Embedded Files
O sinal de saída do sensor tem, em geral, uma amplitude demasiado pequena para ser usada diretamente por digitalizadores ou gravadores analógicos, uma vez que a sensibilidade dos dispositivos de digitalização ou de gravação é baixa. É então usado um amplificador que, como o nome indica, amplifica o sinal registado pelo sensor. Por vezes, os amplificadores são também usados para implementar algum tipo de filtragem ou processamento analógico do sinal.
Os primeiros aparelhos eram sistemas totalmente mecânicos. A gravação era feita em suporte de papel ou película, fixos a um tambor giratório, usando uma caneta, e a amplificação fazia-se por meio de sistemas de alavancas (registos analógicos). A sua amplificação era limitada, devido à fricção entre as partes móveis e às dimensões do pêndulo e dos sistemas de registo.
Desde que os computadores começaram a ser usados em sismologia, por volta da década de 1960, houve necessidade de converter o sinal analógico contínuo (tensão elétrica ou movimento de uma caneta registadora) num sinal digital (digitalização), capaz de ser processado informaticamente.
A obtenção de sismogramas digitais, que se usam atualmente, resulta da ação combinada de 3 elementos associados em série, que constituem o instrumento sísmico: Os dois últimos elementos constituem o que se designa por sistema de aquisição:
Os primeiros aparelhos eram sistemas totalmente mecânicos. A gravação era feita em suporte de papel ou película, fixos a um tambor giratório, usando uma caneta, e a amplificação fazia-se por meio de sistemas de alavancas (registos analógicos). A sua amplificação era limitada, devido à fricção entre as partes móveis e às dimensões do pêndulo e dos sistemas de registo.
Desde que os computadores começaram a ser usados em sismologia, por volta da década de 1960, houve necessidade de converter o sinal analógico contínuo (tensão elétrica ou movimento de uma caneta registadora) num sinal digital (digitalização), capaz de ser processado informaticamente.
A obtenção de sismogramas digitais, que se usam atualmente, resulta da ação combinada de 3 elementos associados em série, que constituem o instrumento sísmico: Os dois últimos elementos constituem o que se designa por sistema de aquisição:
- Sismómetro; faz a transdução do movimento do solo numa tensão elétrica ou diferença de potencial;
- Amplificador e filtro anti-falseamento; tem a dupla função de amplificar a pequena diferença de potencial produzida pelo sismómetro e de filtrar desse sinal as altas frequências que não podem ser corretamente amostradas pelo conversor analógico-digital;
- Conversor analógico-digital; traduz a diferença de potencial, variável no tempo, à entrada do circuito (sinal analógico) numa sequência de números inteiros binários (sinal digital) que é guardada informaticamente na memória do computador;
Conversor analógico-digital (ADC)
Conversor analógico-digital (ADC)
Amostragem de um sinal analógico. O sinal contínuo é representado pela linha de cor verde. As amostras discretas são indicados pelas linhas azuis verticais. T representa o intervalo de amostragem.
(Fonte: Wikipédia)
Filtro passa-baixo com uma frequência de corte de 65 Hz. fc é a frequência de corte, a frequência para a qual a amplitude do sinal de saída sofre uma atenuação de -3 dB. A frequência de corte do filtro é habitualmente bastante inferior à frequência de Nyquist.
(fonte: Curso Formadores IPMA. Cap. 7)
O processo de digitalização (conversão de um sinal analógico contínuo numa série de números que representam o sinal original em intervalos discretos) é realizado através de dispositivos eletrónicos chamados conversores analógico-digital (ADC).
O processo de conversão analógico-digital envolve as seguintes etapas: primeiro, o sinal é amostrado em intervalos de tempo discretos (amostragem), é feita a discretização da amplitude do sinal amostrado (quantização), e a sua saída na forma de um número codificado (codificação), geralmente binário. Este processo irá introduzir erros nos dados uma vez que gera perda de informação: substituímos um sinal que varia continuamente, podendo ter qualquer valor entre os seus limites, por um conjunto discreto de pontos com um número limitado de valores possíveis.
Duas das características mais importantes a serem consideradas no processo de seleção de conversores analógico-digital (ADC) são a taxa de amostragem e a sensibilidade ou resolução do ADC.
Amostragem: o processo de amostragem consiste em medir o valor do sinal analógico numa cadência temporal constante (intervalo de amostragem). A frequência de amostragem ou taxa de amostragem representa o número de amostras do sinal analógico tomadas por unidade de tempo, na conversão para o sinal digital (sendo uma frequência, tem como unidade SI o hertz, Hz). A frequência de amostragem é inversa do intervalo de amostragem.
A reprodução fiel do sinal de entrada, no processo de amostragem, depende da frequência do sinal de entrada e da sua relação com a frequência de amostragem. Ao fenómeno de distorção do sinal de entrada durante o processo de amostragem, dá-se o nome de falseamento, empastelamento ou aliasing.
