Cómo elegir un Sensor de terremotos

Elegir un sensor de terremotos no es tarea fácil. Existen decenas de acelerómetros y sensores de velocidad en el mercado, y seleccionar el que mejor se adapte a tus necesidades puede resultar confuso. A lo largo de los años, hemos utilizado muchos sensores diferentes, así que permítenos ayudarte a comprenderlos mejor.

El sismógrafo Gecko de última generación es, en esencia, un registrador de datos que registra el voltaje. Este voltaje proviene de sensores sísmicos, y el Gecko es compatible con sensores de todos los fabricantes.

La importancia de la resolución

La principal diferencia tecnológica entre un sismógrafo y otros registradores de datos de monitorización ambiental radica en la combinación de bajo nivel de ruido, alta resolución, amplio rango de señal de entrada y la rapidez con la que puede muestrear puntos de datos.

Piensa en la diferencia en la calidad de la señal como en la resolución de una pantalla de vídeo: la mayoría de los registradores de datos ambientales tienen una resolución de unos 16 bits, lo que equivale aproximadamente al número de píxeles de la pantalla de una Nintendo Game Boy. Un sismógrafo tiene una resolución de 24 bits, equivalente al número de píxeles de un televisor moderno de alta gama. En ambas pantallas se puede ver una imagen, pero el detalle y la nitidez del sistema de alta resolución son incomparables.

Los registradores de datos sísmicos deben ser capaces de diferenciar entre unos pocos "píxeles" de señal para detectar el movimiento del suelo provocado por terremotos muy pequeños o distantes, pero también deben poder capturar señales millones de veces mayores durante terremotos grandes o cercanos. Por eso, un registrador de datos de bajo ruido y amplio rango dinámico como el Gecko es fundamental para aprovechar al máximo cualquier sensor que se elija conectar.

Desplazamiento de la Tierra

Cuando los sismólogos monitorean la Tierra, miden desplazamiento del suelo: cuánto se mueve. Digamos que un terremoto masivo produce un desplazamiento permanente de 10 metros en la superficie. Teniendo en cuenta que podemos medir aproximadamente una 8 millonésima parte del movimiento con un registrador de datos sísmicos moderno, la diferencia más pequeña que podríamos detectar con un sensor de desplazamiento 10m sería de tan solo unos 0.001mm. Esto equivale aproximadamente al movimiento máximo del suelo registrado a unos 100km de un terremoto de magnitud 1, o 500km de un terremoto de magnitud 3.

El problema es que se necesitaría un sensor de 10m de largo. Se inventaron Sensores que nos informaban sobre cambios en el desplazamiento durante un corto período de tiempo, es decir, la velocidad. El sensor, que en esencia era una masa unida a un resorte, solo podía moverse unos pocos milímetros, pero teóricamente podía medir esos 10m de desplazamiento si la velocidad se mantenía durante muchos minutos. Los sismólogos tuvieron que sacrificar ese amplio rango para aumentar la sensibilidad, lo que significaba que los grandes terremotos cercanos quedarían fuera de escala.

Posteriormente, se diseñaron Sensores para informarnos sobre los cambios de velocidad a lo largo del tiempo (la aceleración). Esto nos permitiría medir los movimientos sísmicos más intensos y, al mismo tiempo, detectar terremotos pequeños o distantes.

Sensores de velocidad

Los sensores de velocidad más económicos son geófonos de alta frecuencia que suelen registrar señales de vibración a unos 5Hz (5 ciclos por segundo) o más, y pueden registrar niveles de señal muy altos. Esto es adecuado para eventos cercanos donde la mayor parte de la energía se encuentra en este rango de frecuencia/amplitud, pero si el sensor se encuentra a más de unos pocos kilómetros de la fuente de la vibración, la señal comienza a desaparecer. Estos sensores se utilizan para la monitorización de explosiones cerca de la fuente o para supervisar trabajos de construcción y demolición, y a menudo se utilizan junto con un micrófono para medir vibraciones de presión de aire.

Los geófonos de baja frecuencia son un poco más grandes y, por naturaleza, sensibles a amplitudes y frecuencias más bajas (hasta 1-2Hz). Son útiles para detectar terremotos en un radio de unos 500km del sensor, pero se saturan si se ven sometidos a un sismo cercano de magnitud 5 o superior.

