Die Ingenieurin

Jesse Santos, Produktanwendungsingenieur, Angelo Nikko Catapang, Produktanwendungsingenieur, und Erbe D. Reyta, Hardwareanwendungsingenieur, alle bei Analog Devices

Erdbeben stellen eine große Bedrohung für verdichtete Gewerbe- und Wohngebiete sowie für Bauwerke aller Art dar. Da diese Gebiete größer werden und immer mehr Gebäude gebaut werden, erfordert die seismische Überwachung die Implementierung eines weitverbreiteten Sensornetzwerks. Herkömmliche Instrumente sind aufgrund der hohen Kosten und Komplexität nicht realisierbar. Der Einsatz von Beschleunigungsmessern für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) und robusten kleinen Geophonen ermöglicht die Entwicklung einer kostengünstigen Lösung für das Internet der Dinge (IoT). Die aktuelle Technologie bei aktiven Komponenten und Wandlern ermöglicht es diesen Sensoren, die modernen Instrumentenstandards zu erreichen. AnalogDevices bietet eine einfache, aber zuverlässige Instrumentendesignlösung für seismische Sensornetzwerkanwendungen.

Da die Welt immer stärker vernetzt und voneinander abhängig wird, können mittelschwere und schwere Erdbeben zu erheblichen wirtschaftlichen Störungen und Verlusten führen. Ein schweres Erdbeben in einem gefährdeten städtischen Zentrum wird weitreichende Auswirkungen auf die Volkswirtschaft dieses Zentrums und auf die Fähigkeit seiner Unternehmen haben, Dienstleistungen anzubieten und sich weltweit zu beteiligen.(1) Wir erkennen an, dass das Erdbebenrisiko ein globales Problem ist, und verbessern die seismische Überwachung, um dieses Problem zu mildern Risiko ist eine entscheidende Verantwortung.

Ein Schlüsselfaktor für die Verbesserung der seismischen Überwachung ist die Implementierung eines seismischen Sensornetzwerks, das den weit verbreiteten Einsatz und die Vernetzung seismischer Instrumente erfordert.(2) Allerdings sind die Kosten und die Komplexität der Installation zahlreicher traditioneller seismischer Instrumente hoch.(3) Die Integration der IoT-Technologie bietet eine kostengünstige Lösung bei gleichzeitiger Beibehaltung der Standardqualität seismischer Daten.(4) In diesem Artikel werden die Physik von Erdbeben und Bodenbewegungssensoren, die modernen Instrumentenstandards und die daraus gewonnenen Funktionen erörtert. Darüber hinaus wird ein Systemdesign mit Lösungen von Analog Devices für verschiedene seismische Sensornetzwerkanwendungen entwickelt.

Ein Erdbeben ist ein Ereignis, das durch Bewegungen und Kollisionen tektonischer Platten verursacht wird. Die durch die Kollisionen erzeugte Energie breitet sich als seismische Wellen durch und um die Erdoberfläche aus. Diese Wellen kommen in mehrere Richtungen und werden in Körperwellen und Oberflächenwellen eingeteilt.

Abbildung 1. Arten seismischer Wellen: (a) Primärwellen; (b) Sekundärwellen; (c) Liebeswellen; (d) Rayleigh-Wellen.(5)

Es gibt zwei Arten von Körperwellen: Primärwellen (P-Wellen) und Sekundärwellen (S-Wellen). P-Wellen breiten sich entlang der Ausbreitungsrichtung als eine Reihe von Kompressionen und Verdünnungen aus. Aufgrund ihrer Ausbreitungsart folgen sie einer sphärischen Divergenz. Obwohl sie unter anderen Wellentypen den größten Wellenenergieabfall aufweisen, sind sie mit Geschwindigkeiten im Bereich von 5 km/s bis 8 km/s die schnellsten. Der schnelle Energiezerfall macht sie auch zur am wenigsten zerstörerischen Wellenart. P-Wellen können sich nicht nur durch die Oberfläche, sondern auch durch Wasser oder Flüssigkeiten ausbreiten.

S-Wellen, auch Scherwellen genannt, folgen unmittelbar nach dem Eintreffen der P-Wellen. Sie breiten sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 60 bis 70 % der P-Wellen entlang der Erdoberfläche aus. Diese Art von Welle breitet sich orthogonal zur Ausbreitungsrichtung und zur Erdoberfläche aus. S-Wellen sind aufgrund ihres geringeren Energiezerfalls zerstörerischer als P-Wellen. P-Wellen und S-Wellen werden zusammenfassend als Körperwellen bezeichnet.

Oberflächenwellen sind 10 % langsamer als Körperwellen, aber sie sind am zerstörerischsten. Es ist erwähnenswert, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit seismischer Wellen stark variiert, abhängig von der Art des Bodens, in dem sie sich bewegen.(6) Oberflächenwellen bestehen aus Rayleigh- und Love-Wellen. Rayleigh-Wellen sind eine Art Oberflächenwelle, die sich in der Nähe der Erdoberfläche als Wellen ausbreitet und eine Rotation verursacht, die entweder prograd (entlang der Ausbreitungsrichtung) oder retrograd (entgegen der Ausbreitungsrichtung) sein kann. Aufgrund der Art ihrer Bewegung werden sie auch Bodenrollen genannt. Liebeswellen hingegen breiten sich orthogonal zur Ausbreitungsrichtung, aber parallel zur Erdoberfläche aus. Abbildung 1 zeigt die verschiedenen Arten von Wellen und ihre Wirkung auf den Erdkörper.

Erdbebenstärke und Erdbebenintensität werden häufig miteinander verwechselt. Sie mögen zusammenhängen, aber es handelt sich um Messungen zweier unterschiedlicher Erdbebenparameter.

Die Intensität eines Erdbebens, oder einfach Intensität, hängt stark von den Eigenschaften des Ortes ab, an dem die Messung durchgeführt wurde. Es beschreibt die Auswirkungen eines Erdbebens auf ein bestimmtes Gebiet und wird traditionell weltweit als Methode zur Quantifizierung des Erschütterungsmusters und des Schadensausmaßes verwendet. Daher hat die Erdbebenintensität keinen einzigen wahren Wert. Die Erdbebenintensitätswerte folgen entweder der modifizierten Mercalli-Intensitätsskala (1 bis 12) oder der Rossi-Forel-Skala (1 bis 10). Mittlerweile wird jedoch weltweit überwiegend die Modified MercalliIntensity (MMI) verwendet. Tabelle 1 zeigt Intensitätswerte mit ihrer entsprechenden beschreibenden Wirkung in der modifizierten Mercalli-Skala des United States Geological Survey (USGS).

Es gibt zahlreiche Methoden zur Bestimmung der Intensität eines Erdbebens.7 Diese Methoden nutzten Daten aus vergangenen Erdbeben und erstellten eigene Gleichungen zur Vorhersage der Bodenbewegung (Ground Motion Prediction Equations, GMPEs), um die Intensitätswerte vorherzusagen. Die abgeleiteten Gleichungen verwenden mindestens einen oder eine Kombination von Bodenbewegungsparametern – nämlich die maximale Bodenverschiebung (PGD), die maximale Bodengeschwindigkeit (PGV) und die maximale Bodenbeschleunigung (PGA). Frühere Gleichungen basierten hauptsächlich auf PGA, wobei in einigen Fällen PGV und PGD verwendet wurden. Obwohl die GMPEs zur Entwicklung der Korrelation Daten aus mehreren Datenbanken verwendeten, variieren die von den verschiedenen Modellen erhaltenen Werte immer noch erheblich. Beispielsweise führt ein PGA-Wert von 10 cm/s2 unter Verwendung von Walds GMPE zu einem MMI-Wert von 3,2. Alternativ kategorisiert Hershbergers GMPE einen PGA-Wert von 10 cm/s2 in einen MMI-Wert von 4,43. Beachten Sie, dass die meisten GMPEs das Potenzgesetz befolgen, sodass für eine schrittweise Erhöhung des MMI-Werts ein exponentieller Anstieg des PGA-Werts erforderlich ist. Gleichung 1 zeigt die von Wald und Hershberger erstellten Korrelationsgleichungen.

