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2020第二屆中國智能展覽會
電子元件

了解地震信號檢測網絡的基礎知識

  2020年03月20日  

摘要

       地震對密集的商業和住宅區以及所有類型的建筑物構成了重大威脅。隨著這些區域越來越大,建筑物越來越多,地震監測需要實現一個廣泛的傳感器網絡。由于成本高且復雜,傳統儀器不能勝任。使用微機電系統(MEMS)加速度計和堅固耐用的小型地震檢波器,可以開發低成本物聯網(IoT)解決方案。有源元器件和轉換器的最新技術使這些傳感器能夠達到現代儀器標準。ADI公司為地震傳感器網絡應用提供簡單但可靠的儀器設計解決方案。

簡介

        隨著世界相互聯系和相互依存的程度越來越高,中型和大型地震可能會造成重大的經濟破壞和損失。發生在任何脆弱城市中心地區的大地震,都會對中心地區的國民經濟及其企業提供服務和全球參與的能力產生連鎖反應1。應認識到地震風險是一個全球性問題,提高地震監測能力以減輕這種風險是至關重要的責任。

       改進地震監測的一個關鍵因素是地震傳感器網絡的實現,這需要廣泛部署地震儀器并將其互連2。然而,安裝大量傳統地震儀器的成本和復雜性均很高3 。集成物聯網技術可提供低成本解決方案,同時維持標準地震數據質量4。本文討論地震和地動傳感器的物理原理、遵循的現代儀器標準以及它們提取的特征。此外,針對不同地震傳感器網絡應用,我們開發了一個采用ADI解決方案的系統設計。

地震

        地震是由構造板塊的運動和碰撞引發的事件。碰撞產生的能量以地震波的形式在地球內部表面周圍傳播。這些波有多個方向,分為體波和面波。

        體波有兩種類型:縱波(P波)和橫波(S波)。P波以一系列壓縮波和稀疏波的形式沿傳播方向行進。由于其傳播的性質,P波呈球面發散。雖然其波能衰減在所有類型的波中是最大的,但其速度最快,介于 5 km/s 至 8 km/s 之間。快速能量衰減也使其成為破壞性最小的一類波。P波不僅可以通過表面傳播,還可以通過水或流體傳播。

        S波也稱為剪切波,緊隨P波之后到達。其沿地球表面傳播的速度約為P波的60%至70%。此類波垂直于傳播方向和地球表面行進。S波的能量衰減較少,比P波更具破壞性。P波和S波統稱為體波。
 


 

圖1.地震波的類型:(a) 縱波;(b) 橫波;(c) 勒夫波;(d) 瑞利波5

        面波比體波慢10%,但破壞力最大。值得注意的是,地震波的傳播速度與其經過的土壤類型有很大關系6。面波由瑞利波和勒夫波組成。瑞利波是一種以紋波形式在地表附近傳播的面波,它會引起順行(沿傳播方向)或逆行(與傳播方向相反)旋轉。由于其運動性質,它也被稱為地滾波。勒夫波的行進方向與傳播方向正交,但與地球表面平行。圖1顯示了不同類型的波及其對地球本體的影響。

震級、強度和頻譜強度

        地震震級和地震強度常常被相互混淆。二者有一定的相關性,但卻是兩個不同地震參數的量度。

地震強度

        地震強度(簡稱強度)在很大程度上取決于測量位置的特性。它描述地震對特定區域的影響,在世界范圍內普遍使用,是一種量化振動方式和破壞程度的傳統方法。因此,地震強度沒有一個真實的值。地震強度值遵循修正的Mercalli強度量表(1至12)或Rossi-Forel量表(1至10)。不過,修正的Mercalli強度(MMI)現已成為世界的主導標準。表1列出了美國地質調查局(USGS)提供的修正Mercalli量表中的強度值及其相應的影響描述。

表1.簡易版修正Mercalli強度量表

        確定地震強度的方法有很多7。這些方法使用從以往地震中收集的數據,創建自己的地震動預測方程(GMPE)來預測強度值。推導出的方程式至少使用一個地震動參數或地震動參數的組合,即峰值地震動位移(PGD)、峰值地震動速度(PGV)和峰值地震動加速度(PGA)。早期方程主要基于PGA,有幾種使用了PGV和PGD。雖然GMPE使用多個數據庫中的數據來建立相關性,但不同模型得出的值仍然差異很大。例如,使用Wald的GMPE,10 cm/s2的PGA值得出的MMI值為3.2。而根據Hershberger的GMPE,10 cm/s2的PGA值對應的MMI值為4.43。請注意,大多數GMPE遵循冪律,MMI值每增加一級,PGA值需要指數式增加。式1給出了Wald和Hershberger創建的相關性方程。

