Σχολικός Σεισμογράφος

Θα δημοσιεύσω εδώ κατασκευαστικά στοιχεία και δραστηριότητες που μπορούν να γίνουν πριν και κατά τη διαδικασία κατασκευής του σεισμογράφου, αλλά και μετά την κατασκευή του για την ανάλυση των σεισμικών δεδομένων που καταγράφει.

Ξεκινάω με την ανάρτηση τριών δραστηριοτήτων που αφορούν τη φάση κατασκευής και ρύθμισης του σχολικού σεισμομέτρου. Πρόκειται για:

1. Επίδειξη του φαινομένου της η/μ επαγωγής

2. Επίδειξη του η/μ φρεναρίσματος

3. Ρύθμιση της ιδιοσυχνότητας του συστήματος μάζας-ελατηρίου

Το σχετικό φυλλάδιο μπορείτε να το βρείτε ΕΔΩ.

Στο φυλλάδιο συμπεριλαμβάνονται και οδηγίες για τη συναρμολόγηση της διάταξης και του κουτιού της καθώς και για την κατασκευή του πηνίου.

Το σύστημα μορφοποίησης του σήματος ολοκληρώνει ο ενισχυτής σήματος, χτισμένος γύρω από ένα τελεστικό ενισχυτή χαμηλού θορύβου (LT1677, OP27, OP177, AD820, κ.ά.). Το κύκλωμα του ενισχυτή φαίνεται στην επόμενη εικόνα:

Ο ενισχυτής σήματος

Η καλύτερη επιλογή για την κατασκευή του ενισχυτή είναι η κατασκευή πλακέτας, η οποία κουμπώνει πάνω στον Arduino που θα χρησιμοποιηθεί εν συνεχεία για την ψηφιοποίηση του σήματος.

Η πλακέτα του ενισχυτή

Το εκτυπώσιμο αρχείο για την κατασκευή της πλακέτας θα το βρείτε ΕΔΩ.

Τοποθέτηση των υλικών στην πλακέτα

Αν δεν υπάρχει η δυνατότητα κατασκευής πλακέτας, τότε ο ενισχυτής μπορεί να κατασκευαστεί σε breadboard, με βάση την επόμενη εικόνα:

Οδηγός συναρμολόγησης του ενισχυτή σε breadboard

Σύνδεση και προγραμματισμός Arduino

Η έξοδος του ενισχυτή οδηγείται στην ψηφιακή είσοδο A0 ενός συστήματος Arduino UNO R3, όπου το ηλεκτρικό σήμα ψηφιοποιείται και φιλτράρεται μέσω κατάλληλου λογισμικού, πριν οδηγηθεί στο σύστημα καταγραφής, απεικόνισης και αρχειοθέτησης.

 

Ο συναρμολογημένος ενισχυτής σε πλακέτα

Σύνδεση της πλακέτας του ενισχυτή στον Arduino UNO R3

Σύνδεση στον Arduino UNO R3 του συναρμολογημένου σε breadboard ενισχυτή

Αφού με βάση τις προηγούμενες εικόνες συνδέσετε τον ενισχυτή των σεισμικών κυμάτων στον Arduino, συνδέστε μετά το πηνίο του αισθητήρα ανίχνευσης κίνησης εδάφους στην είσοδο του ενισχυτή (χρησιμοποιήστε κατάλληλες κλέμες για να διευκολυνθείτε στις συνδέσεις). Μετά θα χρειαστεί να προγραμματίσετε τον Arduino με το κατάλληλο λογισμικό. Για το σκοπό αυτό θα χρειαστείτε:

1. Το λογισμικό Arduino IDE που μπορείτε να μεταφορτώσετε στον υπολογιστή σας από ΕΔΩ.

2. Το λογισμικό NERDaqΙΙ που μπορείτε να μεταφορτώσετε στον υπολογιστή σας από ΕΔΩ. Αν για κάποιο λόγο το λογισμικό δεν "κατεβαίνει" με κλικ στο σύνδεσμο, αντιγράψτε τη διεύθυνση του συνδέσμου (http://ru.auckland.ac.nz/files/2014/07/nerdaqII.zip), επικολλήστε τη στη γραμμή διευθύνσεων του browser που χρησιμοποιείτε και πιέστε το πλήκτρο ΕΝΤΕR.

Αναλυτικές οδηγίες για την εγκατάσταση του Arduino IDE και τη διαδικασία προγραμματισμού του Arduino με αυτό θα βρείτε στο βιβλιαράκι μου Arduino για αρχάριους.