Gleichung 1 zeigt Gleichungen zur Vorhersage der Bodenbewegung: (a) Wald; (B). Hershberger.(8)

Die Japan Meteorological Agency (JMA) hat eine seismische Intensitätsskala entwickelt, die aus Beschleunigungsdaten starker Bewegung in drei Achsen berechnet werden kann.9 Die Fourier-Transformation des Beschleunigungszeitsignals von jeder Achse wird durchgeführt. Auf das Frequenzsignal jeder Achse wird ein Bandpassfilter angewendet, der in Abbildung 2 dargestellt ist und aus einem Periodeneffekt-, Hochpass- und Tiefpassfilter besteht. Die mathematische Darstellung jedes Unterfilters wird ebenfalls angezeigt.

Abbildung 2. Bandpassfilter für das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers, der zur Berechnung der JMA-Intensität verwendet wird: (a) Periodeneffektfiltergleichung; (b) High-Cut-Filtergleichung; (c) Low-Cut-Filtergleichung.(9)

Nach Durchführung der inversen Fourier-Transformation des gefilterten Frequenzsignals jeder Achse wird die Größe der Vektorsumme des resultierenden Zeitbereichssignals für alle drei Achsen berechnet. Der höchste Beschleunigungswert, der insgesamt 0,3 Sekunden oder länger auftritt, wird als a0 bezeichnet. Die instrumentelle seismische Intensität wird dann aus a0 unter Verwendung von Gleichung 2 berechnet, die die seismische Intensitätsgleichung von JMA unter Verwendung der höchsten Beschleunigung mit einer Dauer von mindestens 0,3 Sekunden untersucht.(9)

Während die Intensität eines Erdbebens von seinen Auswirkungen an einem bestimmten Ort abhängt, ist die spektrale Intensität (SI) ein Maß für die Größe der zerstörerischen Energie, die das Erdbeben auf eine bestimmte Struktur ausübt.10 Der SI-Wert wird aus dem Geschwindigkeitsreaktionsspektrum berechnet unter Verwendung der in Gleichung 3 gezeigten Gleichung. Hochsteife Strukturen haben eine Geschwindigkeitsnormalperiode von 1,5 s bis 2,5 s. Da der SI-Wert über das Schüttelgeschwindigkeitsspektrum wirkt, kann er seismische Aktivitäten leicht von Erdbeben oder anderen Quellen unterscheiden. Somit kann der SI-Wert als Maßstab für die Auswirkungen eines Erdbebens auf die strukturelle Gesundheit eines Gebäudes verwendet werden. Darüber hinaus erfordert der SI-Wert im Vergleich zur seismischen JMA-Intensität eine weniger komplexe Berechnung, wodurch er besser für Anwendungen mit geringer Leistung geeignet ist.

Gleichung 3 zeigt die spektrale Intensitätsgleichung unter Verwendung des über die normale Geschwindigkeitsperiode eines Gebäudes integrierten Schüttelgeschwindigkeits-Reaktionsspektrums.

Die Erdbebenstärke oder einfach Magnitude stellt die Energiemenge dar, die das Erdbeben an seiner Quelle oder seinem Hypozentrum freisetzt. Sein Wert hängt nicht vom Ort der Messung ab. Tatsächlich hat es nur einen wahren Wert, eine zugewiesene Zahl auf der Richterskala. Das stärkste Erdbeben, das jemals registriert wurde, war das Erdbeben, das Valdivia in Chile in den 1960er Jahren mit einer Stärke von 9,4 bis 9,6 erschütterte.

Der Zusammenhang zwischen Erdbebenstärke und -intensität ist noch nicht vollständig geklärt. Die Herstellung einer eindeutigen Beziehung zwischen den beiden hängt von vielen Faktoren ab, wie z. B. der Tiefe des Hypozentrums oder Fokus, der Zusammensetzung des das Hypozentrum umgebenden Bodens, der Art des Geländes zwischen Epizentrum und Messgerät und dem Standort des Geräts bzw. dessen Standort Entfernung vom Epizentrum. Beispielsweise wurde im Mai 2017 ein Erdbeben, das seinen Ursprung in der Nähe der Küste von Oregon hatte, mit einer Stärke von 4 bestimmt. Laut der USGS-Erschütterungskarte für Juli 2017(12) spürte der Bundesstaat Montana das Erdbeben mit einer Intensitätsstufe von 5 Idaho hatte das gleiche Erdbeben nur mit einer Intensität von 2 bis 3 zu spüren bekommen. Dies zeigt, dass selbst wenn Idaho im Vergleich zu Montana näher am Epizentrum liegt, dies nicht unbedingt bedeutet, dass die Auswirkungen des Erdbebens stärker zu spüren sein werden.

Bei der seismischen Erfassung handelt es sich um den Prozess der Messung und Analyse seismischer Wellen. Unter seismischen Wellen versteht man nicht nur die durch Erdbeben erzeugten Bewegungen; Jede auf den Boden einwirkende Kraft, selbst eine leichte wie Gehen, kann so große Störungen verursachen, dass seismische Wellen entstehen. Der Bereich der Bodenbewegung, der für Erdbebenüberwachungsanwendungen von Interesse ist, ist sehr groß. Erdbeben können Bodenbewegungen erzeugen, die so dünn wie Papier oder so dünn wie ein Raum sind.

Bodenbewegungen können durch Verschiebung, Geschwindigkeit und Beschleunigung charakterisiert werden. Die Bodenverschiebung wird anhand der von der Erdoberfläche zurückgelegten Strecke gemessen. Die Positionsänderung kann sowohl horizontal als auch vertikal erfolgen. Die Bodengeschwindigkeit gibt an, wie weit sich die Oberfläche bewegt hat, während die Bodenbeschleunigung angibt, wie schnell sich die Bodengeschwindigkeit im Laufe der Zeit ändert. Die Bodenbeschleunigung ist der wichtigste Faktor bei der Bestimmung der Belastung, die bei Erdbeben auf Bauwerke ausgeübt wird. Der Zusammenhang zwischen Magnitude, Bodenbewegung und Intensität wird in einer Präsentation von GeoSIG dargestellt.(13)

Die für die seismische Erfassung verwendeten Geräte sind sehr anwendungsspezifisch. Anwendungen, die seismische Messungen beinhalten, können anhand ihrer Frequenzbereiche kategorisiert werden. Instrumente werden daher mit Frequenzgangkurven hergestellt, die ihrem Anwendungsfall entsprechen. Eine Darstellung verschiedener seismischer Sensoranwendungen und ihrer abgedeckten Frequenzen ist in einem Diagramm von GeoSIG dargestellt.(13)

Seismische Sensorgeräte, allgemein Seismometer genannt, haben sich von der Verwendung des traditionellen Stifts und Pendels hin zur Verwendung elektronischer und elektromechanischer Sensoren weiterentwickelt. Fortschritte im Design dieser Sensoren haben zu Instrumenten mit unterschiedlichen Betriebsfrequenzbereichen, Erfassungsmechanismen und gemessenen Bodenbewegungsparametern geführt.

Historische seismische Instrumente können lediglich Bodenverschiebungen aufzeichnen. Technologische Fortschritte haben unterschiedliche Mechanismen zur Messung der Bodenverschiebung ermöglicht. Ein Dehnungsseismometer oder Dehnungsmesser bezieht sich im Allgemeinen auf Instrumente, die die Verschiebung zwischen zwei Bodenpunkten aufzeichnen und messen. (14) Bei herkömmlichen Modellen wurde ein fester Stab verwendet, der in einem Bohrloch vergraben oder installiert war. Der Stab ist normalerweise mit Quarts und anderen Materialien gefüllt, die sehr empfindlich auf Längen- und Dehnungsänderungen reagieren. Die Längenänderung wird auf kleine Verschiebungen durch Bodenbewegungen zurückgeführt.