        式1顯示了地震動預測方程:(a) Wald;(b).Hershberger。8
        MMI = 2.2log(PGAmax) + 1 (1)
        MMI = 2.33log(PGA) + 1.5
        日本氣象廳(JMA)設計了一種地震強度量表,它可以根據強運動三軸加速度數據來計算9。每個軸的加速度時間信號都信息傅立葉變換。圖2所示的帶通濾波器(由周期效應濾波器、高截止和低截止濾波器組成)應用于每個軸的頻率信號。圖中還給出了每個子過濾器的數學表示。
 
圖2.計算JMA強度所用加速度計輸出信號的帶通濾波器:(a) 周期效應濾波器方程;(b) 高截止濾波器方程;(c) 低截止濾波器方程。9

        對每個軸的濾波后頻率信號進行傅立葉逆變換之后,計算所有三個軸的相應時域信號矢量和的大小。累計持續0.3秒或更長時間的最高加速度值被指定為a0。然后使用式2從a0 計算儀器地震強度,即利用持續時間至少為0.3秒的最高加速度求解JMA地震強度方程9
        IJMA = 2loga0 + 0.94

其中:
        IJMA = JMA地震強度 (2)
        a0 = 持續0.3秒或更長時間的最高加速度

地震頻譜強度

        地震強度衡量特定位置感受到的地震的影響,而頻譜強度(SI)則衡量地震對特定結構施加的破壞性能量的大小10。SI值利用式3所示方程根據速度響應譜來計算。高剛性結構的速度法向周期為1.5 s至2.5 s。SI值針對的是震動速度譜,因此能夠輕松區分地震活動與地震或其他來源。所以,SI值可以用作地震對建筑物結構健康影響的標準。此外,與JMA地震強度相比,SI值涉及的計算較為簡單,這使其更適合低功率應用。

        式3給出了頻譜強度方程,即震動速度響應譜對建筑物法向速度周期的積分11
 

其中:
        SI = 頻譜強度 (3)
        Sv(T,h) = 頻率范圍h和周期T的震動速度譜

地震震級

        地震震級(簡稱震級)表示地震在震源處釋放的能量。其值不取決于測量位置。實際上,它只有一個真實值,即按照里氏量表指定的數字。有記錄的最強地震是1960年代襲擊智利瓦爾迪維亞的地震,震級為9.4至9.6。

        地震震級與強度之間的相關性尚未完全界定清楚。明確界定二者之間的關系取決于許多因素,包括震源的深度、震源周圍的地質組成、震中與測量設備之間的地形類型、設備位置或其距震中的距離等。例如,2017年5月發生在俄勒岡州海岸附近的地震被確定為4級。根據2017年7月的USGS震動圖12,蒙大拿州感到的地震強度為5至6級,愛達荷州也感到了相同的地震,但強度只有2至3級。這表明,即使愛達荷州比蒙大拿州更靠近震中,但這并不一定意味著前者感到的地震影響會更強烈。

地震檢測

        地震檢測是指測量和分析地震波的過程。地震波不僅指地震產生的運動,施加在地面上的任何力,即便是人在地面上走路那么小的力,都可能引起足以產生地震波的擾動。地震監測應用感興趣的地動范圍非常大。地震產生的地動可能像紙一樣薄,也可能像房屋一樣高。

        地動可以通過位移、速度和加速度來表征。地動位移通過地球表面行進的距離來衡量。位置變化可以是水平的,也可以是垂直的。地動速度指地表面移動的速度,而地動加速度指地動速度相對于時間的變化速度。地動加速度是確定地震過程中引起結構應力的最重要因素。GeoSIG的一份演示材料中顯示了震級、地震動和強度之間的關系13。

        用于地震檢測的設備屬于專用設備。涉及地震檢測的應用可以根據其頻率范圍進行分類。因此,儀器的頻率響應曲線必須適合其使用場景。GeoSIG的一張圖表顯示了不同地震檢測應用及其涵蓋的頻率13

