Sismometro a Geofoni

Il Geofono

In una serie di post precedenti abbiamo descritto un sismometro a pendolo orizzontale :

Sismometro a Pendolo Orizzontale
Sismometro : elettronica di Lettura
Tracce Sismiche

Quello descritto sopra è un sismometro a periodo medio – lungo (circa 5 sec.) adatto alla rilevazione soprattutto dei sismi remoti (telesismi). Terremoti vicini – e deboli – non vengono rilevati perché in questi ultimi è predominante la presenza di frequenze più alte (1 – 5 Hz) alle quali lo strumento è meno sensibile.

Per la rilevazione di sismi locali conviene utilizzare strumenti con range di frequenza più alto, ad esempio i geofoni.

Il geofono, del quale sopra vediamo un schema di principio, è un sensore capace di captare le onde che si propagano nel terreno. Il geofono utilizzato in geofisica è un sensore atto a rilevare movimenti del suolo o onde sismiche. L’elemento sensibile è simile ad un microfono, con una bobina libera di muoversi attorno ad un magnete permanente, La bobina è solidale ad una massa inerziale, a sua volta ancorata alla struttura tramite delle molle. Questo strumento è molto sensibile ed è in grado di rilevare frequenze molto basse, anche di pochi Hertz. Il movimento della bobina viene trasformato in un segnale elettrico, disponibile sui connettori esterni.

I geofoni che abbiamo utilizzato hanno il range di frequenza centrato sui 4,5 Hz. Ne abbiamo utilizzati tre : uno verticale e due orizzontali, disposti secondo le tre direzioni spaziali : verticale, orizzontale N-S, orizzontale E-W.

Elettronica di Lettura del Segnale

Il segnale prodotto dal geofono va amplificato e “condizionato” prima di inviarlo ad un convertitore Analogico – Digitale per l’acquisizione. La soluzione che abbiamo adottato è basata sull’ottimo preamplificatore proposto dal team Theremino.  Lo schema è riportato sotto. Si tratta di una coppia di amplificatori in cascata, basati sull’operazionale a basso rumore LT6014. Il primo stadio fornisce un guadagno regolabile mediante la scelta del resistore esterno. Il secondo stadio porta il segnale sul valore di 1,65 V, dà un ulteriore guadagno fisso e porta la banda passante nel range 0,2 – 180 Hz. A seconda del resistore esterno il guadagno può variare da 100 a 10000.

Il segnale prodotto dai geofoni può essere acquisito anche collegando direttamente i geofoni ad un ADC a 24 bit, in questo modo il guadagno, ed anche altri parametri di funzionamento, possono essere regolati via software. Il convertitore ADC viene poi collegato alla scheda Master Theremino, questa soluzione è descritta in questa pagina.

Noi abbiamo adottato la soluzione con il preamplificatore per poter utilizzare la catena di acquisizione del segnale già utilizzata con il sismometro a pendolo (PSoC + RasPI, vedi post Sismometro : elettronica di Lettura).

Per potere acquisire il segnale proveniente dai geofoni e dal sismometro è stato necessario utilizzare un multiplexer (configurato via software). E’ stato anche aumentato il sampling rate della conversione portandolo a 50 Hz. Lo schema sotto mostra il componente ADC (Delta-Sigma) ed il multiplexer collegato in ingresso ai quattro canali.

Il Sismometro

Geofoni e preamplificatori sono stati collocati all’interno di una scatola metallica provvista di connettori per i tre segnali e per l’alimentazione. Scatole metalliche di alluminio pressofuso si trovano facilmente e sono adatte al nostro scopo : costituiscono un contenitore robusto e fanno da schermo contro i disturbi elettromagnetici. L’immagine sotto mostra il nostro sismometro a geofoni.

I geofoni sono stati inseriti in contenitori cubici 50x50x50 di legno, provvisti di un coperchio, la sede per il geofono è stata ricavata con una fresa per legno. Il coperchio viene fissato con delle viti. L’eventuale spazio vuoto all’interno della sede può essere riempito con del materiale per mantenere in posizione il geofono. I cavetti per i geofoni sono intrecciati accuratamente al fine di ridurre i disturbi elettromagnetici.
I cubi con i geofoni sono poi fissati alla scatola metallica con colla ciano-acrilica. Attenzione ad orientare correttamente i geofoni !
Per aumentare l’inerzia del sistema all’interno della scatola è stato posata una lastra di ferro e su questa lastra sono stati collocati i geofoni ed i preamplificatori. L’immagine seguente mostra l’interno della scatola con i geofoni e la scheda elettronica.

Si noti che le resistenze esterne per il guadagno dei preamplificatori sono collocate su di uno zoccoletto per IC : in questo modo è molto semplice sostituirle per aumentare o diminuire il guadagno. Per impieghi sismometrici il guadagno si colloca nel range 100 – 1000, in funzione anche della “rumorosità” del sito in cui viene collocato il sismometro. Per usare guadagni molto elevati (> 1000) è necessario che il rumore antropico sia molto ridotto.
Nel nostro strumento abbiamo adottato i seguenti valori :
Canale Verticale : Rext = 56K : Gain = 717
Canali Orizzontali : Rext = 150K : Gain = 310

Tracce Sismiche

Utilizzando il software di acquisizione già sviluppato per il sismometro a pendolo siamo in grado di acquisire i dati prodotti dai geofoni e registrare i tracciati sismici. I geofoni sono molto sensibili nel range di frequenze 1 – 10 Hz, in questo range si trovano anche molte sorgenti artificiali : traffico di autoveicoli, passaggio treni, passaggio persone, etc … per questo motivo è necessario collocare il sismometro in un luogo il più possibile tranquillo, ad esempio in una cantina. Anche così però un tracciato tipico conterrà molti disturbi e registrazioni di eventi non sismici. Un esempio è mostrato nella immagine seguente.

Come contro-esempio riportiamo sotto un tracciato con un evento sismico : si tratta di un sisma piuttosto debole registrato dopo le 23:30. Come si vede l’andamento è molto diverso dai disturbi e dal rumore antropico : c’è un picco iniziale seguito da un tipico andamento decrescente.

Le registrazioni real-time del sismometro e dei geofoni si trovano nella pagina seguente : Seismic Monitoring

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