Eine andere Art der Implementierung ist der volumetrische Dehnungsmesser, bei dem ein im Bohrloch installierter Zylinder mit einem mit Flüssigkeit gefüllten Rohr verwendet wird. (15) Verformungen des Behältervolumens führen zu Änderungen des Flüssigkeitsspiegels, die von Spannungsverschiebungswandlern in Bodenverschiebungen umgewandelt werden . Da bei herkömmlichen Modellen keine speziellen Materialien erforderlich sind, wird der volumetrische Dehnungsmesser in der Praxis häufiger eingesetzt.

Aktuelle Fortschritte in der Lasertechnologie haben das Laserinterferometer hervorgebracht, das die Genauigkeit von Dehnungsmessgeräten im Allgemeinen erheblich verbessert. Diese Art von Dehnungsmesser nutzt das gleiche Prinzip wie ein Michelson-Interferometer mit ungleicher Armlänge, bei dem ein Punkt der Sensor, die Laserquelle und der kurze Arm sind; und der andere Punkt ist ein Reflektor, der in Messentfernung angeordnet ist. Das Gerät übersetzt die Änderung der Interferenzstreifen, die durch die Bewegung des Reflektors verursacht wird, in eine Bodenverschiebung. Die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Wegmessung ist bei diesem Ansatz direkt proportional zur Länge der Messstrecke. Daher erfordern Laser-Dehnungsmessgeräte sehr tiefe unterirdische Installationen.

Die Genauigkeit von Dehnungsmessgeräten kann bis zu einem Teil pro Milliarde betragen. Daher werden diese Geräte normalerweise zur Messung der Verformung der Erde oder der Krustenbewegung aufgrund von Verwerfungsbewegungen und vulkanischen Aktivitäten verwendet. Sie können seismische Wellensignale bei sehr niedrigen Frequenzen messen. Allerdings ist die unterschiedliche Bodenbewegung im Vergleich zur Bewegung einer schwebenden Masse relativ zum Boden sehr gering. Daher werden Dehnungsmesser nicht zur Erfassung von Bodenbewegungen aufgrund von Erdbeben empfohlen.(3)

Das Trägheitsseismometer bestimmt Bodenbewegungsparameter in Bezug auf eine Trägheitsreferenz, bei der es sich typischerweise um eine schwebende Masse handelt.(3) Insbesondere beziehen sich Bodenbewegungsparameter auf die lineare Geschwindigkeit und Verschiebung der schwebenden Masse. Obwohl sich die resultierende Bodenbewegung sowohl aus linearen als auch aus Winkelkomponenten zusammensetzt, wurde festgestellt, dass der Rotationseffekt einer seismischen Welle vernachlässigbar ist. Diese Geschwindigkeits- und Verschiebungswerte werden von Wandlern erhalten, die die Bewegung der schwebenden Masse in elektrische Signale umwandeln. Die mechanische Aufhängung, die die Bewegung steuert, hängt von der Trägheitskraft ab, die auf die aufgehängte Masse wirkt. Die Geschwindigkeits- und Wegaufnehmer sowie die mechanische Aufhängung sind die beiden Hauptkomponenten von Trägheitsseismometern. Die Entwicklung von Präzisionsinstrumenten für diese beiden Komponenten sind die wesentlichen Konstruktionsprinzipien moderner Trägheitsseismometer.

Die mechanische Aufhängung erfordert eine geringe Rückstellkraft für die Empfindlichkeit, so dass kleine Beschleunigungen immer noch erhebliche Verschiebungen an der aufgehängten Masse hervorrufen können. Wenn jedoch große Beschleunigungen aufgrund einer starken seismischen Bewegung auf die schwebende Masse einwirken, kann eine kleine Rückstellkraft die resultierende Bewegung nicht ausgleichen. Daher ist eine passive mechanische Federung nur in einem begrenzten Bereich von Bodenbeschleunigungen präzise und empfindlich. Der kraftbalancierte Beschleunigungsmesser (FBA) beseitigt diese Einschränkung, indem er der mechanischen Aufhängung eine negative Rückkopplungsschleife hinzufügt.

Abhängig von der Position der schwebenden Masse wird durch einen elektromagnetischen Wandler eine Ausgleichskraft erzeugt. Diese Position wird von einem Wegaufnehmer in ein elektrisches Signal umgewandelt, das einen Integratorblock passiert, um eine Ausgangsspannung proportional zur Bodenbeschleunigung zu erzeugen. Der Dynamikbereich eines FBA ist deutlich größer als bei Seismometern mit passiven mechanischen Aufhängungen. Daher wird dieses Gerät häufig für seismische Anwendungen mit starker Bewegung verwendet. Die durch die Rückkopplungsschleife verursachte Verzögerung begrenzt jedoch die Bandbreite des Geräts.

Seismische Wellen durch Fahrzeugbewegungen und vom Menschen verursachte Störungen, wie z. B. Bergbauereignisse, haben eine hochfrequente Bodenbeschleunigung. Bei sehr niedrigen Frequenzen dominieren eine unausgeglichene Aufhängung, eine Neigung des Bodens und thermische Effekte die Bodenbeschleunigung. Daher ist die Bandbreite für Seismometer, die die Bodenbeschleunigung nutzen, auf eine bestimmte Bandpassantwort beschränkt. Eine Bandpass-Antwort der Bodenbeschleunigung entspricht einer Hochpass-Antwort der Bodengeschwindigkeit. Für eine größere Bandbreite des Seismometers werden seismische Signale daher in Form der Bodengeschwindigkeit aufgezeichnet. Das VBB-Seismometer basiert auf einem FBA, aber anstatt die Beschleunigung der schwebenden Masse als Rückmeldung weiterzugeben, werden deren Geschwindigkeit und Position verwendet. Die Reaktion dieses Geräts ist der theoretischen Reaktion eines herkömmlichen Trägheitsseismometers sehr ähnlich, jedoch ohne Einbußen bei Empfindlichkeit und Präzision für einen größeren Kräftebereich.

Der Trend zur zunehmenden Zahl seismischer Anwendungen geht in Richtung der Entwicklung von Seismometer- oder seismischen Sensornetzwerken und -arrays, beispielsweise bei der Erdbebenüberwachung, der Ölexploration und der strukturellen Gesundheit. Die Implementierung, Abschirmung und Installation von Seismometern sind drei häufige Einschränkungen für diese Anwendungen. Die Massenproduktion und der schnelle Einsatz von Geräten, die diese drei allgemeinen Einschränkungen direkt lösen, erfordern eine Verkleinerung der Größe und Kosten von Seismometern. Derzeit gibt es zwei Arten von Sensortechnologien zur Erfassung von Bodenbewegungen, die im Vergleich zu FBAs und VBBs extrem klein und kostengünstig sind.

Geophone sind Bodengeschwindigkeitssensoren, die leicht und robust sind und für ihren Betrieb keinen Strom benötigen. Moderne Geophone haben einen Magneten, der am Gehäuse befestigt und von einer Drahtspule umgeben ist.(16) Die Drahtspule ist an Federn aufgehängt, die es ihr ermöglichen, sich über den Magneten zu bewegen. Die Geschwindigkeit dieser Bewegung relativ zum Magneten induziert ein Ausgangsspannungssignal.

In Abbildung 3 ist der simulierte Frequenzgang eines 4,5-Hz-Geophons dargestellt. Der Frequenzgang eines Geophons ist für einen Frequenzbereich oberhalb seiner Resonanzfrequenz flach und nimmt für Frequenzen darunter ab. Kleine und kostengünstige Geophone haben Resonanzfrequenzen, die typischerweise über 4,5 Hz liegen.

Abbildung 3. Simulierter 4,5-Hz-Geophon-Frequenzgang mit einem Dämpfungsfaktor von 0,56.

