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La Strumentazione Sismica. Il sismoscopio Che cosè un sismometro? È uno strumento in grado di misurare il moto del suolo relativo a un sistema di riferimento.

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Presentazione sul tema: "La Strumentazione Sismica. Il sismoscopio Che cosè un sismometro? È uno strumento in grado di misurare il moto del suolo relativo a un sistema di riferimento."— Transcript della presentazione:

1 La Strumentazione Sismica

2 Il sismoscopio

3 Che cosè 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 = +

4 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

5 SENSORI SISMICI Lequazione del moto del sistema è: Che può scriversi come: Il moto del suolo ha lo stesso effetto di una forza esterna 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

6 SENSORI SISMICI Per risolvere lequazione del moto supponiamo che Si ricava da cui Se poniamo (pulsazione naturale) si ottiene

7 SENSORI SISMICI In assenza di forze esterne: 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: Le curve di risposta complesse del sismometro sono date da:

8 SENSORI SISMICI spostamentovelocitàaccelerazione Il sistema si comporta come un filtro passa-alto per lo spostamento e come un filtro passa-basso per laccelerazione

9 SENSORI SISMICI Perché lo smorzamento? Lo smorzamento garantisce che loscillatore non continui a vibrare indefinitamente quando la sollecitazione è terminata

10 SENSORI SISMICI Geofono elettromagnetico Quando londa 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): La risposta del sistema è proporzionale alla velocità del suolo

11 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 Linnalzamento (o abbassamento) del suolo associato a unonda 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 proporzionale allaccelerazione del suolo

12 SENSORI SISMICI Sistemi controbilanciati Sono basati sullintroduzione 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 allaccelerazione del suolo

13 SENSORI SISMICI Bilancia convenzionale Come si fa a determinare il peso incognito? Equilibrando il sistema mediante dei pesi campione

14 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 lequilibrio rimuovendo alcuni pesi campione

15 SENSORI SISMICI Loperazione di rimozione (o aggiunta) di pesi campione può essere automatizzata se la posizione dellago della bilancia è collegata a un trasduttore di spostamento che governa un trasduttore di forza

16 SENSORI SISMICI Per eliminare leffetto della forza di gravità è sufficiente sostituire il contrappeso con una molla Geofono controbilanciato

17 SISTEMI di ACQUISIZIONE DATI Schema a blocchi

18 SISTEMI di ACQUISIZIONE DATI Analog/Digital Signal Processing (ADSP) I segnali provenienti dai geofoni raggiungono il blocco ADSP

19 SISTEMI di ACQUISIZIONE DATI Analog/Digital Signal Processing (ADSP) preamplificazione (con guadagno programmabile dalloperatore) 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 dalloperatore condizioni di acquisizione (TRIGGER)

20 SISTEMI di ACQUISIZIONE DATI Trigger Riconoscimento 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 dalloperatore

21 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

22 SISTEMI di ACQUISIZIONE DATI Trigger

23 SISTEMI di ACQUISIZIONE DATI Trigger Lalgoritmo 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 lacquisizione se è verificato il criterio: dove w i (pesi assegnati ai canali) e CS (Coincidence Sum) sono parametri programmabili dalloperatore. Cosa accade se CS=0 ? Il blocco di trigger sovrintende alle gestione delle memorie di pre-evento e post-evento che consistono nellacquisizione di alcuni blocchi di dati precedenti lattivazione del trigger e successivi alla sua disattivazione

24 SISTEMI di ACQUISIZIONE DATI Clock I sistemi di acquisizione dati sono dotati di moduli per il trattamento del segnale del tempo (CLOCK). Lorologio 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.

25 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 2 n valori (counts) per codificare un segnale continuo.

26 CALIBRAZIONE La calibrazione di una stazione sismica consiste nel ricavare la relazione esistente tra lingresso (moto del suolo) e luscita (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 unopportuna bobina (detta di calibrazione). In ingresso si usano segnali sinusoidali di ampiezza e frequenza note. Poiché il sistema è lineare, luscita 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.

27 CALIBRAZIONE La determinazione della fase della funzione di trasferimento può essere ricavata costruendo con i segnali di ingresso e uscita unellisse di Lissajous essendo d 1 e d 2 i due semiassi dellellisse.

28 CALIBRAZIONE

29 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 dellordine di 1-2 Hz Sismometri destinati alla registrazione di eventi deboli o lontani e utilizzati in studi inerenti linterno della Terra; hanno frequenza propria dellordine 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)

30 STRUMENTAZIONE Geofono Mark L-4CA 2 HzSensore Larga Banda PMD Perché, di norma, si utilizzano sensori a tre componenti?

31 STRUMENTAZIONE ISMI e NAPI velocimetri larga banda BENI accelerometro VESI velocimetro corto periodo

32 STRUMENTAZIONE Lampiezza 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


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