De acordo com o teorema de Nyquist, para possibilitar o registro digital de todas as frequências analisadas, a taxa de amostragem deve ser, no mínimo, o dobro do valor da frequência máxima alcançada pelo sinal analógico. Esta taxa de amostragem mínima é chamada frequência de Nyquist. É a primeira frequência a partir da qual se começa a observar o falseamento. Para evitar este fenómeno é necessário remover do sinal de entrada todas as frequências superiores à frequência de Nyquist. Isto pode ser feito pela aplicação de um filtro ao sinal analógico de saída do sismómetro. Este filtro, com esta função, é designado por filtro anti-falseamento. Este filtro é um circuito eletrónico que deixa passar os sinais com menores frequências e atenua significativamente os sinais que têm frequências elevadas. Um filtro com estas características designa-se filtro passa-baixo.
O processo de conversão analógico-digital envolve as seguintes etapas: primeiro, o sinal é amostrado em intervalos de tempo discretos (amostragem), é feita a discretização da amplitude do sinal amostrado (quantização), e a sua saída na forma de um número codificado (codificação), geralmente binário. Este processo irá introduzir erros nos dados uma vez que gera perda de informação: substituímos um sinal que varia continuamente, podendo ter qualquer valor entre os seus limites, por um conjunto discreto de pontos com um número limitado de valores possíveis.
Duas das características mais importantes a serem consideradas no processo de seleção de conversores analógico-digital (ADC) são a taxa de amostragem e a sensibilidade ou resolução do ADC.
Amostragem: o processo de amostragem consiste em medir o valor do sinal analógico numa cadência temporal constante (intervalo de amostragem). A frequência de amostragem ou taxa de amostragem representa o número de amostras do sinal analógico tomadas por unidade de tempo, na conversão para o sinal digital (sendo uma frequência, tem como unidade SI o hertz, Hz). A frequência de amostragem é inversa do intervalo de amostragem.
A reprodução fiel do sinal de entrada, no processo de amostragem, depende da frequência do sinal de entrada e da sua relação com a frequência de amostragem. Ao fenómeno de distorção do sinal de entrada durante o processo de amostragem, dá-se o nome de falseamento, empastelamento ou aliasing.
De acordo com o teorema de Nyquist, para possibilitar o registro digital de todas as frequências analisadas, a taxa de amostragem deve ser, no mínimo, o dobro do valor da frequência máxima alcançada pelo sinal analógico. Esta taxa de amostragem mínima é chamada frequência de Nyquist. É a primeira frequência a partir da qual se começa a observar o falseamento. Para evitar este fenómeno é necessário remover do sinal de entrada todas as frequências superiores à frequência de Nyquist. Isto pode ser feito pela aplicação de um filtro ao sinal analógico de saída do sismómetro. Este filtro, com esta função, é designado por filtro anti-falseamento. Este filtro é um circuito eletrónico que deixa passar os sinais com menores frequências e atenua significativamente os sinais que têm frequências elevadas. Um filtro com estas características designa-se filtro passa-baixo.
Quantização: O sinal de entrada para um conversor analógico-digital (ADC) é um sinal contínuo (em geral uma tensão elétrica ou diferença de potencial que varia continuamente entre dois valores limite). A saída do ADC, em contraste, tem níveis ou estados definidos, sendo o número de estados armazenados na forma binária (dígitos binários ou bits). A discretização consiste assim na tradução da diferença de potencial analógica à entrada do circuito ADC por um número que depois é gravado na memória do computador. Usando n bits, o computador pode guardar todos os números inteiros entre 1 e 2^n. As unidades inteiras de contagem obtidas à saída do conversor são habitualmente designadas por counts (unidades de contagem).
A sensibilidade ou resolução do conversor indica o número de valores discretos que ele pode produzir na faixa permitida de valores de entrada analógica. Por exemplo, um ADC com resolução de 8 bits pode codificar uma entrada analógica para um de 256 níveis diferentes (2^8 = 256). A resolução também pode ser definida em tensão: se o ADC aceitar uma tensão de entrada entre 0 a 5V, qualquer valor de tensão entre 0V e 5V será convertida num valor digital de 0 a 255 (256 estados). A sensibilidade do conversor analógico-digital depende do número de counts em que é convertida uma unidade de diferença de potencial aplicada à entrada do circuito ADC.
A sensibilidade é geralmente expressa pelo valor da menor de diferença de potencial que pode ser medida durante a conversão, isto é, pelo valor que é atribuído a um count. A sensibilidade também pode ser expressa pelo inverso do valor de 1 count que se designa por constante de digitalização (exprime-se geralmente em counts/Volt).
O intervalo de funcionamento do conversor analógico-digital, isto é, os limites máximo e mínimo de tensão que podem ser amostrados em counts, tem a designação de dinâmica de amostragem e exprime-se em dB.