Aus den mechanischen Spezifikationen des Geophons kann ein äquivalentes elektrisches Modell erstellt werden. Abbildung 4 zeigt ein elektrisches Modell unter Verwendung der mechanischen Parameter eines SM-6 4,5-Hz-Geophons.(17)

Abbildung 4. Äquivalentes elektrisches Modell eines SM-6 4,5-Hz-Geophons unter Verwendung mechanischer Parameter aus dem Produktdatenblatt.(17)

Um die Bandbreite zu erweitern, um die niedrigeren Frequenzen abzudecken, die für die seismische Erfassung gelten, wird ein Periodenverlängerer verwendet. Die drei gebräuchlichsten Methoden zur Erweiterung des Niederfrequenzgangs sind inverse Filter, positive Rückkopplung und negative Rückkopplung.(18)

Der Umkehrfilter kompensiert den Abfall des Geophons bei Frequenzen unterhalb der Resonanzfrequenz. Ein inverser Filter kann durch Kaskadierung eines invertierten Hochpassfilters bei der Resonanzfrequenz und eines Tiefpassfilters mit einer Grenzfrequenz beim gewünschten abgesenkten Wert aufgebaut werden. Abbildung 5 zeigt die Reaktion des inversen Filters sowie die resultierende Übertragungsfunktion, wenn er angewendet wird. Diese Methode hat viele Nachteile, die im Gesamtergebnis zu einem niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) führen. Rosa Rauschen wird durch den Umkehrfilter verstärkt und seine thermische Stabilität bei niedrigen Frequenzen ist schlecht.

Abbildung 5. Frequenzgang einer inversen Filterübertragungsfunktion und ihre Auswirkungen auf einen simulierten 4,5-Hz-Geophon-Frequenzgang.

Eine positive Rückkopplung wird erreicht, indem der Geophonspule ein externer Strom zugeführt wird, der eine Kraft auf die aufgehängte Masse ausübt. Dieses externe Stromsignal wird aus dem Ausgangssignal des Geophons durch positive Rückkopplungsfilter, beispielsweise den Integrationsfilter, abgeleitet und verstärkt die schwebende Massenbewegung bei niedrigen Frequenzen. Die Stabilität des Designs des positiven Rückkopplungsfilters ist in praktischen Situationen schwierig.

Negatives Feedback dämpft im Gegensatz zu positivem Feedback die schwebende Massenbewegung im Inneren. Eine Methode wäre, den Strom durch die Geophonspule zu überdämpfen, indem der Dämpfungswiderstand verringert wird. Dies ist jedoch physikalisch durch den Spulenwiderstand begrenzt. Um den Dämpfungswiderstand auf deutlich niedrigere Werte als den Spulenwiderstand zu reduzieren, wird ein negativer Widerstand hinzugefügt. Ein negativer Widerstand kann durch aktive Geräte wie einen Negativimpedanzwandler (NIC) erreicht werden. Dies kann mithilfe eines Operationsverstärkers (Operationsverstärker) implementiert werden, wie in Abbildung 6 dargestellt. Bandpassfilter und Filter mit hoher Verstärkung können hinzugefügt werden, um den Frequenzgang zu formen und zu stabilisieren.

Abbildung 6. Grundlegende Architektur eines Negativimpedanzwandlers unter Verwendung eines Operationsverstärkers.

MEMS-Beschleunigungsmesser sind Bewegungswandler in einem einzigen IC-Gerätepaket. Die typische Konstruktion verwendet ein Paar Kondensatoren mit einer Mikromasse Silizium mit Metallplatten in der Mitte.(19) Sehr dünne Bereiche aus Silizium halten die Masse in der Mitte auf. Änderungen der Position der Masse führen zu Änderungen der Gerätekapazität, die sich in ein Spannungssignal umsetzen, das proportional zur Beschleunigung der schwebenden Masse ist. MEMS-Geräte benötigen zum Betrieb eine Stromversorgung, und einige MEMS-Beschleunigungsmesser verfügen über einen integrierten Digitalisierer, um unnötiges Rauschen zu vermeiden und die Notwendigkeit einer Anpassung von Sensoren und Rekordern zu vermeiden. Wie in Abbildung 6 dargestellt, ähnelt der Frequenzgang eines MEMS-Beschleunigungsmessers einem Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz bei der Resonanzfrequenz.

Abbildung 7. Frequenzgang eines MEMS-Beschleunigungsmessers (ADXL354) auf seiner X-Achse.(20)

Aufgrund von Offset-Drifts sind MEMS-Beschleunigungsmesser bei höheren Frequenzen bis zu ihrer Resonanzfrequenz besser leistungsfähig.(21) Umgekehrt sind Geophone aufgrund ihrer mechanischen Konstruktion bei niedrigeren Frequenzen, die noch über der Resonanz liegen, besser leistungsfähig. Ein kleines, kostengünstiges Seismometer kann implementiert werden, um sowohl Geophone als auch MEMS-Beschleunigungsmesser zu nutzen und so eine höhere Gerätebandbreite zu erreichen. Die Sensorausgabe von Geophonen und MEMS-Beschleunigungsmessern kann bei Faltung mit der entsprechenden Sensorübertragungsfunktion in verschiedene Bodenbewegungsparameter umgewandelt werden. Der Artikel „Seismic Sensing: Compare of Geophones and Accelerometers Using Laboratory and Field Data“ erörtert die Ausgänge von Geophonen und MEMS-Beschleunigungsmessern für das gleiche Ricker-Wavelet mit Bodenverschiebung auf der Grundlage der gemeinsamen Übertragungsfunktionen jedes Sensors.(21)

Die Analyse seismischer Signale mithilfe von Seismometer-Arrays oder seismischen Sensornetzwerken erfordert für Wiederholbarkeit und Einheitlichkeit eine Reihe von Standards und Spezifikationen für die verwendeten Instrumente. Die USGS hat einen Standard für Instrumente festgelegt, die in ihrem Advanced National Seismic System (ANSS) eingesetzt werden sollen.(22) In diesem Abschnitt werden die verschiedenen Spezifikationen erörtert, die erforderlich sind, um die gewünschte Geräteleistung für eine Vielzahl von Anwendungen zu erreichen, basierend auf Erfahrungen und festgestellten technologischen Trends von der USGS.

Moderne Seismometer werden vom USGS als Datenerfassungssysteme klassifiziert. Im Gegensatz zum herkömmlichen Seismometer umfassen Standard-DAS den seismischen Sensor, die Datenerfassungseinheit sowie die Peripherie- und Kommunikationshardware. Sie werden basierend auf der Geräteleistung in Geräte der Klassen A, B, C und D eingeteilt. Instrumente der Klasse A entsprechen nahezu den neuesten Seismometern, während Instrumente der Klasse D mit herkömmlichen Seismometern vergleichbar sind. Eine vollständige Diskussion der Spezifikationen finden Sie in den Instrumentenrichtlinien.(22)

Die spezifizierte Bandbreite und der Frequenzgang von seismischen Sensoren unterscheiden sich bei denjenigen, die Geschwindigkeit und Beschleunigung messen. Je höher die Instrumentenklasse, desto größer die Bandbreite und besser der Frequenzgang. Bei Breitbandsensoren handelt es sich ausschließlich um Instrumente der Klasse A mit einer großen Bandbreite von mindestens 0,01 Hz bis 50 Hz. Ihr Frequenzgang ist für Geschwindigkeiten im Frequenzbereich von 0,033 Hz bis 50 Hz flach.(22)

Kurzzeitsensoren der Klasse A haben eine geringe Bandbreite von 0,2 Hz bis 50 Hz. Ihr Frequenzgang ist bei Geschwindigkeit nur im Frequenzbereich von 1 Hz bis 35 Hz flach.(22)

Beschleunigungsmesser der Klasse A haben einen flachen Frequenzgang im Bereich von 0,02 Hz bis 50 Hz, während Beschleunigungsmesser der Klasse B nur einen flachen Frequenzgang im Bereich von 0,1 Hz bis 35 Hz haben.(22)

Die von DAS verwendeten Sensoren werden nach der Amplitude und dem Frequenzbereich der von ihnen erfassten seismischen Signale klassifiziert. Starke Bewegungssensoren messen seismische Signale mit großer Amplitude und sind normalerweise Beschleunigungsmesser. Beschleunigungsmesser für starke Bewegungen können bis zu 3,5 g bei einem Systemgeräuschpegel von weniger als 1 μg/√Hz messen.(22)

Schwache Bewegungssensoren können seismische Signale mit sehr geringer Amplitude und einem Rauschpegel von weniger als 1 ng/√Hz messen.(22) Breitbandsensoren sind jedoch bereits in der Lage, seismische Signale mit geringer Amplitude zu messen; Daher werden schwache Bewegungssensoren selten verwendet.