現代地震儀和地震動傳感器概述

        地震檢測設備通常稱為地震儀,已經從使用傳統的筆和擺錘發展到使用電子和機電傳感器。這些傳感器的設計進步產生了具有不同工作頻率范圍、檢測機制和測量不同地震動參數的儀器。

應變地震儀

        歷史上的地震儀器只能記錄地動位移。技術的進步使得通過不同機制來測量地動位移成為可能。應變地震儀或應變儀一般是指記錄和測量兩個地面點之間位移的儀器14。傳統模型使用埋入或安裝在鉆孔中的實心桿。桿通常注入石英和其他對長度和應變變化高度敏感的材料。長度的變化歸因于地動引起的小位移。

        另一種實現方式稱為體積應變儀,它使用帶有充液管的安裝在鉆孔中的圓柱體15。容器體積的變形會引起液位變化,再通過電壓位移傳感器轉換為地動位移。由于不需要傳統模型所需的特殊材料,體積應變儀在該領域得到了更廣泛的應用。

        激光技術的最新發展使得人們制作出了激光干涉儀,它大大提高了應變儀的精度。此類應變儀使用與不等臂長邁克爾遜干涉儀相同的原理,一點是傳感器、激光源和短臂,另一點是反射器,該反射器位于一定距離之外。設備將反射器運動引起的干涉條紋變化轉換為地動位移。這種位移測量方法的靈敏度和精度與測量距離的長度成正比。因此,激光應變儀需要非常深的地下設施。

        應變儀的精度可以達到十億分之一。這些設備通常用于測量斷層運動和火山活動引起的地球變形或地殼運動。它們可以測量頻率非常低的地震波信號。但是,與懸吊質量塊相對于地面的運動相比,應變儀的差分地面運動非常小。因此,不建議使用應變儀來檢測地震引起的地面運動3

慣性地震儀

        慣性地震儀確定相對于慣性參考的地動參數,慣性參考通常是一個懸吊質量塊3。具體來說,地震動參數指的是懸吊質量塊的線速度和位移。雖然合成的地震動包括線性和角度分量,但地震波的旋轉效應可以忽略不計。這些速度和位移值是從傳感器獲得的,傳感器將懸吊質量塊的運動轉換為電信號。控制運動的機械懸架與作用在懸吊質量塊上的慣性力相關。速度和位移傳感器與機械懸架是慣性地震儀的兩個主要組成部分。為這兩個部分開發精密儀器是現代慣性地震儀的主要設計工作。

力平衡加速度計

        機械懸架需要一個較小的恢復力以提高靈敏度,這樣較小的加速度也能在懸吊質量塊上產生較大位移。但是,當強地震運動產生的大加速度作用于懸吊質量塊時,較小恢復力將無法平衡所產生的運動。因此,被動機械懸架的精度和靈敏度只適用于有限范圍的地震動加速度。力平衡加速度計(FBA)通過向機械懸架增加負反饋環路來消除此限制。

        電磁傳感器根據懸吊質量塊的位置產生補償力。該位置由位移傳感器轉換為電信號,信號隨后通過一個積分器模塊,產生與地震動加速度成比例的輸出電壓。FBA的動態范圍明顯大于采用被動機械懸架的地震儀。因此,該設備通常用于強地震應用。但是,反饋環路引起的延遲會限制設備的帶寬。

速度寬帶(VBB)地震儀

        車輛運動和人為擾動(例如采礦)引起的地震波具有高頻地震動加速度。在非常低的頻率下,地動加速度以不平衡的懸架、地面傾斜和熱效應為主。因此,使用地震動加速度的地震儀的帶寬以具體帶通響應為限。地震動加速度的帶通響應等效于地震動速度的高通響應。因此,為了獲得更寬的地震儀帶寬,地震信號是以地震動速度記錄的。VBB地震儀基于FBA,但不是將懸吊質量塊的加速度作為反饋,而是使用其速度和位置。該設備的響應與傳統慣性地震儀的理論響應非常相似,但是對于更廣泛的作用力,其靈敏度和精度不會降低。