La mayor parte de la energía de alta frecuencia de terremotos es absorbida por la Tierra en los primeros cientos de kilómetros, dejando solo ondas de baja frecuencia (por debajo de 1Hz) que viajan alrededor del globo. Comenzamos a referirnos a estas longitudes de onda en términos de período (el número de segundos que tarda un ciclo de movimiento). sensores de velocidad con respuestas de período largo de 40 y 120 segundos están comúnmente disponibles para monitorear terremotos regionales y globales a distancias de miles de kilómetros del sensor.

Sensores de aceleración

sensores de aceleración se utilizan en muchos dispositivos: en el teléfono para determinar cómo lo sujetas, en los controladores de realidad virtual para rastrear el movimiento de la mano y la cabeza, y en el coche para activar el airbag en caso de impacto. Estos sensores suelen ser chips electrónicos de bajo coste con resolución limitada, lo cual es suficiente para su aplicación, pero sus fabricantes también producen acelerómetros de alta sensibilidad para aplicaciones sísmicas.

Algunos de estos acelerómetros sistema microelectromecánicos (MEMS) son muy pequeños y lo suficientemente sensibles como para solaparse con el rango superior de un sensor de velocidad, o para usarse como monitor de campo cercano de la misma manera que un geófono de alta frecuencia. sensores MEMS suelen tener un nivel de saturación de ±5g, útil para la monitorización cercana de explosiones y vibraciones de alta amplitud.

Otro tipo de acelerómetro es el que utiliza tecnología piezoeléctrica electrónica integrada (IEPE). Estos consumen más energía que los MEMS y son varias veces más caros, pero tienen una mejor sensibilidad a bajas amplitudes y bajas frecuencias, y con un nivel de saturación más alto de + 10g.

Los acelerómetros más sensibles utilizan elementos ópticos o mecánicos con electrónica de retroalimentación para maximizar la sensibilidad, y son ligeramente más caros. Suelen tener un rango máximo de ±2g, pero son extremadamente sensibles a movimientos de baja amplitud y baja frecuencia. Estos sensores pueden detectar amplitudes de señal inferiores a 1 millonésima parte de la fuerza de la gravedad y frecuencias de señal desde periodos de 200 segundos hasta 800Hz sin distorsión de amplitud.

Sensores convertibles

Los sensores de aceleración óptica que hemos estado utilizando en nuestros sistemas de monitorización de edificios tienen un rango mayor del que podemos registrar con un registrador 24 bits. Son tan sensibles que, si nos centramos en el extremo inferior de su rango, podemos observar una mayor sensibilidad al desplazamiento del terreno que las soluciones basadas en geófonos. Se necesitarían unos 36 bits de rango libre de ruido para ver el rango completo de estos sensores, y aunque existen componentes de 32 bits, unos 8 bits son ruido inútil. El desarrollo de la tecnología de sensores analógicos está superando al de la tecnología digital.

Para aprovechar esta sensibilidad, colaboramos con diseñadores sensor para crear un Gecko Prism-SP con un sensor convertible que puede cambiar de funcionamiento, pasando de ser un sensor de velocidad de alta sensibilidad con un período de 10 segundos (utilizando el extremo inferior del rango del sensor) a un acelerómetro ±2g, según las necesidades de implementación.

Encontrar Desplazamiento

En definitiva, nos interesa cómo se movió el suelo: su desplazamiento. sensores de velocidad y aceleración son simplemente formas de medir grandes desplazamientos con dispositivos pequeños. Desplazamiento se puede obtener a partir de la velocidad (o aceleración) mediante integración matemática (o doble integración). Si utiliza un sensor de aceleración de bajo ruido, podría sorprenderse de lo que puede observar una vez convertido a velocidad o desplazamiento.

Hemos integrado esta función de conversión de unidades en nuestro software de análisis de ondas sísmicas Waves. Si sus datos provienen de un Gecko y seleccionó su sensor de la lista de modelos populares, convertir entre unidades de movimiento del suelo es tan sencillo como pulsar un botón. Waves es gratuito y está disponible para Windows, macOS y Linux.

¿Sabías que en el sureste de Australia se registran, en promedio, unos 30 terremotos por semana? Publicamos mapas de actividad sísmica semanalmente en LinkedIn; síguenos hoy mismo.