Breitbandgeschwindigkeitssensoren haben eine Empfindlichkeit von 1500 Vs/m. Bei einer maximalen Ausgangsspannung von ±20 V beträgt der Ausgangs-Clip-Pegel oder die maximal messbare Geschwindigkeit ±0,013 m/s.(22)

Geschwindigkeitssensoren mit kurzer Periode sind in einem kleineren Frequenzbereich empfindlicher als Breitbandsensoren. Der Clip-Pegel beträgt typischerweise ±0,01 m/s bei einer Signalfrequenz von 1 Hz.(22)

Der Clip-Pegel für Beschleunigungsmesser der Klasse A beträgt mehr als ±3,5 g, während er für Beschleunigungsmesser der Klasse B ±2,5 g beträgt.(22)

Der dynamische Bereich des Sensors ist das Verhältnis des größten messbaren Effektivwerts des seismischen Signals zum effektiven Eigenrauschen. Allerdings variiert das effektive Eigenrauschen des Sensors entlang seiner Bandbreite. Tabelle 2 zeigt den Dynamikbereich verschiedener seismischer Sensoren für verschiedene Frequenzbereiche.

In allen drei kartesischen Achsen sind lineare Bodenbewegungskomponenten vorhanden, die aus seismischen Wellen resultieren. Die traditionelle Standardausrichtung für dreiachsige seismische Sensoren ist nach Osten, Norden und nach oben gerichtet. Der Aufbau herkömmlicher und sogar einiger moderner Seismometer unterscheidet sich jedoch bei horizontalen und vertikalen Sensoren, da vertikale Sensoren Gravitationseffekte berücksichtigen müssen. Die homogene dreiachsige Anordnung ermöglicht die Verwendung ähnlich aufgebauter Sensoren zur Bestimmung der linearen Bodenbewegungskomponenten in den kartesischen Achsen.(3) Die Sensoren sind an drei gleichmäßig verteilten Punkten in einem Kreis um den Mittelpunkt des Instruments positioniert und zu diesem hin geneigt in einem Winkel von 54,7˚ zur Vertikalen. Der modifizierte Achsensatz kann mithilfe der in Gleichung 4 dargestellten Gleichung wieder in die kartesischen Achsen umgewandelt werden.

Gleichung 4 zeigt die Transformationsmatrix zur Umwandlung der homogenen dreiachsigen Anordnung in das kartesische Koordinatensystem.

Die meisten modernen Sensoren sind jedoch bereits für dreiachsige Messungen verpackt und konstruiert. Diese Sensoren verfügen über eine inhärente Querachsenkopplung bei sehr kleinen Graden. Die Instrumentenrichtlinien verlangen, dass die achsübergreifende Kopplung weniger als –70 dB des Ausgangssignals beträgt.(22)

Durch Erdbeben verursachte Bodenbewegungen können bei sehr niedrigen Frequenzen sehr kleine Amplituden haben. Datenlogger für seismische Instrumente sind in der Lage, Signale mit unterschiedlichen Abtastraten und hoher Auflösung aufzuzeichnen. Breitbandseismometer erfordern eine Datenauflösung von mindestens 20 Bit bei Abtastraten von nur 0,1 Abtastungen pro Sekunde (SPS) bis zu 200 SPS. Kurzperiodische Geschwindigkeitssensoren und Beschleunigungsmesser der Klasse A erfordern eine Datenauflösung von mindestens 22 Bit bei Abtastraten von 1 SPS bis 200 SPS. Beschleunigungsmesser der Klasse B stellen geringere Anforderungen an die Auflösung von mindestens 16 Datenbits.(22)

Die Angaben zu den Abtastraten berücksichtigen Geräte mit interner Datenspeicherung. Fortschrittliche Seismometer sind jedoch mit mehr Speicherplatz ausgestattet und haben Zugriff auf große Netzwerkdatenräume, wie z. B. Cloud-Datendienste, und können daher Abtastraten unterstützen, die über der Nennspezifikation liegen. Dies ermöglicht eine genauere Datenanalyse und seismische Forschung.

Seismische Signale sind nur für den jeweiligen Ort und Zeitpunkt der Messung relevant. Es ist der Standard für jedes seismische Instrument, über zeitgestempelte Daten mit einem bekannten globalen Standort oder einer bekannten globalen Position zu verfügen. Es ist erforderlich, dass jedes seismische Instrument seinen Standort für jede Aufzeichnung angeben kann, entweder durch manuelle Benutzereingabe oder über ein Gerät oder einen Dienst eines globalen Positionierungssystems (GPS). Moderne Seismometer verfügen außerdem entweder über eine integrierte Echtzeituhr oder können sich mit einer genauen Referenzzeit synchronisieren, beispielsweise über einen Online-Network-Time-Protocol-Server (NTP).

Es gibt zwei wichtige Datenformate, die weltweit von seismischen Instrumenten verwendet werden: SEG-Y und SEED. Das SEG-Y-Format ist ein offener Standard, der von der Society of Exploration Geophysicists (SEG) entwickelt wurde, um geophysikalische Daten wie dreidimensionale seismische Signale zu verarbeiten.(23) In jedem Datensatz sind die Zeitstempel, Probenintervalle und der Standort in Koordinaten enthalten die eigentliche Messung. Einzelheiten zu den Spezifikationen des Formats sowie den Überarbeitungen können auf der Website der Organisation eingesehen werden. Es ist auch erwähnenswert, dass es verschiedene Open-Source-Software für die seismische Analyse gibt, die das SEG-Y-Format verwenden, die meisten jedoch nicht den genauen Spezifikationen folgen.

Das Format „Standard for the Exchange of Earthquake Data“ (SEED) wurde für einen einfachen und genauen Austausch unverarbeiteter seismischer Daten zwischen Institutionen und Instrumenten entwickelt.(24) Obwohl es hauptsächlich für die Archivierung seismischer Aufzeichnungen verwendet wird, gibt es verschiedene Versionen von SEED, B. miniSEED und dataless SEED, wurden für die Datenanalyse und -verarbeitung verwendet. MiniSEED enthält nur die Wellenformdaten, während die Daten ohne SEED die Informationen über das seismische Instrument und die Station enthalten.

Für den schnellen Aufbau und die Implementierung seismischer Netzwerke, insbesondere für städtische und bauliche Überwachungsstationen, sind Änderungen im traditionellen Design von Seismometern erforderlich. Ferninstrumente müssen den aktuellen Instrumentenrichtlinien entsprechen, damit die modernen seismischen Signalmessungen dem etablierten Datenstandard entsprechen und mit ihm korrelieren. Der Aufwand und die Größe der Implementierung dürften jedoch deutlich geringer ausfallen. Die Verwendung kleiner Geophone und MEMS-Beschleunigungsmesser als Bodenbewegungssensoren in Verbindung mit einem Hochleistungs-ADC und einem digitalen Signalprozessor (DSP) ist eine sinnvolle Lösung.(5)

Der wichtigste Entwurfsaspekt einer Datenerfassungseinheit (DAU) für ein DAS ist der Analog-Digital-Wandler (ADC). Traditionell wurde dies von einem digitalen Feldsystem (DFS) durchgeführt, das als ADC mit linearem sukzessivem Approximationsregister (SAR) und einem IFP-Verstärker (Instantaneous Floating Point) fungiert. In Abbildung 8 ist das Blockdiagramm eines herkömmlichen DFS dargestellt.

Abbildung 8. Blockdiagramm eines herkömmlichen DFS mit einem IFP-Verstärkersystem.