地震檢波器和微機電系統(MEMS)加速度計

        日益增多的地震應用的趨勢是發展地震儀或地震傳感器網絡和陣列,例如用于地震監測、石油勘探和結構健康監測方面。地震儀的實施、屏蔽和安裝是這些應用的三個常見約束條件。設備的規模生產和快速部署能夠直接克服這三個常見限制,為此要求地震儀的尺寸和成本相應地縮減。當前有兩類傳感器技術能夠檢測地震動;與FBA和VBB相比,它們的尺寸非常小,而且成本低。

地震檢波器

        地震檢波器是一種地震動速度傳感器,其重量輕,堅固耐用,不需要任何電源即可工作。現代地震檢波器的外殼上固定有一塊磁鐵,并被一個線圈包圍16。線圈被彈簧懸掛起來,可以在磁體上移動。此運動相對于磁鐵的速度會感生一個輸出電壓信號。

        圖3所示為4.5 Hz地震檢波器的仿真頻率響應。對于高于其諧振頻率的頻率范圍,地震檢波器的頻率響應在速度上是平坦的,而對于此頻率以下的頻率則是下降的。小型且低成本的地震檢波器的諧振頻率通常高于4.5 Hz。

 

圖3.仿真4.5 Hz地震檢波器頻率響應,阻尼系數為0.56
 

        根據地震檢波器的機械規格可以創建等效電氣模型。圖4顯示了使用SM-6 4.5 Hz地震檢波器的機械參數的電氣模型。17

 

圖4.使用產品數據表中的機械參數得出的SM-6 4.5 Hz地震檢波器的等效電氣模型17

        為了擴展帶寬以覆蓋適用于地震檢測的較低頻率,可以使用周期擴展器。低頻響應擴展的三種最常見方法是逆濾波器、正反饋和負反饋。18

逆濾波器

        在低于諧振頻率的頻率上,逆濾波器會補償地震檢波器的滾降。通過級聯諧振頻率的反相高通濾波器和截止頻率為所需降低值的低通濾波器,可以構建逆濾波器。圖5顯示了逆濾波器的響應以及應用時得到的轉換函數。此方法有很多缺點,使得總體結果的信噪比(SNR)較低。粉紅噪聲會被逆濾波器放大,而且其低頻熱穩定性很差。

 

圖5.逆濾波器轉換函數的頻率響應及其對仿真4.5 Hz地震檢波器頻率響應的影響

正反饋

        正反饋是將外部電流饋入地震檢波器線圈來實現的,電流會產生一個力作用在懸吊質量塊上。此外部電流信號是通過正反饋濾波器(例如積分濾波器)從地震檢波器的輸出信號中導出的,它會放大低頻懸吊質量塊的運動。在實際情況中,正反饋濾波器的設計很難保持穩定。

負反饋

        與正反饋相反,負反饋會減弱內部懸吊質量塊的運動。一種方法是通過降低阻尼電阻來使流過地震檢波器線圈的電流過阻尼。但是,這會受到線圈電阻的物理限制。為將阻尼電阻減小到顯著低于線圈電阻的值,應添加一個負電阻。負電阻可以通過負阻抗轉換器(NIC)等有源器件來實現。這可以通過使用運算放大器(運放)來實現,如圖6所示。可以添加帶通濾波器和高增益濾波器來對頻率響應進行整形并使之穩定。

 

圖6.使用運算放大器的負阻抗轉換器的基本架構

MEMS加速度計

        MEMS加速度計是采用單個IC器件封裝的運動傳感器。典型結構是使用一對電容和一個微小的硅質量塊,中間有金屬板19。非常薄的硅區域將質量塊懸吊在中間。質量塊位置的變化會導致器件電容發生變化,進而轉換為與懸吊質量塊的加速度成比例的電壓信號。MEMS器件需要電源才能工作,某些MEMS加速度計內置數字化儀,可消除不必要的噪聲,而且無需匹配傳感器和記錄器。如圖6所示,MEMS加速度計的頻率響應就像一個截止頻率為諧振頻率的低通濾波器。

 

圖7.MEMS加速度計(ADXL354)在X軸上的頻率響應20

        由于失調漂移,MEMS加速度計在諧振頻率以下的較高頻率時表現更好21。相反,地震檢波器由于其機械結構,在較低頻率(但仍高于諧振頻率)時表現更好。可以實現一個小型低成本的地震儀,以同時利用地震檢波器和MEMS加速度計來獲得更高的器件帶寬。當與適當的傳感器轉換函數進行卷積運算時,地震檢波器和MEMS加速度計的傳感器輸出可以轉換為不同的地動參數。論文“地震檢測:使用實驗室和現場數據比較地震檢波器與加速度計”,基于每種傳感器的常見轉換函數,討論了針對相同地震動位移Ricker子波的地震檢波器和MEMS加速度計傳感器輸出21

