SISMÓGRAFOS - 3
PRINCIPALES PARÁMETROS DE UN SENSOR •
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frecuencia o periodo natural constante de amortiguamiento constante del generador r uido interno interno nº componentes
PRINCIPALES PARÁMETROS DE UN SENSOR •
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frecuencia o periodo natural constante de amortiguamiento constante del generador r uido interno interno nº componentes
Estación sismológica: - Sensor (sismómetro) -Registrador (amplificador (amplificador,, convertidor convertid or AD, AD, filtros, etc.) - GPS - Sistema de comunicaciones - Fuente de alimentación
sismógrafo
actualmente digitalizador + registrador = 1 única unidad generalmente (pero dos partes por separado algunos sensores llevan digitalizadores incorporados ¡¡¡rango dinámico mejores ADC no alcanza mejores sensores!!!
Digitalizadorr + registrador Reftek Digitalizado
Sensor + digitalizador Guralp 6TD Estación sísmica, con el digitalizador al fondo.
Digitalizadorr Quanterra 24-b Digitalizado
CONVERTIDORES ANALÓGICO-DIGITAL (ADC) clave sismología moderna: computadoras procesado/análisis nececitamos digitalización (!V 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 !" (!"ADC): bastante complejos (sobremuestreo + filtrado para ruido + filtrado digital)
alta resolución y velocidad los más empleados actualmente
Problemas de información en amplitud (cuantización) !V ! nº (cuentas) en binario ! represent. por palabra de 2-4 bytes (1 byte = 8 bits)
(212 - 224 valores posibles -cuantización-) +/- ! ±211 - ±223 (2048-8.38·106 valores) Problemas de información en f : proceso de alias en la señal discretizada (aliasing)
Señal de frecuencia ! ! ¿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 2! (!recuperables # tasa muestreo/2 = !Nyquist) Para evitar aliasing: filtrado anti-aliasing
Filtrado anti-aliasing señal de entrada NO debe contener E para $ > $Ny filtro pasabaja (más pronunciado conserva más ancho banda) • ADC’s tradicionales
filtro analógico previo digitalización Butterworth orden 8 con $c=$Ny /2 (-3 dB) más n $c más alto ~ func. rectáng. 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 no desplazan fase
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-)
aumento ancho banda útil digitalizador
PARÁMETROS MÁS IMPORTANTES DE UN ADC Resolución/sensibilidad: mín. incremento detectable
amplitud ( !V) -0.1-1 %V- (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. !V entrada (dB o bits; "FS: ± ! realmente un poco menos: ¡0!) valor efectivo: ratio máx. !V 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: !Vsalida - !Ventrada
(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) & rango din. (<50 dB), instantáneo, & consumo
digital
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
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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 # Ganancia R # 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 •
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Transductor de velocidad (actualmente sólo sensores T corto) transductor (transformación E sísmica – E eléctrica) bobina en mov. dentro de campo magnético. ' !V=G ( G: cte generador -V/ms-1-) R T: resistencia total del circuito R g: bobina R e: externa ajustable para variar amortig. fuerza de amortiguamiento: -también amor tig. mecánico por fricción, hm amortig. total:
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) - función de transferencia de Laplace - respuesta a un impulso - respuesta a una función compleja
sistema físico calibración
REPRESENTACIÓN GENERAL DE LA FUNCIÓN DE RESPUESTA sismógrafo: sensor + digitalizador + registrador
( filtros) !
Formas universales para describir cualquier tipo de filtro: i) Función racional de i $ 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)
Sismógrafo mecánico
COMBINACIÓN DE CURVAS DE RESPUESTA sismógrafo: sensor + digitalizador + registrador respuesta total =
( filtros) !
(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, f c=25 Hz, n=6 (p-baja;ADC) Filtro LB (DC): Butterworth, f c = 0.01 Hz, n=1 (pasa-alta; registrador) Respuesta total del sismógrafo: T tot = Ts·Ta·TADC·Tanti-alias·TDC (Sensor, amplificador, convertidor análogo -digital, anti’alias, DC)
CORRECCIÓN POR INSTRUMENTO Sitio
Fuente Trayecto
Instrumento
Corrección ! eliminar la respuesta total del sismógrafo
!
deconvolución
DIVISION POR CONSTANTE DE GANANCIA DEL SISTEMA
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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 A UN IMPULSO IRIS/IDA BB
10
GDSN LP
Old IDA e d u t i l p m A 1 e v i t a l e R
e d u t i l p m a e v i t a l e R
GDSN SP
Old IDA
GDSN LP
GDSN SP
0.1
0.001
0.01 0.1 Frequency (Hz)
1
IRIS/IDA BB
10
0
1 (old Figure 11.4 Velocity response functions for four different vertical-component instruments Time (s)
0
50 Time (s)
100
IDA station ALE, long and short-period channels for the GDSN station COL, and IRIS/IDA station ALE). 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 frequency response of these intruments is plotted in Figure 11.4.
SISMÓGRAFOS
DIFICULTADES EN DECONVOLUCIÓN
!"#$%& ()* "#$%&'()#% *+&&)*%,+# ,# -,..)&)#% .,/%)& 01#-$2 34) %+5 %&1*) ,$ %4) +&,6,#1/ &)*+&-,#6 +. 1 $(1// )1&%47'18) 9,%4 1 : ;< $),$(+()%)&2 34) = 0+%%+( %&1*)$ 41>) 0))# *+#>)&%)- %+ -,$5/1*)()#% 9,%4 -,..)&)#% .,/%)&$2 34) 1(5/,%'-)$ %+ %4) &,64% 1&) (1?,('( 1(5/,%'-)$2
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.
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SISMÓGRAFOS PERMANENTES
SISMÓGRAFOS TEMPORARIOS Earthscope
SISMÓGRAFOS PORTÁTILES
SISMÓGRAFOS MUY PORTÁTILES...
SISMOGRÁFOS MUY PORTÁTILES..
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.
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TELEMETRÍA Centro de Registro Sísmico
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)