Die diskrete Implementierung des Vorverstärkers (PA), des Low-Cut-Filters (LC), des Hochpassfilters, des Notch-Filters (NF), des Anti-Aliasing-Hochpassfilters (AA) und des IFP-Verstärkers trägt zum Systemrauschen bei den Stromverbrauch erhöhen. Durch die Verwendung eines Multiplexers kommt es zu Schaltvorgängen, Übersprechen und harmonischen Verzerrungen. Am wichtigsten ist, dass der Quantisierungsfehler aufgrund des SAR-ADC den Dynamikbereich und die Auflösung des Systems begrenzt.(25) Daher ist es vorzuziehen, eine DAU mit einer anderen Architektur und einem anderen Wandler zu entwerfen.

Der Sigma-Delta-Wandler nutzt die Signaländerung und addiert sie zum Original. Dies reduziert den Quantisierungsfehler, der SAR-ADCs innewohnt, und kann höhere Auflösungen und Dynamikbereiche erreichen. Bei modernen Sigma-Delta-ADCs sind diskrete Implementierungen in den Signalaufbereitungsfiltern nicht mehr erforderlich. Sie verfügen über umfangreiche und konfigurierbare digitale Filter, die die Funktionen der traditionellen Signalkette übernehmen. Dies verringert effektiv den Systemrauschen und die Designkomplexität. Darüber hinaus sind hochpräzise Sigma-Delta-ADCs in der Lage, mehrere Kanäle gleichzeitig mit einer Auflösung von mindestens 24 Bit zu erfassen.

Ein allgemeines Blockdiagramm für eine kostengünstige Implementierung eines seismischen Sensorknotens, der für verschiedene Anwendungen flexibel ist, ist in Abbildung 9 dargestellt.

Abbildung 9. Allgemeines Blockdiagramm eines kostengünstigen seismischen Instruments mit drei homogenen dreiachsig angeordneten Geophonen und einem dreiachsigen MEMS-Beschleunigungsmesser.

Die Lösungen von Analog Devices für dreiachsige Beschleunigungsmesser, die seismische Bildgebung ermöglichen, sind ADXL354 und ADXL356. Ihre digitalen Ausgangsäquivalente ADXL355 bzw. ADXL357 verfügen über integrierte 20-Bit-ADCs und können direkt an den Prozessor angeschlossen werden.(20)

Kostengünstige kompakte Geophone erfassen nur einen einzigen Kanal mit einer Resonanzfrequenz von typischerweise mehr als 4,5 Hz und einer Empfindlichkeit von mehr als 25 V/m/s. Die homogene dreiachsige Anordnung ermöglicht die Kombination dreier gleichartiger einkanaliger Geophone zu einem dreiachsigen Bodensensor. Um die Standard-Instrumentenspezifikation für Breitbandsensoren zu erreichen, ist ein Perioden-Extender erforderlich, um die Bandbreite des Geophons nach unten zu erweitern. Wenn der Periodenverlängerer für den Einzelversorgungsbetrieb ausgelegt ist, fungiert er auch als Verstärkungsverstärker und stellt die Vorspannung des Eingangssignals so ein, dass sie in der Mitte des ADC-Bereichs liegt.

Der inhärente Frequenzgang von MEMS-Beschleunigungsmessern macht sie anfällig für Offset-Drifts und Hochfrequenzrauschen. Bandpassfilter verbessern das Beschleunigungssignal im für die lokale Seismologie interessanten Frequenzbereich. Sowohl der Geophon-Periodenverlängerer als auch der Beschleunigungsmesser-Bandpassfilter erfordern Präzisions-Operationsverstärker mit geringem Rauschen, niedriger Offset-Spannung und niedrigem Eingangsvorspannungsstrom wie dem ADA4610-1.(26)

Die Spannungsreferenz legt den Messbereich des ADC und den Ausgangssignalhub des Periodenverlängerers fest. Der Referenzwert sollte auch den Spannungshub der drei Beschleunigungssignale berücksichtigen, wenn ein analoger Ausgangssensor verwendet wird. Es ist erforderlich, dass die Spannungsreferenz eine sehr geringe Offsetdrift mit der Temperatur aufweist, insbesondere bei Installationen im Freien (typischerweise bei 0 °C bis 50 °C). Die ADR45xx-Familie extrem rauscharmer und hochpräziser Spannungsreferenzen von Analog Devices sind Industriestandard und können diese Anforderungen problemlos erfüllen.(27)

Die Stromversorgung des seismischen Sensors kann über einen kabelgebundenen Gleichstromwandler für Installationen mit verfügbaren Stromleitungen, z. B. in Gebäuden und Bahnhöfen, oder über eine Batterie für Fern- und Feldinstallationen erfolgen. Bei der Versorgung mit einem kabelgebundenen Gleichstromwandler sind rauscharme Schaltregler und rauscharme Low-Dropout-Regler (LDO) für die Anwendung geeignet. LDO-Regler von Analog Devices wie die ADM717x-Serie bieten ein hohes Stromversorgungsunterdrückungsverhältnis (PSRR), eine geringe Temperaturdrift und geringe Rauscheigenschaften.(28) Für batteriebetriebene Designs ein lasteffizienter Laderegler und ein Batterieladegerät mit geringem Stromverbrauch sind erforderlich, um den Betrieb des Instruments über lange Zeiträume ohne Wartung aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus ist es besser, wenn das Instrument in der Lage ist, Energie aus leicht verfügbaren Quellen wie Solar- und Wärmeenergie zu gewinnen. Der Ultra-Low-Power-Energy-Harvester ADP5091 verfügt über Maximum-Power-Point-Tracking- und Hysterese-Modi, die die höchstmögliche Effizienz bei der Energieübertragung gewährleisten.(29) Er verfügt über Leistungspfad-Managementfunktionen, die zwischen dem Harvester, einer wiederaufladbaren Batterie oder einer Primärzelle umschalten können Batterie, die es zuverlässig für den Betrieb von Geräten mit eigener Stromversorgung macht.

Der Sigma-Delta-Wandler empfängt dreikanalige Geschwindigkeitssignale vom Periodenverlängerer und weitere dreikanalige Beschleunigungssignale, wenn ein Beschleunigungsmesser mit analogem Ausgang verwendet wird. Das Design erfordert einen Konverter mit mindestens sechs Eingangskanälen. Geschwindigkeits- und Beschleunigungssignale müssen möglichst gleichzeitig abgetastet werden. Bei Mehrkanal-ADCs, die beim Abtasten zwischen den Kanälen wechseln, müsste die Abtastrate höher sein. Die maximale Frequenz seismischer Signale, die für Erdbeben von Interesse sind, liegt bei 100 Hz. Die Abtastfrequenz ohne Aliasing für diese Signale sollte mindestens 200 Hz oder 5 ms pro Periode betragen. Jeder Beschleunigungs- und Geschwindigkeitskanal sollte mit einer Abtastrate von mindestens 1,2 kSPS abgetastet werden. Die Analyse seismischer Signale fördert die Überabtastung jedes Kanals. Daher sollte der ADC so gewählt werden, dass er eine Abtastrate aufweist, die deutlich höher als 1,2 kSPS ist. Der AD7768 ist ein 8-Kanal-24-Bit-Sigma-Delta-ADC, der simultan abtasten kann, sodass keine höheren Abtastraten erforderlich sind.(30) Seine maximale Abtastrate beträgt 256 kSPS; Es kann jedoch auf einen Energiesparmodus von bis zu 32 kSPS herunterskaliert werden. Es ist flexibel genug für verschiedene Implementierungen und Anwendungen dieses seismischen Instrumentendesigns und erfüllt problemlos die Standardanforderungen für eine Datenerfassungseinheit der Klasse A.

