Σχεδιασμός καινοτόμων ήλεκτρο-μηχανικών διατάξεων μέτρησης φαινομένων χαμηλής συχνότητας για σεισμολογικές παρατηρήσεις
| datacite.contributor.RelatedPerson | Σώκος, Ευθύμιος | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Μητρονίκας, Επαμεινώνδας | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Νικολακόπουλος, Γεώργιος | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Παπαζάχος, Κωνσταντίνος | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Σακελλαρίου, Ιωάννης | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Φιλιππάτος, Άγγελος | |
| datacite.contributor.Supervisor | Νικολακόπουλος, Παντελής | |
| dc.contributor.author | Γερμενής, Νικόλαος | |
| dc.contributor.other | Germenis, Nikolaos | |
| dc.date.accessioned | 2024-03-26T06:12:34Z | |
| dc.date.available | 2024-03-26T06:12:34Z | |
| dc.date.issued | 2024-01 | |
| dc.degree | doctoralThesis | |
| dc.description.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. | |
| dc.description.translatedabstract | In this thesis, two seismic sensors were designed, and manufactured, one for seismic acceleration measurements (accelerometer) and one for seismic velocity measurements (seismometer). Special effort has been made on simplifying the construction by the design of a simpler mass-spring mechanical system and a simpler, more compact and easier to calibrate electronic part. The thesis is targeted to low-cost design by using of mainly widespread and low-cost materials. Specifically, a linear mechanical system was designed, analyzed and implemented, that was initially used to support the seismic mass of the accelerometer sensor. It was shown that this mechanical system has a linear behavior along almost the entire path of the seismic mass. The construction materials are mainly common widespread industrial materials having no high material and processing costs. The electronic part has been reduced to the minimum required by containing only the absolutely necessary electronic stages to perform the force balance function, to provide an output voltage proportional to the acceleration, with a flat response over a very wide range extending from DC to 200Hz and very low noise, extending below the ANLM limit over a very wide range. State-of-the-art and low-noise integrated circuits have been carefully selected and used with low noise density in the frequency range of the seismic signal. In addition, technologies employed in other sectors were used, such as the carrier's VHF preamplifier. The result is a class-A acceleration sensor, that has been directly compared side-by-side with an widely used commercial one and was found that both instruments are performing similarly. Detailed analysis of the seismic recorder signals of the accelerometer has been done. The instrument self-noise has been calculated and was found to be at a level close to other state of the art class-A instruments of the market. The integral of acceleration over time results in velocity. According to this fundamental theorem, we used a modified accelerometer as the main sensing element for creating a velocity output seismometer. Such kind of sensors are using triple loop feedback by employing PID (Proportional – Derivative - Integral) control. The linear mechanical system was then suitably modified to support the mechanical part of a speed measurement sensor. The electronic part that implements the acceleration measurement was further simplified, so that it contains the necessary electronic stages, so that it can produce an analog signal corresponding to the seismic acceleration, which then, with the use of a continuous time analog integrator, produces an electrical signal proportional to the ground velocity. It is obvious that the present architecture uses double feedback loop at the acceleration stage (PD control) rather than the PID being typically used nowadays. The third loop (integral) has been replaced by the analog continuous-time integrator. Special care was taken to ensure that the seismic signal has a flat response over a very wide range extending from 120sec to 75Hz and very low noise, extending below the NLNM limit over a very wide range from 80sec to 16Hz. The performances of the two implemented instrument in this thesis were measured in the laboratory, and then the instruments were placed on the pedestal of the Seismology Laboratory of the Univ. Patras, where they recorded seismic signals, as well as ambient noise, alongside other commercial instruments, frequently used in the scientific community. During the recording period we had the opportunity to record many earthquakes, local as well as teleseisms. The analysis of the signal and the comparison with the reference instruments proved that in practice the designed and manufactured instruments have comparable performance to the reference instruments. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/26929 | |
| dc.language.iso | el | |
| dc.subject | Σεισμολογικές παρατηρρήσεις | |
| dc.subject | Σεισμολογικά όργανα | |
| dc.subject | Σεισμολογικές συσκευές | |
| dc.subject.alternative | Seismological observations | |
| dc.subject.alternative | Seismological devices | |
| dc.subject.alternative | Seismological instruments | |
| dc.title | Σχεδιασμός καινοτόμων ήλεκτρο-μηχανικών διατάξεων μέτρησης φαινομένων χαμηλής συχνότητας για σεισμολογικές παρατηρήσεις | |
| dc.title.alternative | Design of innivative electro-mechanical devices for measuring low frequency phenomena in seismological observations |