Αποσυμπιέστε το αρχείο nerdaqII.zip σε φάκελο με το όνομα nerdaqII και μετά με το Arduino IDE ανοίξτε το αρχείο "nerdaq.pde". Ακολουθήστε τις οδηγίες όπως περιγράφονται στο βιβλιαράκι "Arduino για αρχάριους" για να "ανεβάσετε" το λογισμικό στον Arduino.

Το λογισμικό χρησιμοποιώντας τεχνικές oversampling αυξάνει την διακριτική ικανότητα του Arduino στα 13bit μειώνοντας ταυτόχρονα το ρυθμό δειγματοληψίας στα περίπου 17 δείγματα ανά δευτερόλεπτο. Επιπλέον υλοποιεί και ψηφιακό φίλτρο διέλευσης χαμηλών συχνοτήτων για την απόρριψη του υψίσυχνου θορύβου στο σήμα, αφού έτσι κι αλλιώς τα σεισμικά κύματα είναι κύματα χαμηλής συχνότητας (κυρίως μικρότερη των 20Hz).

Το σύστημα καταγραφής και απεικόνισης των σεισμικών σημάτων

Είναι οποιοσδήποτε υπολογιστής που μπορεί να "τρέχει" το ελεύθερο λογισμικό jAmaSeis. Στην απλούστερη περίπτωση μπορεί να είναι ένας Raspberry Pi, ακόμη και ένα TV Box τροποποιημένο ώστε να "τρέχει" μια ειδική έκδοση Linux.

Πρωτότυπο εργασίας του σεισμογράφου: Το σύστημα καταγραφής/απεικόνισης είναι ένας Raspberry Pi

Το λογισμικό jAmaSeis μπορείτε να το βρείτε ΕΔΩ (https://www.iris.edu/hq/jamaseis/). Για την εγκατάστασή του σε συστήματα Linux μπορείτε να ακολουθήσετε την παρακάτω διαδικασία:

sudo apt install openjdk-11-jre

sudo apt install libcanberra-gtk-module

sudo apt install librxtx-java

sudo ln -s /usr/lib/jni/librxtxSerial.so /usr/lib/

sudo usermod -a -G dialout $USER

και μετά εκτελέστε την εντολή: sh jAmaSeis_x_xx_x_xxx.sh, όπου τα "x_xx_x_xxx" αντιστοιχούν στην έκδοση του jAmaSeis που έχετε μεταφορτώσει στον υπολογιστή σας.

Σε συστήματα Windows απλά εκτελέστε τον εγκαταστάτη που "κατεβάσατε" στον υπολογιστή σας.

Το jAmaSeis μπορεί να κάνει καταγραφή, απεικόνιση και αρχειοθέτηση σεισμικών σημάτων από τοπικούς ή απομακρυσμένους σεισμογράφους. Μπορεί επίσης να στείλει τα σεισμικά δεδομένα του τοπικού σας σεισμογράφου στο παγκόσμιο δίκτυο σχολικών σεισμογράφων IRIS.

Πριν την πρώτη χρήση του λογισμικού συνδέστε τον ήδη προγραμματισμένο Arduino του σεισμογράφου σε μια θύρα USB του υπολογιστή, στον οποίο μετά θα εκτελέσετε το jAmaSeis.Tο λογισμικό θα σας ζητήσει να εγκαταστήσετε τον τοπικό σας σεισμογράφο. Θα χρειαστεί να δώσετε:

Τον τύπο του σεισμογράφου (συνήθως TC-1)

Τη σειριακή θύρα στην οποία το λογισμικό "ακούει" τον Arduino

Τον κωδικό (Station ID), το όνομα και την τοποθεσία του σεισμογράφου

Τις συντεταγμένες της θέσης του σεισμογράφου.

Αν δεν έχετε τοπικό σεισμογράφο, μπορείτε απλά να ακυρώσετε τη διαδικασία και να επιλέξετε την εμφάνιση των σεισμικών δεδομένων από κάποιο άλλο σεισμογράφο του δικτύου IRIS. 

H βασική oθόνη του jAmaSeis: Καταγραφή σημάτων από τοπικό και ένα απομακρυσμένο σταθμό

Μετά από αυτά είστε σε θέση να λαμβάνετε στην οθόνη του υπολογιστή σας τα σεισμικά δεδομένα από τον τοπικό ή και από κάποιους απομακρυσμένους σεισμογράφους.