Force Balance Accelerograph baru untuk memonitor gempa bumi dan structural berdasarkan geometry accelerometer linear

Diterjemahkan dari artikel GEObit Journal December 03, 2022

N.Germenis^1,2,4, G. Dimitrakakis¹, E. Sokos², dan P. Nikolakopoulos³

(1) GEObit-Instruments, Patra – Yunani, ngermenis@geobit-instruments.com (2) Laboratorium Seismologi, Departemen Geologi, Universitas Patras, Rio – Yunani, esokos@upatras.gr (3) Laboratorium Desain Mesin, Departemen Teknik Mesin & Aeronautika, Universitas Patras, Rio – Yunani, pnikolak@mech.upatras.gr

• Pendahuluan

Seismic accelerometer diklasifikasikan menurut teknik konstruksinya dan teknologi yang di digabungkan atau prinsip operasi. Beberapa contohnya yang paling sering di jumpai ialah piezo-listrik, micro-electromechanical (MEM), dan Force Balance Accelerometers (FBA) (Piersal dan Paez, 2010; Santos et al, 2019; Ringler, 2015 & 2020). Beberapa jenis Accelerometers telah ditampilkan berdasarkan gabungan teknologi, ukuran, konsumsi daya, dan biaya. Self-noise dari sebuah Accelerometer adalah parameter kunci dalam memantau gempa bumi dan struktur bangunan yang memerlukan pengukuran noise disekitarnya. Jangkauan dinamis tertinggi yang disediakan oleh Accelerometers FBA melebihi 150dB, oleh karena itu sensor ini ideal untuk pengukuran seismic atau noise sekitar. Sebagai contoh, sebagian besar sensor yang digunakan dalam memantau jaringan struktur jembatan adalah FBA. Dalam aplikasi ini, analisis modal jembatan dilakukan (TALHA et al., 2003). Beberapa FBA mekanisme massa pegas pendulum telah dijelaskan di masa lalu, misalnya Hitachi Ltd. (1985) dan Kinemetrics Inc (1997 & 2005). Dalam penelitian ini kami menggambarkan sistem linear motion mechanical, menempel dengan two leaf springs dan dibentuk dengan hati-hati untuk meminimalkan gerakan torsional yang tidak diinginkan. Dengan penggunaan elektronik yang dipilih dengan komponen yang pilihan, seperti amplifier operasional dengan ultra-low noise dan dengan desain loop umpan balik yang tepat, kinerja FBA yang tinggi dengan luas bandwidth dari DC hingga 200Hz dan rentang dinamis yang dibangun lebih dari 150dB. Digitizer accelograph diimplementasikan pada satu papan PCB multilayer dengan kepadatan yang tinggi. Hal ini paling utama dirancang sesuai dengan arsitektur dua prosesor yang menyalurkan pengambilan sampel dan penandaan waktu data yang terletak di bagian papan CPU real-time khusus. Pengkodean, streaming, dan penyimpanan lokal Seedlink melalui komponen sumber terbuka yang berjalan secara lokal yang di-porting pada bagian papan ARM Linux. Streaming sesuai permintaan berdasarkan rantai server Seedlink lokal, pemrosesan sinyal lokal, dan deteksi pemicu berdasarkan berbagai skema (amplitudo, STA/LTA, dll.) Melalui komponen sumber terbuka yang di-porting dari toolchain Earthworm. Signalling berbasis MQTT untuk distribusi peristiwa pemicu yang mendukung beberapa skema terpusat atau terdistribusi. Performa keseluruhan instrumen dijelaskan dalam hal fungsi transfer dan perilaku noise yang sangat baik diilustrasikan secara komprehensif dengan plot noise kerapatan spektral. Terakhir, plot kerapatan spektral daya dari beberapa rekaman gempa bumi yang umum dari FBA yang disajikan dan instrumen referensi disajikan. (Gbr. 4) Hasilnya menunjukkan bahwa desain FBA yang diusulkan memiliki kinerja seperti sensor gerakan kuat lainnya yang sudah mapan, sekaligus lebih kuat dan hemat biaya.

• Desain sensor – Deskripsi umum

Desain sensor accelerometer didasarkan pada dua bagian utama: a) sistem mekanis spring-mass accelerometer, bersama dengan actuator gaya elektromagnetik ganda dan b) papan elektronik. Sistem mekanis telah disimulasikan secara ekstensif untuk menghitung bentuk dan material pegas. Hasil simulasi menunjukkan bahwa pegas berbentuk ellipsoid harus digunakan. Mode osilasi bebas utama ditemukan sebesar 58,16Hz (Gbr. 2) dan semua mode osilasi lainnya memiliki frekuensi yang jauh di luar pita perekaman (DC-200Hz) Diagram blok komponen FBA horizontal disajikan pada Gbr. 1. Desain yang sama dapat digunakan sebagai komponen vertikal jika diputar sebesar 90o , setelah penyesuaian secara mekanis dengan tepat untuk posisi massa seismik. Sistem mekanis diposisikan dengan kuat dalam bingkai aluminium berongga, yang kemudian diikat dengan sekrup pada dasar baja. Akselerasi diterapkan pada rangka di sepanjang arah axial elemen penginderaan dan menyebabkan perpindahan massa relatif terhadap suatu rangka.

Gbr. 1,2 – Simplified block diagram of the FBA accelerometer and 3D view of the spring-mass system at the first normal oscillation mode.