地震傳感器儀器指南

        為了提供可重復性和一致性,并支持采用地震儀陣列或地震傳感器網絡進行地震信號分析,需要對所用的儀器制定一套標準和規范。USGS已為其要部署在國家先進地震系統(ANSS)中的儀器設定了標準22。本部分根據USGS提到的經驗和技術趨勢,討論廣泛應用實現期望器件性能所需的不同規格。

數據采集系統(DAS)標準

        USGS將現代地震儀歸類為數據采集系統。與傳統地震儀相比,標準DAS包括地震傳感器、數據采集單元以及外設和通信硬件。根據設備性能可將其分為A、B、C、D四類儀器。A類儀器接近最先進的地震儀,而D類儀器可與傳統地震儀相媲美。有關規格的詳細討論,請參見《儀器指南》22

儀器帶寬
       對于測量速度和加速度的地震傳感器,其額定帶寬和頻率響應是不同的。儀器等級越高,其帶寬越寬,頻率響應越好。寬帶傳感器全都是A類儀器,帶寬至少為0.01 Hz至50 Hz。在0.033 Hz至50 Hz的頻率范圍內,其對速度的頻率響應是平坦的。22

        短周期A類傳感器具有0.2 Hz至50 Hz的低帶寬。只有在1 Hz至35 Hz的頻率范圍內,其對速度的頻率響應才是平坦的22

        A類加速度計在0.02 Hz至50 Hz范圍內具有平坦的頻率響應,而B類加速度計僅在0.1 Hz至35 Hz范圍內具有平坦的頻率響應。22

強震動、弱震動和寬帶傳感器
        DAS使用的傳感器按其捕獲的地震信號的幅度和頻率范圍進行分類。強震動傳感器可測量大幅度地震信號,通常是加速度計。強震動加速度計可測量高達3.5 g的加速度,而且系統噪聲水平低于1μg/√Hz22

        弱震動傳感器可測量幅度非常低的地震信號,噪聲水平低于1 ng/√Hz22。然而,寬帶傳感器已經能夠測量低幅度的地震信號,因此很少使用弱震動傳感器。

傳感器動態范圍和削波電平
        寬帶速度傳感器的靈敏度為1500 Vs/m。當最大輸出電壓為±20 V時,輸出削波電平或最大可測速度為±0.013 m/s。22

        在較小頻率范圍內,短周期速度傳感器比寬帶傳感器更靈敏。對于1 Hz信號頻率,削波電平通常為±0.01 m/s。22

         A類加速度計的削波電平大于±3.5 g,而B類加速度計的削波電平為±2.5 g 22

傳感器動態范圍是指最大可測量地震信號的均方根值與均方根自噪聲之比。但是,傳感器的均方根自噪聲會隨其帶寬而變化。表2列出了不同地震傳感器在不同頻率范圍下的動態范圍。

表2.不同類型傳感器的動態范圍:寬帶傳感器22

表3.不同類型傳感器的動態范圍:短周期傳感器22

表4.不同類型傳感器的動態范圍:加速度計22

傳感器通道和方向

          地震波產生的線性地震動分量于所有三個笛卡爾軸中均存在。三軸地震傳感器的傳統標準方向是朝東、朝北和朝上。但是,對于水平和垂直傳感器,傳統(甚至某些現代)地震儀的結構是不同的,因為垂直傳感器必須考慮重力作用。同質三軸排列支持使用結構類似的傳感器來確定笛卡爾坐標軸上的線性地震動分量3。傳感器位于一個以儀器為中心的圓的三個均等間隔點上,并向其傾斜54.7度(相對于垂直方向)。使用式4所示的方程可將修改的坐標軸轉換回笛卡爾坐標軸。

        式4展示了將同質三軸排列轉換為笛卡爾坐標系的轉換矩陣。
  (4)