A sensibilidade ou resolução do conversor indica o número de valores discretos que ele pode produzir na faixa permitida de valores de entrada analógica. Por exemplo, um ADC com resolução de 8 bits pode codificar uma entrada analógica para um de 256 níveis diferentes (2^8 = 256). A resolução também pode ser definida em tensão: se o ADC aceitar uma tensão de entrada entre 0 a 5V, qualquer valor de tensão entre 0V e 5V será convertida num valor digital de 0 a 255 (256 estados). A sensibilidade do conversor analógico-digital depende do número de counts em que é convertida uma unidade de diferença de potencial aplicada à entrada do circuito ADC.
A sensibilidade é geralmente expressa pelo valor da menor de diferença de potencial que pode ser medida durante a conversão, isto é, pelo valor que é atribuído a um count. A sensibilidade também pode ser expressa pelo inverso do valor de 1 count que se designa por constante de digitalização (exprime-se geralmente em counts/Volt).
O intervalo de funcionamento do conversor analógico-digital, isto é, os limites máximo e mínimo de tensão que podem ser amostrados em counts, tem a designação de dinâmica de amostragem e exprime-se em dB.
Quantização e codificação de um sinal analógico (linha vermelha). Resolução de 4 bits, com 2^4=16 níveis de quantização.
(Fonte: Wikipédia)
Atualmente a conversão analógico-digital recorre frequentemente à técnica da sobre-amostragem. Nesta técnica, o sinal é amostrado a uma taxa muito mais elevada que a desejada usando um filtro anti-falseamento adequado mas simples. Em seguida o sinal é filtrado, já de forma digital, com um filtro de declive muito acentuado o que permite fazer um aproveitamento quase integral da banda de frequências até à frequência de Nyquist.
Num instrumento sísmico ocorre pelo menos uma operação de filtragem do sinal, mas podem ocorrer várias, em diferentes andares do sistema (por exemplo se a digitalização usar o princípio da sobre-amostragem). A filtragem do sinal analógico é feita usando filtros analógicos (circuitos eletrónicos constituídos por componentes eletrónicos passivos e/ou ativos). O filtro anti-falseamento é um filtro analógico do tipo Butterworth (a sua principal característica é ter uma resposta em frequência muito plana na banda passante). A filtragem feita após o conversor analógico-digital, é uma filtragem digital, usando filtros digitais (processamento matemático aplicado a um sinal digital).
Resposta completa do instrumento sísmico
Resposta completa do instrumento sísmico
Diagrama de blocos representando o sismómetro eletromagnético e o sistema de aquisição.
(Adaptado de: Curso Formadores IPMA. Cap. 7)
Resposta em velocidade de um instrumento sísmico formado por vários elementos.
(Fonte: Curso Formadores IPMA. Cap. 7)
A resposta completa do instrumento sísmico, sismómetro e sistema de aquisição, depende da resposta de cada um dos seus componentes, e pode ser obtida assumindo-se que todos os seus componentes são lineares e invariáveis no tempo. Se as características de algum dos seus componentes não for conhecida, a função de transferência (representação matemática da relação entre o sinal de entrada e o sinal de saída do sistema físico) não pode ser calculada. Neste caso, é possível efetuar uma operação de calibração e determinar a resposta do sistema completo, em amplitude e fase, para um conjunto de frequências.
Os parâmetros que caracterizam cada um dos componentes do sismómetro eletromagnético como instrumento sísmico e que condicionam a sua resposta, são:
Sismómetro eletromagnético:
Período natural (segundo) ou frequência natural (hertz) do sismómetro;
Constante de amortecimento crítico (sem unidades);
Constante de transdução (V/(m/s));
Amplificador e filtro anti-falseamento:
Frequência de corte do filtro (hertz); frequência para a qual a amplitude do sinal de entrada se reduz de 3 dB;
Declive do filtro na banda passante (dB/oitava);
Ganho em tensão do amplificador (sem unidades)
Conversor analógico-digital:
Frequência de amostragem (hertz); número de amostras que são obtidas por segundo;
Frequência de Nyquist (hertz); frequência a partir da qual se começa a observar o fenómeno de falseamento na amostragem;
Constante de digitalização (counts/V);
Dinâmica de amostragem (dB); é função do número de bit usados na conversão;
Fontes:J M Miranda, P T Costa, J F Luís, L Matias, F M Santos (2020). Fundamentos de Geologia. Cap. 2 - SismologiaL.M. Matias, P.T. Costa (2011). Curso Formadores IPMA. Cap. 6- SismometriaL.M. Matias, P.T. Costa (2011). Curso Formadores IPMA. Cap. 7- Sismometria IIhttps://repositorio.uac.pt/bitstream/10400.3/4855/2/DissertMestradoRodrigoSousaArruda2018.pdfhttp://intranet.dei.uminho.pt/gdmi/galeria/temas/pdf/40513.pdfhttps://en.wikipedia.org/wiki/Seismometerhttps://www.ipma.pt/pt/enciclopedia/geofisica/estacoes.sismo/index.html
Page updated
Report abuse