Die Funktion des Low-Cost-Prozessors variiert je nach Anwendung. Für entfernte Knoten, die ein externes Computergerät zur Datenanalyse verwenden, ist der Prozessor ein Datenlogger, der die seismischen Daten aller Kanäle speichert, in das Standardformat (SEED oder SEG-Y) packt und sie über eine Datenschnittstelle an das Computergerät sendet Schnittstelle. Da diese Anwendung einen geringen Rechenaufwand erfordert, ist es möglich, einen Mikrocontroller mit geringem Stromverbrauch zu verwenden. Der ADuCM4050 ist ein ARM® Cortex®-M4-Mikrocontroller mit extrem geringem Stromverbrauch, der für IoT-Anwendungen empfohlen wird.(31) Er verfügt über Energiesparmodi von 650 nA für den Ruhezustand und 200 nA für einen schnellen Aufwach-Abschaltmodus. Darüber hinaus verfügt es über zwei Echtzeituhr-Peripheriegeräte (RTC) zur Zeitmessung und zeitsynchronisierten Datenerfassung.

Bei eigenständigen Instrumenten mit integrierter Datenanalyse berechnet ein DSP seismische Merkmale und andere anwendungsabhängige Parameter, beispielsweise Gebäudezustandsindikatoren für die Überwachung des strukturellen Zustands. Die Analyse seismischer Daten erfordert die Berechnung verschiedener mathematischer und statistischer Funktionen. Beispielsweise erfordert die Berechnung der seismischen Intensität logarithmische Funktionen und ein Spitzenerkennungsfenster für Beschleunigung und Geschwindigkeit. Darüber hinaus sollte die Verarbeitungszeit niedrig genug sein, um eine kontinuierliche Datenerfassung und -verarbeitung durchzuführen. Der ADSP-BF706 ist ein kostengünstiger, stromsparender DSP mit einer Verarbeitungsgeschwindigkeit von bis zu 400 MHz und ein branchenführender DSP für Feldinstrumentenanwendungen.(32) Er bietet mehrere leimlose Peripherieschnittstellen, was den Anschluss an externe Geräte erleichtert wie die Datenschnittstelle und den ADC.

Die Standortdaten des Instruments können entweder von einem GPS-Modul extrahiert oder während der Installation manuell eingestellt werden. Für die Zeitdaten kann der kostengünstige DSP entweder sein internes RTC-Peripheriegerät oder über NTP über die Datenschnittstelle verwenden. Abhängig von der Art der Installation gibt es mehrere Möglichkeiten für die Datenschnittstelle. Das Instrument kann industrielles RS-485 für die kabelgebundene Kommunikation, insbesondere innerhalb von Gebäuden, oder eine Ethernet-Schnittstelle verwenden, um das Gerät einfach an ein bestehendes Datennetzwerk anzuschließen. Für die drahtlose Kommunikation kann das Instrument Wi-Fi-Geräte oder das Analog Devices SmartMesh® IP(33) verwenden, um in dynamischen Umgebungen volle Datenzuverlässigkeit zu gewährleisten.

Die Zuverlässigkeit seismischer Daten steigt mit zunehmender Anzahl seismischer Sensoren, die an verschiedenen Standorten eingesetzt werden. Aus seismischen Daten lassen sich viele Informationen extrahieren, die für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich sind, wie z. B. die Überwachung des strukturellen Zustands, geophysikalische Forschung, Ölexploration und sogar die Industrie- und Haushaltssicherheit. In diesem Abschnitt werden allgemeine Übersichten über die drei gängigen Anwendungen seismischer Sensornetzwerke erläutert.

Die vulkanologische und seismologische Forschung setzt seismische Sensoren in schwierigem und manchmal gefährlichem Gelände ein.(34) Die Überwachung interner Prozesse in Vulkanen erfordert die Überwachung der Bodenbewegung an mehreren Punkten. Diese Orte können nach bestimmten Phasen vulkanischer Aktivität gefährlich werden und den seismischen Sensor unwiederbringlich machen. Kostengünstige seismische Sensoren mit geringem Stromverbrauch werden die Forschungskosten senken und gleichzeitig über sehr lange Zeiträume aktiv bleiben. Ein weiterer ähnlicher Fall ist die Charakterisierung der Plattenbewegung, die ebenfalls den Einsatz zahlreicher seismischer Sensoren entlang der Verwerfungslinie erfordert.

S-Wellen und Oberflächenwellen, die zerstörerischeren Arten seismischer Wellen, die Teil eines Erdbebens sind, breiten sich langsamer aus als die am wenigsten zerstörerische P-Welle. Daher ist es möglich, ein Erdbebenfrühwarnsystem zu implementieren, indem die ersten Anzeichen eines Erdbebens erkannt werden. Dies würde allen Arten von Systemen eine kurze Zeit zum Handeln geben und verheerende Auswirkungen durch Erdbebenschäden verhindern. Wohn- und Geschäftsgebäude können elektrische Systeme und Gasleitungen kurz vor starken Bodenerschütterungen abschalten. Der Einsatz eines seismischen Sensornetzwerks, das an mehreren Standorten rund um ein Schutzgebiet eingesetzt wird, trägt dazu bei, die zulässige Reaktionszeit zu verlängern. Außerdem werden Fehlalarme, die nicht durch Erdbeben verursacht werden, minimiert. Abbildung 10 zeigt einen möglichen Aufbau eines Erdbebenfrühwarnsystems zum Schutz eines bestimmten Gebiets oder Bauwerks.

Abbildung 10. Erdbebenfrühwarnsystem mit seismischen Sensornetzwerken, die an mehreren Standorten im Abstand von 6 bis 12 Meilen eingesetzt werden. Bild erstellt von Erin Burkett (USGS) und Jeff Goetzen (Orange County Register). Mit freundlicher Genehmigung des US Geological Survey ShakeAlert Project.35

Die von einem Frühwarnsystem ermöglichte Reaktionszeit ist proportional zum radialen Abstand des seismischen Sensors von der geschützten Struktur, wie in Gleichung 5 beschrieben. Vorausgesetzt, dass sich P-Wellen mit 3,5 Meilen/s oder 5,6 km/s und S-Wellen ausbreiten Wenn Sie mit einer Geschwindigkeit von 2,0 mi/s oder 3,2 km/s fahren, kann berechnet werden, dass pro 7,51 km Entfernung des seismischen Sensors vom geschützten Bereich eine Sekunde Reaktionszeit hinzukommt. Darüber hinaus führt die Platzierung mehrerer seismischer Sensoren in kürzeren Abständen zu einer besseren zeitlichen Auflösung der Reaktionszeit.

Gleichung 5 zeigt die Beziehung zwischen der Reaktionszeit des Frühwarnsystems und dem radialen Abstand des seismischen Sensors vom geschützten Bereich.

Die Erdbebensicherheit von Gebäuden kann durch die Überwachung und Modellierung der Reaktion durch erzwungene Vibrationstests verbessert werden. Die Installation seismischer Sensoren im Gebäude wird bei der Beurteilung, Reaktion und Wiederherstellung von Schäden nach einem Erdbeben hilfreich sein. Bei großflächigen Schäden kann ein ausgedehntes seismisches Sensornetzwerk strukturell beschädigte Bereiche lokalisieren und so das Risiko und die Kosten einer Sichtprüfung verringern. Bei einer Untersuchung zu Instrumenten für starke Bewegungen wurde dies auf das Atwood-Gebäude angewendet, ein 20-stöckiges MRF-Stahlgebäude, bei dem 32 seismische Sensoren auf Beschleunigungsmesserbasis auf 10 Ebenen eingesetzt wurden, um den strukturellen Zustand des Gebäudes genau zu überwachen.(36)

Seismische Sensornetzwerke haben ein breites Anwendungsspektrum in der Industrietechnik, der seismologischen Forschung und der Überwachung des Strukturzustands. Aufgrund der Anwendungsnachfrage haben sich die Sensor- und Systemanforderungen von Seismometern geändert, um entfernte Systeme und niedrige Betriebskosten zu bevorzugen. Moderne, kostengünstige Bodensensortechnologie ist nun in der Lage, Messungen durchzuführen, die denen herkömmlicher Instrumente ebenbürtig sind. Mithilfe der breiten Produktpalette von Analog Devices kann ein Sensorgerät implementiert werden, das verschiedene seismische Sensoranwendungen abdeckt.