        然而,大部分現代傳感器已被封裝和設計成支持三軸測量。這些傳感器有非常小的固有跨軸耦合效應。儀器指南要求跨軸耦合必須小于輸出信號的–70dB22。

分辨率和采樣速率

        在非常低的頻率下,地震引起的地震動幅度可能非常小。用于地震儀器的數據記錄儀能夠以高分辨率記錄各種采樣速率的信號。寬帶地震儀至少需要20位數據分辨率,采樣速率為最低0.1 SPS(樣本/秒)至最高200 SPS。短周期速度傳感器和A類加速度計至少需要22位數據分辨率,采樣速率為1 SPS至200 SPS。B類加速度計對數據分辨率的要求較低,至少16位即可。22

        采樣速率規格考慮了儀器及其內部數據存儲。但是,高級地震儀配備了更多的存儲空間,并且可以訪問大型網絡數據空間(例如云數據服務),因此可以支持超過額定規格的采樣速率,這樣便可開展更準確的數據分析和地震研究。

時間和位置信息

        地震信號僅與特定的測量位置和時間有關。每臺地震儀器的數據都有時間戳和已知全球位置,這是標準。每臺地震儀器的每次記錄都必須能夠附加上其位置,要么通過手動用戶輸入,要么通過全球定位系統(GPS)設備或服務。現代地震儀還有內置實時時鐘,或者可以通過在線網絡時間協議(NTP)服務器等與精確參考時間同步。

輸出數據格式

        全球地震儀器主要使用兩種數據格式:SEG-Y和SEED。SEG-Y格式是由勘探地球物理學家協會(SEG)開發的一種開放標準,用于處理三維地震信號之類的地球物理數據23。每個記錄都包括時間戳、采樣間隔和實際測量的坐標位置。格式規范和修訂的詳細信息可以在該組織的網站上查看。還應注意的是,有多種使用SEG-Y格式的地震分析開源軟件,但大多數軟件并未嚴格遵循規范。

         地震數據交換標準(SEED)格式旨在簡化機構之間和儀器之間交換未處理的地震數據并確保準確性24。雖然它主要用于地震記錄存檔,但有不同版本的SEED(例如miniSEED和無數據SEED)用于數據分析和處理。miniSEED僅包含波形數據,而無數據SEED包含有關地震儀器和測站的信息。

ADI公司系統設計

          為了快速部署和實現地震網絡,特別是針對城市和結構監測站,必須改變傳統地震儀的設計。遠程儀器必須符合當前儀器指南,以使現代地震信號測量符合既有數據標準并與之相關聯。但是,方案的成本和規模應大大縮小。將小型地震檢波器和MEMS加速度計用作地震動傳感器,再加上高性能ADC和數字信號處理器(DSP),是一種合理的解決方案。5

模數轉換器(ADC)考慮

        DAS的數據采集單元(DAU)的主要設計考慮因素是模數轉換器(ADC)。傳統上,這是由數字現場系統(DFS)來執行的,該系統用作線性逐次逼近寄存器(SAR)型ADC和瞬時浮點(IFP)放大器。圖8所示為傳統DFS的框圖。

        前置放大器(PA)、低截止(LC)、高通濾波器、陷波濾波器(NF)、抗混疊(AA)高通濾波器和IFP放大器的分立實施會增加系統噪聲和功耗。多路復用器的使用會增加開關、串擾和諧波失真。最重要的是,SAR ADC引起的量化誤差會限制系統的動態范圍和分辨率25。因此,最好使用其他架構和其他轉換器來設計DAU。

Sigma-Delta (∑-Δ)型轉換器

        Σ-Δ型轉換器利用信號中的變化并將其添加到原始信號中。這樣可以減少SAR ADC固有的量化誤差,并能實現更高的分辨率和動態范圍。有了現代Σ-Δ型ADC,便不再需要以分立方式實現信號調理濾波器。這些ADC具有豐富且可配置的數字濾波器,它們可以執行與傳統信號鏈相同的功能。這就有效降低了系統噪聲和設計復雜性。此外,高端精密Σ-Δ型ADC能夠以至少24位分辨率同時檢測多個通道。

使用ADI解決方案的現代DAS設計

        圖9給出了一種低成本地震傳感器節點實施方案的一般框圖,這種節點可靈活適應不同的應用。

 

圖8.使用IFP放大器系統的傳統DFS的框圖

 

