SISMÓGRAFOS - 2

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2. EL SISMÓGRAFO

2.1 Sismógrafos analógicos y digitales2.2 Sismógrafos, acelerógrafos, inclinómetros, etc. 2.3 Sismómetros de banda ancha2.4 Calibración y curvas de respuesta2.5 Sismógrafos portátiles y sismógrafos permanentes 2.6 Telemetría de señales sísmicas.

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REPASO: SISMÓMETROS MECÁNICOS

Respuesta de instrumento:

324 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

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0.1 1 10Frequency (Hz)

Am

plitu

de

0

90

180

0.1 1 10Frequency (Hz)

Phas

e (d

egre

es)

h = 1/4

1/2

1

24

h = 1/41

4Figure 11.2 The amplitudeand phase response functionsfor a seismometer of 1 Hznatural resonance at variouslevels of damping.Thedamping constant, h, is onefor critical damping.

The strength of the damping relative to the stiffness of the spring may be describedby h = !/"0, where h is the damping constant. When h = 1 (! = "0), the systemis said to be critically damped. Under critical damping, a displaced mass willreturn to its rest position in the least possible time, without “overshooting’’ andoscillating about its rest position. Seismometers generally perform optimally atvalues of damping close to critical. Figure 11.2 plots amplitude and phase responsecurves for a seismometer with a natural (undamped) resonant frequency of 1 Hz (atypical short-period sensor) for values ofh ranging from 1/4 to 4.At high frequencies(" ! "0), Z(") " #1, as follows from (11.12); the amplitude response is nearunity and the phase response is close to # (180$), representing a polarity reversalin the motion. In this case the motion of the mass, relative to the Earth, is simply

324 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

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0.1 1 10Frequency (Hz)

Am

plitu

de

0

90

180

0.1 1 10Frequency (Hz)

Phas

e (d

egre

es)

h = 1/4

1/2

1

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h = 1/41

4Figure 11.2 The amplitudeand phase response functionsfor a seismometer of 1 Hznatural resonance at variouslevels of damping.Thedamping constant, h, is onefor critical damping.

The strength of the damping relative to the stiffness of the spring may be describedby h = !/"0, where h is the damping constant. When h = 1 (! = "0), the systemis said to be critically damped. Under critical damping, a displaced mass willreturn to its rest position in the least possible time, without “overshooting’’ andoscillating about its rest position. Seismometers generally perform optimally atvalues of damping close to critical. Figure 11.2 plots amplitude and phase responsecurves for a seismometer with a natural (undamped) resonant frequency of 1 Hz (atypical short-period sensor) for values ofh ranging from 1/4 to 4.At high frequencies(" ! "0), Z(") " #1, as follows from (11.12); the amplitude response is nearunity and the phase response is close to # (180$), representing a polarity reversalin the motion. In this case the motion of the mass, relative to the Earth, is simply

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ii) Polos y ceros

+ cómoda y utilizada

c = cte. de normalización

zi: ceros

pi: polos (pares conjugados)

Sismómetro mecánico de desplazamiento:

REPRESENTACIÓN GENERAL DE LA FUNCIÓN DE RESPUESTA

Sismógrafo mecánico

La constante de normalización es seleccionada para que max(T(w)) = 1

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RESPUESTA DEL INSTRUMENTO MECÁNICO A VELOCIDAD Y ACELERACIÓN

Usando

ShearerConstante para periodos largos!

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RESPUESTA DEL INSTRUMENTO MECÁNICO A VELOCIDAD Y ACCELERACIÓN

Displazamiento - Velocidad - Acceleración

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DISPLAZAMIENTO VS. VELOCIDAD VS.

Piensan en

7

DISPLAZAMIENTO VS. VELOCIDAD VS.

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SISMÓMETROS MECÁNICOSSismógrafo mecánico y analógico Bosh-Omori, primer sismógrafo en México (1904) y sismógrafo Weickert 17.000 kg (1910). Los dos miden movimiento horizontal.

