής επιτάχυνσης (επιταχυνσιόμετρο) και ένας για μετρήσεις σεισμικής ταχύτητας (σεισμόμετρο). Ιδιαίτερη προσπάθεια έχει γίνει για την απλοποίηση της κατασκευής με το σχεδιασμό ενός απλούστερου μηχανικού συστήματος με ελατήρια μάζας και ενός απλούστερου, πιο συμπαγούς και ευκολότερου στη βαθμονόμηση ηλεκτρονικού εξαρτήματος. Η διατριβή στοχεύει στο σχεδιασμό χαμηλού κόστους με τη χρήση κυρίως διαδεδομένων και χαμηλού κόστους υλικών.
Συγκεκριμένα, σχεδιάστηκε, αναλύθηκε και υλοποιήθηκε ένα γραμμικό μηχανικό σύστημα, το οποίο αρχικά χρησιμοποιήθηκε για την υποστήριξη της σεισμικής μάζας του αισθητήρα επιταχυνσιόμετρου. Αποδείχθηκε ότι αυτό το μηχανικό σύστημα έχει γραμμική συμπεριφορά σε όλο σχεδόν το μονοπάτι της σεισμικής μάζας. Τα υλικά κατασκευής είναι κυρίως κοινά ευρέως διαδεδομένα βιομηχανικά υλικά που δεν έχουν υψηλό κόστος υλικών και επεξεργασίας. Το ηλεκτρονικό εξάρτημα έχει μειωθεί στο ελάχιστο που απαιτείται περιέχοντας μόνο τις απολύτως απαραίτητες ηλεκτρονικές βαθμίδες για την εκτέλεση της λειτουργίας ισορροπίας δυνάμεων, για παροχή τάσης εξόδου ανάλογη με την επιτάχυνση, με επίπεδη απόκριση σε ένα πολύ μεγάλο εύρος που εκτείνεται από DC έως 200 Hz και πολύ χαμηλό θόρυβο, που εκτείνεται κάτω από το όριο ANLM σε πολύ μεγάλο εύρος.
Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα τελευταίας τεχνολογίας και χαμηλού θορύβου έχουν επιλεγεί προσεκτικά και χρησιμοποιούνται με χαμηλή πυκνότητα θορύβου στο εύρος συχνοτήτων του σεισμικού σήματος. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκαν τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται σε άλλους τομείς, όπως ο προενισχυτής VHF του φορέα.
Το αποτέλεσμα είναι ένας αισθητήρας επιτάχυνσης κατηγορίας Α, ο οποίος συγκρίθηκε απευθείας δίπλα-δίπλα με έναν ευρέως χρησιμοποιούμενο εμπορικό και διαπιστώθηκε ότι και τα δύο όργανα έχουν παρόμοια απόδοση. Έχει γίνει λεπτομερής ανάλυση των σημάτων του σεισμικού καταγραφέα του επιταχυνσιόμετρου. Ο αυτο-θόρυβος του οργάνου έχει υπολογιστεί και βρέθηκε να είναι σε επίπεδο κοντά σε άλλα κορυφαία όργανα κατηγορίας Α της αγοράς.
Το ολοκλήρωμα της επιτάχυνσης sto χρόνο έχει ως αποτέλεσμα την ταχύτητα. Σύμφωνα με αυτό το θεμελιώδες θεώρημα, χρησιμοποιήσαμε ένα τροποποιημένο επιταχυνσιόμετρο ως το κύριο αισθητήριο στοιχείο για τη δημιουργία ενός σεισμομέτρου. Αυτού του είδους οι αισθητήρες χρησιμοποιούν ανάδραση τριπλού βρόχου χρησιμοποιώντας έλεγχο PID (Αναλογικό – Παράγωγο – Ολοκληρωμένο). Το γραμμικό μηχανικό σύστημα στη συνέχεια τροποποιήθηκε κατάλληλα για να υποστηρίξει το μηχανικό μέρος ενός αισθητήρα μέτρησης ταχύτητας. Το ηλεκτρονικό τμήμα που υλοποιεί τη μέτρηση της επιτάχυνσης απλοποιήθηκε περαιτέρω, ώστε να περιέχει τα απαραίτητα ηλεκτρονικά στάδια, ώστε να μπορεί να παράγει αναλογικό σήμα αντίστοιχο με το σεισμική επιτάχυνση, η οποία στη συνέχεια, με τη χρήση ενός αναλογικού ολοκληρωτή συνεχούς χρόνου, παράγει ένα ηλεκτρικό σήμα ανάλογο με την ταχύτητα του εδάφους. Είναι προφανές ότι η παρούσα αρχιτεκτονική χρησιμοποιεί διπλό βρόχο ανάδρασης στο στάδιο επιτάχυνσης (έλεγχος PD) αντί του PID που χρησιμοποιείται συνήθως στις μέρες μας. Ο τρίτος βρόχος (ολοκληρωμένο) έχει αντικατασταθεί από τον αναλογικό ολοκληρωτή συνεχούς χρόνου. Ιδιαίτερη μέριμνα λήφθηκε για να διασφαλιστεί ότι το σεισμικό σήμα έχει επίπεδη απόκριση σε ένα πολύ μεγάλο εύρος που εκτείνεται από 120sec έως 75Hz και πολύ χαμηλό θόρυβο, που εκτείνεται κάτω από το όριο NLNM σε ένα πολύ μεγάλο εύρος από 80sec έως 16Hz.
Οι επιδόσεις των δύο οργάνων που εφαρμόστηκαν σε αυτή τη διατριβή μετρήθηκαν στο εργαστήριο και στη συνέχεια τα όργανα τοποθετήθηκαν στο βάθρο του Σεισμολογικού Εργαστηρίου του Παν. Πάτρας, όπου κατέγραψαν σεισμικά σήματα, καθώς και θόρυβο περιβάλλοντος, παράλληλα με άλλα εμπορικά όργανα, που χρησιμοποιούνται συχνά στην επιστημονική κοινότητα. Κατά την περίοδο των καταγραφών είχαμε την ευκαιρία να καταγράψουμε πολλούς σεισμούς, τοπικούς αλλά και τηλεσεισμούς. Η ανάλυση του σήματος και η σύγκριση με τα όργανα αναφοράς απέδειξε ότι στην πράξη τα όργανα που σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν έχουν συγκρίσιμες επιδόσεις με τα όργανα αναφοράς.
Description
Keywords
Σεισμολογικές παρατηρρήσεις, Σεισμολογικά όργανα, Σεισμολογικές συσκευές