圖9.采用三個同質三軸排列的地震檢波器和一個三軸MEMS加速度計的低成本地震儀的一般框圖
        支持地震成像功能的ADI三軸加速度計解決方案有ADXL354和ADXL356。其數字輸出版本分別為ADXL355和ADXL357,集成了20位ADC,可以直接與處理器連接20

        低成本緊湊型地震檢波器僅檢測單個通道,諧振頻率通常大于4.5 Hz,靈敏度大于25 V/m/s。同質三軸排列允許將三個類似的單通道地震檢波器組合成一個三軸地震動傳感器。需要一個周期擴展器來向下擴展地震檢波器帶寬,以達到寬帶傳感器的標準儀器規格。當設計采用單電源供電時,周期擴展器還可以用作增益放大器,并將輸入信號的偏置設為ADC范圍的中心。

        MEMS加速度計固有的頻率響應使其容易受到失調漂移和高頻噪聲的影響。帶通濾波器可改善局部地震學感興趣的頻率范圍內的加速度信號。地震檢波器周期延長器和加速度計帶通濾波器都需要低噪聲、低失調電壓和低輸入偏置電流的精密運算放大器,例如ADA4610-1 26。

        基準電壓設置ADC的測量范圍和周期擴展器的輸出信號擺幅。如果使用模擬輸出傳感器,基準電壓值還應考慮三個加速度信號的電壓擺幅。基準電壓的失調電壓溫漂必須非常低,特別是對于室外設施(通常在0?C至50?C)。ADI公司的超低噪聲和高精度基準電壓源ADR45xx系列是行業標桿,可以輕松滿足這些要求27

        對于有電力線的設施,例如建筑物和測站,地震傳感器的電源可以從有線直流電源轉換器獲取;對于遠程和現場設施,電源可以從電池獲取。從有線直流電源轉換器獲取時,低噪聲開關穩壓器和低噪聲、低壓差(LDO)穩壓器適合應用。ADI公司LDO穩壓器(例如ADM717x系列)具有高電源電壓抑制比(PSRR)、低溫漂和低噪聲特性28。電池供電的設計需要高負載效率且低功耗的充電控制器和電池充電器,以便維持儀器長期運行而無需維護。此外,如果儀器能夠從容易獲得的能源(例如太陽能和熱能)中收集能量,那么更好。ADP5091超低功耗能量采集器具有最大功率點跟蹤和遲滯模式,可確保能量傳輸效率最高29。它有電源路徑管理功能,可以在收集器、充電電池或原電池之間切換,使得自供電儀器能夠可靠地運行。

        如果使用模擬輸出加速度計,Σ-?型轉換器會接收來自周期擴展器的三個通道速度信號和另外三個通道加速度信號。該設計需要至少有六個輸入通道的轉換器。如果可能,速度和加速度信號須同時采樣。對于采樣時在通道之間切換的多通道ADC,采樣速率需要更高。地震的目標信號最大頻率為100 Hz。對于這些信號,無混疊的采樣頻率應為至少200 Hz或每周期5 ms。每個加速度和速度通道應以至少1.2 kSPS的采樣速率采樣。地震信號的分析推動了每個通道的過采樣。因此,應選擇采樣速率遠高于1.2 kSPS的ADC。AD7768是一款8通道24位Σ-Δ ADC,支持同步采樣,無需更高采樣速率30。其最大采樣速率為256 kSPS,但在低功耗模式下,采樣速率可降至32 kSPS。它非常靈活,支持以不同方式實施和應用地震儀器設計,并能輕松達到A類數據采集單元的標準要求。

         低成本處理器的功能因應用而異。對于使用外部計算設備進行數據分析的遠程節點,處理器是一個數據記錄儀,它將所有通道的地震數據存儲并打包為標準格式(SEED或SEG-Y),然后通過數據接口將其發送到計算設備。此應用的處理要求較低,因此可以使用低功耗微控制器。ADuCM4050是一款超低功耗ARM? Cortex?-M4微控制器,推薦用于物聯網應用31。它有低功耗模式,休眠模式功耗為650 nA,快速喚醒關斷模式功耗為200 nA。此外,它還有兩個實時時鐘(RTC)外設用于計時和時間同步數據采樣。