Perpindahan massa dirasakan oleh transduser kapasitansi dengan sensitivitas pada [V/m]. Tegangan output transduser diumpankan ke preamplifier low-noise dengan penguatan A1. Pada langkah berikutnya, sinyal diumpankan ke demodulator yang memperoleh sinyal seismik dari sinyal pembawa yang dimodulasi amplitudo. Sinyal pembawa dihasilkan oleh generator sinyal “~” (Gbr.1), yang merupakan sinyal sinusoidal, dengan amplitudo 15Vpp, frekuensi 30kHz, dan perbedaan fase 180o antara dua pelat kapasitor. Keluarannya masuk ke amplifier A2 pada jalur loop terbuka. Keluarannya diubah menjadi sinyal arus oleh jaringan R-C, dan melalui amplifier arus dua tahap menuju ke transducer gaya koil ganda (forcer). Forcer menerapkan gaya pemulih pada massa seismik, dengan konstanta proporsionalitas Gc [N/A]. Istilah “ganda” menunjukkan bahwa ada dua koil pada massa seismik, yang terhubung secara elektrik dalam seri ini, berinteraksi dengan dua magnet permanen yang ditempatkan di kedua sisi dalam rangka logam, seperti diilustrasikan pada Gbr.1. Output dari amplifier A0 mewakili sinyal akselerasi dan digerakkan ke digitizer yang terhubung ke output dari setiap sensor akselerasi (tiga saluran digitizer).

• Sensor noise – Evaluasi kerapatan spektral daya noise

Prototipe accelerograph diuji di sebuah kubah seismik Laboratorium Seismologi Universitas Patras, untuk mengetahui kemampuannya dalam menyelesaikan sinyal seismik dengan sesuai. Untuk perhitungan noise sensor sendiri, satu sensor Guralp 5T yang terhubung ke digitizer GEObit digunakan sebagai instrumen referensi. Kedua sistem perekaman dibiarkan merekam selama beberapa hari dengan kecepatan 100sps. Pengaturan filter digitizer juga sama untuk semua saluran. Total dari Power Spectral Density (PSD) dari setiap sensor, yang merupakan jumlah dari noise instrumen ditambah noise tanah di lokasi, telah diperoleh dengan menggunakan bagian sinyal yang tenang, yang diambil dari rekaman jangka panjang. Metode rata-rata Welch (Welch, 1967) digunakan untuk  perhitungan Power Spectral Density  (PSD) untuk kedua sistem perekaman. Hasilnya disajikan dalam Gbr.3, di mana grafik merah mewakili noise PSD dari accelerograph yang diusulkan, dan garis biru mewakili noise PDS dari sensor referensi. Hal ini menjelaskan bahwa kedua sistem perekaman menggambarkan perilaku yang persis sama di semua  pita rekaman. Ini adalah bukti langsung dari kemampuan prototipe untuk merekam gerakan tanah secara akurat dalam rentang pita yang luas.

Gbr. 3,4 – Total noise PSD diagrams for the proposed accelerometer (GBT) and the reference instrument (5T) and power spectral density plots for the reference instrument (left) and the prototype (right).

• Kesimpulan

Kami menghadirkan force-balance seismometer dengan desain yang baru. Intinya adalah mekanisme spring-mass dengan two leaf springs dan double coil forcer, yang dipasang pada pelat konduktif yang dapat digerakkan di antara dua pelat stasioner, yang membentuk transduser perpindahan kapasitif. Double-spring dan double-coil memastikan gerakan linier massa seismik dan operasi simetris di kedua sisi posisi diam sensor. Performa instrumen, dalam hal ketepatan sinyal dan tingkat kebisingan, dievaluasi dengan membandingkan produk komersial yang sudah ada sebelumnya. Seismometer baru ini terbukti memenuhi harapan dari spesifikasi yang disarankan (bandwidth 120 detik-85Hz, 1200V/m/s). Karakteristiknya yang berbiaya rendah (bahan baku, proses desain yang mudah, komponen elektronik yang tersedia) menjamin pembuatan yang mudah dan kemampuan produksi secara cepat dalam proses produksi.

Referensi

Hitachi Ltd. (1985). European Patent Application 0338688A1

Kinemetrics Inc. (1997). The FBA-23 Force Balance Accelerometer – User’s Guide

Kinemetrics Inc. (2005). EpiSensor Force Balance Accelerometer Model FBA ES-T– User’s Guide

Piersal A. and Paez T (2010). Harris’ Shock and Vibration Handbook 6th Ed., McGraw Hill, Ch. 10.

Ringler A, Evans J, and Hutt C, (2015). Self-noise models of five commercial strong-motion accelerometers, Seismological Research Letters, 86 (4), 1143-1147.

Ringler A. and Bastien P, (2020). A brief introduction to seismic instrumentation: Where does my data come from?, Seismological Research Letters, 91 (2A), 1074-1083.

Santos J, Catapang , and Reyta E, (2019). Understanding the fundamentals of earthquake signal sensing networks, Analogue Dialogue, 53 (3).

Talha M A, Elattar A G, and Khalil A H, (2003) Dynamic monitoring of a long span bridge. – Journal of engineering and applied science Vol. 50, No. 2, Apr. 2003, PP. 351-370 Faculty of Engineering, Cairo University.

Welch P, (1967). The use of fast Fourier transform for the estimation of power spectra: A method based on time averaging over short, modified periodograms, IEEE Trans. Audio, AU-15, pp. 70–73.