Ahora en el museo en Tacubaya.

Uno de los problemas de sismómetros mecánicos es el tamaño! Estos no son muy portatiles..

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WOOD-ANDERSON (1925) • • Torsión• T = 0.8 s (1.25 Hz)• ganancia = 2050 (nominal 2800)• registro óptico sobre papel fotográfico

La escala de Richter es basada en la amplitud medida en el dispositivo de Wood-Anderson!

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OTROS SENSORESPuerta de jardín La Coste (1934)

Pendulo invertido (ca 1905)Resorte de hoja (STS-1)

WWSSN

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ACCELERÓGRAFOS

• (o sensores de movimiento fuerte)• inicialmente sólo int. ingeniería • (sensores mecs. con ω0 ↑↑ y • reg. óptico; ~80-100 dB)

• habitualmente por disparo

• respuesta plana desde continuo (f = 0) • hasta lím. superior• por cambios estáticos generan • salida permanente• Nuevos sensores tienen h. 155 dB • (1-2 g – 10-1μm/s2) • interés también para movimientos débiles

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2. EL SISMÓGRAFO

2.1 Sismógrafos analógicos y digitales2.2 Sismógrafos, acelerógrafos, inclinómetros, etc. 2.3 Sismómetros de banda ancha2.4 Calibración y curvas de respuesta2.5 Sismógrafos portátiles y sismógrafos permanentes 2.6 Telemetría de señales sísmicas.

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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 - GananciaR - 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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RESPUESTA DEL INSTRUMENTO PARA UN TRANSDUCTOR DE VELOCIDAD Y

ACCELERACIÓN

Displazamiento - Velocidad - Acceleración15

SISMÓMETROS DE FUERZA BALANCEADA

Retroalimentación

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EFECTOS EXTERNOS SOBRE EL SISMÓMETRO

• Efectos de inclinación

• Efectos barométricos por inclinación del sensor, variaciones en boyancia, cambios adiabáticos en temperatura, deformaciónes por presión.

• Efectos de temperatura

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RUIDO EN LA TIERRA

• Dos rangos de periodos con menos ruido, 20-200 segundos y cerca de 1 segundo.

Shearer18

RESPUESTA DE SENSORES DIFFERENTES

• Sensores mecánicos normalmente se enfocan en uno de los dos rangos de periodos con menos ruido.

• Sismómetros de banda ancha tienen una amplificación constante sobre un gran rango de frecuencias.

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UNOS SISMÓMETROS Y SISTEMAS DE REGISTRO

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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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MEDIDORES DE DEFORMACIÓN (STRAINMETERS)

• estudio f << sismómetros Miden procesos tectónicos (acumulación de esfuerzos, creep, sismos ‘silenciosos’, procesos volcánicos)

• ~ 100’s Hz - años

• d ~ mm (barras metal o Qz -Benioff, 1932-)

• hasta ~102’s m (interferometría láser ; LB)

• pozos (boreholes): medida Ø

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INCLINÓMETROS• Miden deformación

• tubo de agua (demasiado sensible a temperatura)

• electrónicos (nivelación burbuja; poco sensible a temp.)

• monitoreo volcánico (inflación/deflación), taludes, llenado presa

Ciclo de inflación-deflación en 1984-1985 del volcán Kilauea

(Hawaii)Inclinómetro en Mauna Loa (Hawaii)

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B)Dilatómetros cambios en volumen lleno de fluido (aceite de silicón) generalmente en pozoC)GPS constelación de satélites envío y recepción de señal codificada (disponibil. selectiva) medición tiempos de llegada triangulación elevada precisión, + cuanto +t levantamiento desplazamientos relativos (respecto a SR) absolutos (posición punto en sup. terrestre) dos tipos de levantamiento y procesamiento: diferencial (↓t, ≥ 2 estacs) PPP (↑t -≥ horas-) (Precise Point Positioning)

OTROS METODOS PARA ESTUDIAR DEFORMACIÓN

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