1 Hiro Hanamori, Egill Hauksson und Thomas Heaton. „Echtzeitseismologie und Erdbebengefahrenminderung.“ Natur, nein. 390, S. 101-1 461-464, Dezember

2 „Erdbebenfrühwarnung.“ US Geological Survey, 2019.

3 Erhard Wielandt. „Seismometrie.“ International Handbook of Earthquake and Engineering Seismology, Teil A, Elsevier BV, S. 283-304, 2002.

4 Ana María Zambrano, Israel Pérez-Llopis, Carlos E. Palau und Manuel Esteve Domingo. „Technologien des Internets der Dinge, angewendet auf ein Erdbeben-Frühwarnsystem.“ Computersysteme der Zukunft, Bd. 75, 2017.

5 Giuseppe Olivadoti, „Erkennen, Analysieren und Handeln in den ersten Momenten eines Erdbebens.“ Analoger Dialog, Bd. 35, Januar 2001.

6 Ruwan Rajapakse. „Kurzkurs über Seismologie.“ Faustregeln für Pfahlkonstruktion und -konstruktion, S. 241-245, 2016.

7 John Douglas. „Gleichungen zur Vorhersage der Bodenbewegung 1964–2019.“ Universität Strathclyde, August 2019.

Lepolt Linkimer. „Zusammenhang zwischen der maximalen Bodenbeschleunigung und der modifizierten Mercalli-Intensität in Costa Rica.“ Das Central American Journal of Geology, Bd. 38, S. 81-94, 2008.

9 Khosrow T. Shabestari und Fumio Yamazaki. „Ein Vorschlag für eine instrumentelle seismische Intensitätsskala, die mit MMI kompatibel ist und anhand von Dreikomponenten-Beschleunigungsaufzeichnungen bewertet wird.“ Erdbebenspektren, Bd. 17, Nr. 4, S. 711-723, November 2001.

10 „Alles über seismische Überwachungssysteme.“ IMV Corporation, Juni 2019.

11 Brendon A. Bradley, Misko Cubrinovski, Gregory A. MacRae und Rajesh

12 „M 5,8 – 11 km südöstlich von Lincoln, Montana.“ US Gelogoical Survey, Juli 2017.

13 „Seismische Signale und Sensoren.“ GeoSIG, September 2009.

14 Neil R. Goulty. „Dehnungsmesser und Neigungsmesser in der Geophysik.“ Tektonophysik, Bd. 34, Nr. 3-4, S. 245-256, September 1976.

15 „Überwachungsinstrumente“. US Geological Survey, 2019.

16 Yong-hui Zhao, Li-ming Wang und Xiao-ling Yan, „Das Prinzip und die Simulation des Moving-Coil-Geschwindigkeitsdetektors.“ 2. Internationale

Konferenz zu Elektrotechnik und Elektronik: Techniken und Anwendungen (EETA), 2017.

17 „SM-6-Geophon“. Input/Output, Inc., Oktober 2003.

18 Dieter Stoll. „Seismometer, erweiterte Reaktion.“ Encyclopedia of Earthquake Engineering, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2015.

19 B. John Merchant. „MEMS-Anwendungen in der Seismologie.“ Symposium für seismische Instrumentierungstechnologie. Sandia National Laboratories, November 2009.

20 „Geringes Rauschen, geringe Drift, geringer Stromverbrauch, 3-Achsen-MEMS-Beschleunigungsmesser: ADXL354/ADXL355.“ Analog Devices, Inc., 2016.

21 Michael S. Hons. „Seismische Erfassung: Vergleich von Geophonen und Beschleunigungsmessern anhand von Labor- und Felddaten.“ Universität Calgary, September 2008.

22 Arbeitsgruppe D des ANSS Technical Integration Committee. „Instrumentierungsrichtlinien für das Advanced National Seismic System.“

US Geological Survey, September 2008.

23 „Seismisches Datenformat (SEG-Y-Format).“ US Geological Survey, 2001.

24 Incorporated Research Institutions for Seismology (IRIS). "SAMEN." National Science Foundation, 2019.

25 Norman M. Cooper. „Seismische Instrumente – Was ist neu? ... Und was ist wahr?“ Blockflöte, Bd. 21, Nr. 10, Canadian Society of Exploration Geophysicists, Dezember 2002.

26 „Rauscharm, präzise, ​​Rail-to-Rail-Ausgang, JFET-Einzel-/Dual-/Quad-Operationsverstärker: ADA4610-1/ADA4610-2/ADA4610-4.“ Analog Devices, Inc., Juni 2019.

27 „Spannungsreferenzen mit extrem geringem Rauschen und hoher Genauigkeit.“ Analog Devices, Inc., Dezember 2018.

28 „6,5 V, 500 mA, extrem rauscharm, hoher PSRR, schnelles Einschwingverhalten, CMOS-LDO: ADM7170.“ Analog Devices, Inc., September 2019.

29 „Ultra Low Power Energy Harvester PMUs mit MPPT und Lademanagement.“ Analog Devices, Inc., Mai 2017.

30 „8-/4-Kanal-24-Bit-ADCs mit simultaner Abtastung und Leistungsskalierung, 110,8 kHz Bandbreite.“ Analog Devices, Inc., Juli 2018.

31 „ARM Cortex-M4F-MCU mit extrem geringem Stromverbrauch und integriertem Energiemanagement.“ Analog Devices, Inc., April 2019.

32 „Blackfin+® Core Embedded-Prozessor: ADSP-BF70x.“ Analog Devices, Inc., Februar 2019.

33 „SmartMesh IP-Anwendungshinweise.“ Analog Devices, Inc., Februar 2017.

34 Wjatscheslaw M. Zobin. „Seismische Überwachung vulkanischer Aktivität und Vorhersage von Vulkanausbrüchen.“ Einführung in die Vulkanseismologie (2. Auflage), S. 407–431, Elsevier, Dezember 2011.

35 Robert de Groot. „ShakeAlert®: Ein Erdbeben-Frühwarnsystem für die Westküste der Vereinigten Staaten.“ ShakeAlert, 2019.

36 Z. Yang, U. Dutta, M. Celebi, H. Liu, N. Biswas, T. Kono und H. Benz. „Strong-Motion-Instrumentierung und strukturelle Reaktion von AtwoodBuilding in der Innenstadt von Anchorage, Alaska.“ 13. Weltkonferenz für Erdbebentechnik, August 2004.

Jesse Santos ist Produktanwendungsingenieur für die System Development Group mit Sitz in Cavite. Als Teil der Gruppe entwickelt er Referenzdesigns von Lösungen auf Systemebene für verschiedene Anwendungen. Er kam 2018 zu Analog Devices. Er hat einen Bachelor-Abschluss in Elektronik und Kommunikationstechnik und ist derzeit Doktorand an der De La Salle University-Manila. Seine Forschungsschwerpunkte sind Robotik und künstliche Intelligenzsysteme, insbesondere Schwarmintelligenz. Er ist unter [email protected] erreichbar.

Angelo Nikko Catapang ist derzeit Produktanwendungsingenieur für die System Development Group mit Sitz in Cavite. Er arbeitet an der Erstellung von Schaltkreisen aus den Lab®-Referenzdesigns. Angelo kam 2016 zu Analog Devices. Derzeit ist er Doktorand am Mapua Institute of Technology und studiert Elektrotechnik mit Schwerpunkt Steuerungssysteme. Er ist unter [email protected] erreichbar.

Erbe D. Reyta ist seit 2011 Hardware-Anwendungsingenieur im Circuits from the Lab-Programm von ADI, wo er sich hauptsächlich auf die Hardwareentwicklung von Präzisionssystemen konzentriert. Er erwarb seinen Bachelor-Abschluss in Elektronik und Kommunikationstechnik an der Universität der Philippinen-Diliman und seinen Master-Abschluss in Ingenieurwissenschaften in Computertechnik an der Pamantasan ng Lungsod ng Maynila (Universität der Stadt Manila) auf den Philippinen. Er ist unter [email protected] erreichbar.