sismógrafos - 3

SISMÓGRAFOS - 3
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PRINCIPALES PARÁMETROS DE
UN SENSOR
• frecuencia
o periodo natural
• constante de amortiguamiento
• constante del generador
• ruido interno
• nº componentes
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Estación sismológica:
- Sensor (sismómetro)
-Registrador (amplificador,
convertidor AD, filtros, etc.)
sismógrafo
actualmente digitalizador + registrador
= 1 única unidad generalmente
(pero dos partes por separado
algunos sensores llevan digitalizadores
incorporados
- GPS
- Sistema de comunicaciones
¡¡¡rango dinámico mejores ADC no
alcanza mejores sensores!!!
- Fuente de alimentación
Digitalizador + registrador Reftek
Sensor + digitalizador
Guralp 6TD
Estación sísmica, con el digitalizador al fondo.
Digitalizador Quanterra 24-b
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CONVERTIDORES
ANALÓGICO-DIGITAL (ADC)
clave sismología moderna: computadoras procesado/análisis nececitamos
digitalización (ΔV por nº cuentas)
Clase del 1 de Septiembre del 2006.
Convertidores analógico-digitales.
antiguamente: paso papel-digital (mesa digitalizadora). Todavía hacemos
Uno de los avances más importantes en Sismología se llevó a cabo
arribo de las computadoras. Para poder utilizar las computadoras en el a
esto para sismogramas antiguos
de datos sísmicos se requiere la digitalización de las señales. Esto
actualmente: convertidores analógico-digital (ADC)
conversión señal continua a señal discreta
requiere convertir una señal analógica continua en una serie de númer
representan la señal a intervalos discretos. Este proceso se le den
conversión analógico-digital y se lleva a cabo a través de un conv
analógico digital (ADC).
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.
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La manera más sencilla de llevar a cabo la digitalización de una4señal
medio del muestreo uniforme de un gráfico analógico, como se muestr
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 ΣΔ (ΣΔADC): bastante complejos (sobremuestreo + filtrado para ruido +
alta resolución y velocidad
los más empleados actualmente
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filtrado digital)
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Problemas de información en amplitud (cuantización)
ΔV  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 ω  ¿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)
Supongamos
queinicial:
se tiene un registro continuo y se desea convertir a cuentas
Para reproducir
bien señal
ingresarlo
a un≤computador.
¿Si el
muestreopara
a 2ω
(ωrecuperables
tasa muestreo/2
= registro
ωNyquist) tiene una frecuencia dada por
ω, cuál debe ser la frecuencia de muestreo (muestras por segundo) o el
intervalo de muestreo que debemos utilizar para recuperar la señal de interés?
Para evitar aliasing: filtrado anti-aliasing
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Si
muestreamos a un intervalo Δt, como aparece en la figura, se estarían
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Filtrado anti-aliasing
señal de entrada NO debe contener E para ω > ωNy
filtro pasabaja (más pronunciado conserva más
ancho banda)
• ADC’s tradicionales
filtro analógico previo digitalización
Butterworth orden 8 con ωc=ωNy/2
(-3 dB)
más n ωc 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
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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
aumento ancho banda
útil digitalizador
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-)
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PARÁMETROS MÁS
IMPORTANTES DE UN ADC
Resolución/sensibilidad: mín. incremento detectable amplitud (ΔV) -0.1-1 μV- (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. ΔV entrada
(dB o bits; ½FS: ±  realmente un poco menos: ¡0!)
valor efectivo: ratio máx. ΔV 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
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PARÁMETROS MÁS
IMPORTANTES DE UN ADC
Precisión: ΔVsalida - ΔVentrada (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)
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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
 Distintos
requerimientos
permanente / campo
(consumo y
portabilidad)
cintas, discos magneto-ópticos, CD, discos SCSI, laptops
Comunicación con entorno (redes) -configuración, descarga datosMonday, August 20, 12
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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!
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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.
•
•
-también amortig. mecánico por fricción, hm
•
fuerza de amortiguamiento:
amortig. total: Monday, August 20, 12
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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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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
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FUNCIÓN DE RESPUESTA
Representable mediante:
- ecuación diferencial (Fourier)
- función de transferencia de Laplace
- respuesta a un impulso
- respuesta a una función compleja
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sistema físico
calibración
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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
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REPRESENTACIÓN GENERAL DE
LA FUNCIÓN DE RESPUESTA
ii) Polos y ceros
+ cómoda y utilizada
c = cte. de normalización
Sismógrafo mecánico
zi: ceros
pi: polos (pares conjugados)
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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, 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
(Sensor, amplificador,
convertidor análogo -digital,
anti’alias, DC)
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CORRECCIÓN POR
INSTRUMENTO
Fuente
Sitio
Trayecto
Instrumento
Corrección  eliminar la respuesta total del sismógrafo  deconvolución
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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.
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RESPUESTA A UN IMPULSO
329
11.1 I N S T R U M E N T S
IRIS/IDA BB
10
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
GDSN LP
GDSN SP
1
Relative amplitude
Relative Amplitude
Old IDA
Old IDA
GDSN LP
GDSN SP
0.1
0.001
0.01
0.1
Frequency (Hz)
1
IRIS/IDA BB
10
0
1
0
50
100
Figure 11.4 Velocity response functions for four different vertical-component instruments
(old
Time (s)
Time (s)
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.
The instrument response can be defined in terms of the relationship between the
digital counts in the recorded time series and the actual Earth motion. The gain of
largemeasure
numbersof
of Earth
cheap instruments of limited capability may be more effective tha
an instrument is the ratio between the digital counts and some
Monday,motion;
Augustthus
20, a12high-gain instrument is more sensitive than a low-gain
23 (d
few state-of-the-art,
instrument. but expensive, broadband seismographs. In other cases
SISMÓGRAFOS
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DIFICULTADES EN
DECONVOLUCIÓN
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CHAPTER 6
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.
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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
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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
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SISMÓGRAFOS TEMPORARIOS
Earthscope
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SISMÓGRAFOS PORTÁTILES
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SISMÓGRAFOS MUY
PORTÁTILES...
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SISMOGRÁFOS MUY
PORTÁTILES..
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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)
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.
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CRITERIOS DE SELECCIÓN DE
INSTRUMENTACIÓN SÍSMICA
tipo 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
→ requerimientos de emplazamiento e instalación
→ facilidad de operación / reparación
→ capacidad de almacenamiento
→ portabilidad
→ consumo de energía / fuente de alimentación
→ estabilidad ante cambios ambientales
→ sistema de comunicación
→ presupuesto
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