         對于內置數據分析功能的獨立儀器,DSP會根據應用計算地震特征和其他參數,例如用于結構健康監測的建筑物健康指標。地震數據分析需要計算各種數學和統計函數。例如,地震強度的計算需要對數函數和用于加速度和速度的峰值檢測窗口。此外,處理時間應足夠短,以便能連續進行數據采樣和處理。ADSP-BF706是一款低成本、低功耗DSP,處理速度高達400 MHz,是現場儀表應用的業界首選DSP32。它提供多個無縫外圍接口,使得連接數據接口和ADC等外部器件更容易。

        儀器的位置數據可以從GPS模塊中提取,或者在安裝過程中手動設置。對于時間數據,低成本DSP可以使用其內部RTC外設,或通過數據接口使用NTP。數據接口有多種選擇,具體取決于安裝類型。儀器可以使用工業RS-485接口進行有線通信(尤其是在建筑物內部),或使用以太網接口輕松將設備連接到現有數據網絡。對于無線通信,儀器可以使用Wi-Fi設備或ADI公司SmartMesh? IP33,后者可在動態環境中實現全面的數據可靠性。

應用

        隨著各個位置部署的地震傳感器數量的增加,地震數據的可靠性也會提高。從地震數據中可以提取大量信息,這些信息可用于廣泛的應用,例如結構健康監測、地球物理研究、石油勘探甚至工業和家庭安全。本部分概要介紹地震傳感器網絡的三種常見應用。

遠程地震網絡

        火山學和地震學研究將地震傳感器部署在險峻(有時甚至危險)的地形中34。監測火山內部過程需要在多點進行地震動監測。在火山活動的某些階段之后,這些位置可能會變得危險,并使地震傳感器無法取回。低成本、低功耗地震傳感器將會降低研究成本,同時保持很長的使用壽命。另一個類似情況是板塊運動的特征,這也需要沿著斷層線部署大量地震傳感器。

地震預警系統

        S波和面波是更具破壞性的地震波,但其傳播速度比破壞性最小的P波要慢。利用這種特征可以實現一種檢測地震早期跡象的地震預警系統。這樣,所有類型的系統都有一個很短的時間來作出響應,防止地震造成重大破壞。在劇烈地面震動發生前的一刻,住宅和商業建筑將能夠關閉電力系統和天然氣管道。使用受保護區域周圍多個位置部署的地震傳感器網絡,將有助于增加允許的反應時間。另外,非地震源引起的誤報也會降到最低。圖10顯示了用于保護特定區域或結構的地震預警系統的可能設置。

        預警系統允許的響應時間與地震傳感器距受保護結構的徑向距離成比例,如式5所示。假設P波以3.5 mi/s或5.6 km/s的速度行進,而S波以2.0 mi/s或3.2 km/s的速度行進,則可以計算出,地震傳感器與保護區的距離每增加7.51 km,響應時間就會增加一秒。此外,以較短的間距放置多個地震傳感器將能為響應時間提供更高的時間分辨率。

        式5展示了預警系統響應時間與地震傳感器距保護區的徑向距離之間的關系。

        tresponse × (7.51 km?s) = dradial

其中:
        tresponse = 允許響應時間(單位為秒) (5)
        dradial = 地震傳感器距保護區的徑向距離

結構健康監控

        通過監測建筑物對受迫振動測試的響應并建模,可以提高建筑物的地震安全性。在建筑物中安裝地震傳感器將有助于地震災后評估、響應和恢復。在廣泛損壞的情況下,廣泛分布的地震傳感器網絡可以定位結構損壞區域,從而降低目視檢查的風險和成本。一項關于強震動儀器的研究將此應用于20層鋼制MRF建筑——Atwood大樓,使用部署在10個層級的32個基于加速度計的地震傳感器來精確監測大樓的結構健康狀況36

結論

        地震傳感器網絡在工業技術、地震研究和結構健康監測中應用廣泛。應用需求已改變地震儀的傳感器和系統需求,使其更青睞遠程系統和較低運行成本。現代低成本地震動檢測技術的測量能力已經能夠與傳統儀器相媲美。采用ADI公司的各種產品,可以實現一種滿足不同地震檢測應用的檢測設備。

 

圖10.使用地震傳感器網絡的地震預警系統,傳感器部署在相距6英里至12英里的多個位置。圖片由Erin Burkett (USGS)和(Orange County Register)制作。由美國地質調查局ShakeAlert項目提供35

 

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