تعریف سنسورهای لرزه‌نگار
سنسورهای لرزه‌نگار ابزاری برای اندازه‌گیری حرکت زمین هستند. این حرکت نوعی حرکت دینامیکی است و سنسورهای لرزه‌نگار یا لرزه‌سنج نیز باید یک متغیر فیزیکی دینامیکی مرتبط با این حرکت را ارائه دهند. در سنسورهای لرزه‌نگار اولیه، این متغیر، جابه‌جایی یک قلم بود که بیانگر حرکت تشدید شده زمین بوده است اما در ابزارهای امروزی، خروجی فیزیکی یک لرزه‌سنج همیشه یک ولتاژ است. در حالت ایده آل، ما می‌توانیم یک لرزه‌سنج را به‌عنوان یک جعبه سیاه در نظر بگیریم که ورودی آن حرکت زمین است و توسط یک متغیر حرکتی نشان داده می‌شود مانند جابجایی، سرعت یا شتاب و خروجی آن ولتاژ یا جابه‌جایی قلم در تجهیزات قدیمی است. هدف ما اندازه‌گیری حرکت زمین در یک نقطه نسبت به حالت بدون حرکت آن است. متأسفانه اندازه‌گیری این حرکت چندان آسان نیست و سنسورهای لرزه‌نگار تنها و مهم‌ترین عنصر لرزه‌نگار برای ثبت این حرکت هستند.
نکاتی در خصوص سنسورهای لرزه نگار
در این خصوص نکاتی وجود دارد که در زیر به بیان آن‌ها می‌پردازیم:
- در این سنسورها اندازه‌گیری پارامترها در یک قاب مرجع متحرک انجام می‌شود، به این معنی که سنسور، در حال حرکت همراه با زمین است و هیچ مرجع ثابتی در دسترس نیست؛ بنابراین جابه‌جایی به‌طور مستقیم قابل‌اندازه‌گیری نیست. طبق اصل اینرسی، فقط در صورتی می‌توان جابه‌جایی را مشاهده کرد که حرکت شتاب داشته باشد. امواج لرزه‌ای باعث حرکات گذرا می‌شوند و این بدان معنی است که باید شتاب وجود داشته باشد.
- دامنه و نرخ فرکانس سیگنال‌های لرزه‌ای بسیار زیاد است. کوچک‌ترین حرکت ثبت‌شده در این سنسورها ممکن است به کوچکی 0.1 نانومتر باشد اما بزرگ‌ترین حرکت ثبت‌شده توسط این سنسورها چیست؟ با توجه به اینکه یک گسل در هنگام زلزله می‌تواند 10 متر جابجا شود، این مقدار می‌تواند بزرگ‌ترین حرکت در نظر گرفته شود.
اهمیت استفاده از سنسورهای لرزه‌نگار HAT در پایش سلامت سازه‌ها
بیشتر نقاط ایران زلزله‌خیز هستند، همین امر موجب شده تا امروزه پایش سلامت سازه‌های مهم و کاهش سطح خطرپذیری سازه‌ها از اهمیت بسزایی برخوردار باشد. می‌توان گفت این امر به کمک راه‌اندازی سامانه‌های هشدار سریع زلزله میسر شده است. ایران مانند سایر کشورها اقدام به ساخت تجهیزات لرزه‌نگاری و یا شتاب‌نگاری نموده است. در نهایت این تلاش‌ها منجر به ساخت سنسورهای شتاب‌نگار و دیجیتایزرهای 24 بیتی شده است. در گذشته ما فقط می‌توانستیم این تجهیزات را از خارج از کشور خریداری کنیم اما امروزه ایران نیز قادر به ساخت تجهیزات لرزه‌ای مختلف ازجمله سنسورهای لرزه‌نگار شده است. در این بین سنسورهای لرزه‌نگار HAT یکی از بارزترین تجهیزات لرزه‌ای به‌منظور ثبت جنبش زمین ناشی از زلزله هستند.
در این سنسور نوعی میکروکنترلر وجود دارد. از این میکروکنترلر به‌منظور تجزیه‌وتحلیل داده‌ها و ایجاد خروجی دیجیتال استفاده می‌شود. از مزایای سنسورهای لرزه‌نگار HAT امکان انتقال اطلاعات به‌طور هم‌زمان دوازده عدد سنسور است. این امر به کمک یک رشته کابل تلفن که فرکانس 50 هرتز دارد، صورت می‌پذیرد. کاربرد سنسورهای لرزه‌نگار HAT در پایش سلامت ساختمان‌ها، تعیین مشخصات سازه، استفاده از آن در سازه‌های مهم، سدها و پل‌ها است. علاوه بر این از سنسورهای لرزه‌نگار HAT در ایستگاه سامانه هشدار سریع، امور پژوهشی و آموزشی و ایستگاه‌های شتاب‌نگاری نیز استفاده می‌شود.
ویژگی‌های بارز سنسورهای لرزه‌نگار HAT
IIEES-HAT یک شتاب‌نگار سه محوری با فناوری سیستم ریز الکترومکانیکی (MEMS) microelectromechanical system است که عملکرد استثنایی را با نرخ فرکانس بین DC تا 2000 هرتز فراهم می‌کند. به کمک میکروکنترلرهای داخلی، خروجی HAT دیجیتالی است. ازجمله ویژگی‌های بارز HAT شامل موارد زیر است:
- استفاده از فناوری MEMS
- قابلیت ثبت دامنه فرکانس بسیار بالا
- امکان نمونه‌برداری با فرکانس‌های مختلف
- سنسورهای لرزه‌نگار HAT به دیجیتایزرها جهت رقومی سازی اطلاعات نیازی ندارند.
- برنامه عملکرد سنسورهای لرزه‌نگار HAT دارای قابلیت به‌روزرسانی از راه دور است.
- این نوع سنسورها می‌توانند اطلاعات را تا دو هزار متر بدون نیاز به هر نوع تجهیزات اضافی ارسال کنند.
- قابلیت ارسال اطلاعات دوازده عدد سنسور سه مؤلفه‌ای روی یک خط کابل و عدم نیاز به کابل‌کشی وسیع از دیگر ویژگی‌های بارز سنسورهای لرزه‌نگار HAT است.
- امکان برنامه‌نویسی روی پردازنده سنسور
- امکان محاسبه پارامترهای مختلف مربوط به جنبش زمین
- هشدار سریع
- همچنین سنسورهای لرزه‌نگار HAT می‌توانند اطلاعات پردازش‌شده را به مرکز پردازش ارسال کنند.
- سنسورهای لرزه‌نگار HAT مقاومت بسیار بالایی در مقابل عوامل طبیعی ازجمله ضربه دارند.
- امکان خروجی دیجیتال روی RS485
- دمای عملیاتی آن از 20- تا 60 درجه سانتی‌گراد است.
- انعطاف‌پذیری بالا در سفارش سازی در ارتباط با کاربردهای مختلف
مهم‌ترین کاربرد سنسورهای لرزه‌نگار HAT چیست؟
علاوه بر موارد ذکرشده در بالا یکی از مهم‌ترین کاربردهای سنسورهای HAT قابلیت نظارت بر روی سلامت سازه‌های ساختمانی، پل‌ها، سدها، بناهای تاریخی و … است. در ایران از سنسورهای HAT برای خاموشی اتوماتیک سیستم‌های ایستگاه‌های گاز شهری در شرکت گاز تهران استفاده می‌شود.
همچنین از این سنسورها به‌منظور نظارت بر سلامت سازه‌های نیروگاه اتمی بوشهر NPP، آموزش پدیده اندرکنش خاک- سازه و … نیز استفاده می‌شود. این سنسورها داده‌ها را از طریق فناوری‌های ارتباطی مختلف مانند VSAT، ADSL، Wi Max و LAN/WAN منتقل می‌کنند. زمان‌سنجی دقیق با GPS، قابلیت پردازش بالا، ذخیره داده‌ها بالای هشتاد گیگابایت، دارا بودن سیستم UPS داخلی و سیستم‌عامل Linux از دیگر ویژگی‌های بارز سنسورهای HAT است.
اندازه‌گیری‌ها در سنسورهای لرزه‌نگار، همان‌طور که پیش‌تر به آن اشاره شد در یک قاب مرجع متحرک (سطح زمین) انجام می‌شود. می‌توان گفت تقریباً همه حسگرهای لرزه‌ای بر اساس اینرسی یک جرم معلق ساخته‌شده‌اند که در پاسخ به حرکت خارجی تمایل به ثابت ماندن دارند. در این بین، حرکت نسبی بین جرم معلق و زمین تابعی از حرکت زمین خواهد بود.
نمونه یک لرزه سنج ساده
شکل زیر یک لرزه‌سنج ساده را نشان می‌دهد که حرکت عمودی زمین را تشخیص می‌دهد. این شکل شامل یک جرم آویزان شده به یک فنر است. حرکت جرم آن با استفاده از یک میراگر کاهش می‌یابد به‌نحوی‌که جرم نزدیک به فرکانس تشدید سیستم بیش از حد نوسان نمی‌کند. یک خط کش در کنار لرزه‌سنج نصب‌شده است تا حرکت جرم را نسبت به زمین اندازه‌گیری کند.
اگر سیستم در حالت ایستا و استراحت باشد و یک ضربه ناگهانی (با فرکانس بالا) مانند اولین نوسان موج P رخ دهد، به نظر شما چه اتفاقی خواهد افتاد؟ به‌طور مستقیم می‌توان انتظار داشت که در هنگام حرکت زمین به سمت بالا، جرم در ابتدا ثابت بماند؛ بنابراین جابجایی زمین را می‌توان مستقیماً به‌عنوان جابه‌جایی نسبی بین جرم و زمین بر روی خط کش به دست آورد. همچنین دیده می‌شود که اگر زمین به‌صورت تکانشی به سمت بالا حرکت کند، جرم نسبت به قاب که جابه‌جایی آن توسط خط کش نشان داده می‌شود، به سمت پایین حرکت می‌کند.
برای درک بهتر طرز کار سنسورهای لرزه‌نگار می‌توانید با مراجعه به تیم متخصص شرکت ارزیابی و تأمین ایمنی لرزه‌ای مأمن ایرانیان اطلاعات کافی را در خصوص این تجهیزات لرزه‌ای دریافت کنید. همچنین شرکت ارزیابی و تأمین ایمنی لرزه‌ای مأمن ایرانیان با بهره‌گیری از فنّاوری روز و استفاده از دقیق‌ترین سنسورهای شتاب‌نگار HAT که در حساس‌ترین پروژه‌های کشور مانند نیروگاه‌های اتمی بوشهر در حال استفاده است، آماده خدمت‌رسانی در زمینه‌های پایش سلامت سازه‌ها و ارائه تجهیزات لرزه‌ای به شما است.
