بخشی از مقاله
چکیده
پیش بینی زمان وقوع زلزله ایده اي است که تا کنون محقق نشده است . اما می توان از تلفات و خسارت هاي بعد از وقوع آن کاست. با معرفی تکنولوژي شتاب سنج هاي میکرو الکترو مکانیکی امکان ایجاد یک شبکه لرزه نگاري با ایستگاه هاي نزدیک به هم فراهم شده است. به این ترتیب می توان به صورت برخط حرکات زمین را در نظر گرفت و نقاط مختلف یک ناحیه را از نظر خطر پذیري زلزله تقسیم بندي نمود. در تحقیق حاضر یکی از جدید ترین حسگر هاي میکر الکترو مکانیکی راه اندازي شده و خروجی آن به منظور ارزیابی توانایی هاي آن در آشکار سازي ارتعاشات حاصل از زلزله مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاصله نشان می دهد با وجود هزینه اندك و اندازه کوچک، این حسگرها قابلیت بسیار بالایی در تشخیص زلزله هاي متوسط تا قوي را دارند.
-1 مقدمه
سیستم هاي میکرو الکترو مکانیکی - ممز - تکنولوژي حسگرهایی در اندازه میکروسکوپی هستند که از دو بخش مکانیکی و الکتریکی تشکیل شده اند. این حسگرها از قطعاتی به اندازه یک تا صد میکرومتر تشکیلشده اند و معمولاً شامل یک پردازنده مرکزي1و چند حسگر متصل به آن می باشند.[1] تاریخچه استفاده از تکنولوژي ممز به ده 1970 باز میگردد. یک ﻣﺤﻘﻖ از موسسه تحقیقاتی ماشین هاي اداري2یک حسگر فشار را که از یک دیافراگم سیلیکونی ﺗﺸﮑﯿﻞ شده بود توسعه داد و به جهانیان معرفی کرد. این حسگر به صورت گسترده در ابزارهاي اندازه گیر فشار خون مورد استفاده قرار گرفت و به نظر می رسد جز اولین حسگرها در ﻣﻘﺎﯾﺲ میکرومتر باشند که به صورت تجاري تولید و به بازار عرضه شدند.
[2] شرکت هولت پاکاراد3در سال 1978 تکنولوژي ممز را در نازل پرینترهاي جوهر افشان مورد استفاده قرار داد. در این پرینتر ها آریشی از نازل هاي جوهر افشان، قطرات بسیار ریز جوهر را روي کاغذ می پاشیدند. به این ترتیب تکنولوژي ممز پرینترهاي جوهر افشان را قادر ساخت تا تصاویري با وضوح و قدرت تفکیک پذیري بسیار بالا تولید کنند.[3 , 4 , 5] یک موسسه تحقیقاتی هسته اي در شهر کارلسروهه4آلمان در اوایل دهه 1980 ابزار حکاکی، برش و جوشکاري در مقیاس میکروسکوپی را با استفاده از اشعه ایکس معرفی نمود.
[6] در سال 1989 در دانشگاه کالیفرنیا اولین میکروموتور که با استفاده از نیروي الکترواستاتیک دوران می کرد توسعه داده شد.[7] با آغاز دهه 1900 تکنولوژي حسگرهاي ممز وارد مرحله تازه اي از رشد و توسعه در کل جهان شد. بیشتر این رشد و توسعه بر روي حسگرهاي اینرسی که بر روي کیسه هاي هواي اتومبیل کار گذاشته می شدند متمرکز شدند. شتاب سنج هاي سري ADXL ساخته شده توسط شرکت آنالوگ دیوایس 5از یک جز معلق و یک بخش پردازش ﺳﯿﮕﻨﺎل که در یک قطعه قرار گرفته اند تشکیل می شد. بازار اتومبیل بازار هدف اولیه این شتاب سنج ها بود. در سال هاي بعد این حسگرها در علوم مختلف مورد استفاده قرار گرفتند.
[8] در سال 2000 تکنولوژي ساخت شتاب سنج ها بهینه سازي شد. از این طریق امکان اندازه گیري سرعت زاویه اي جسم فراهم شد. به این ترتیب حسگر هاي ژایرسکوپی 1 ابداع شدند.[9] حسگرهاي ژایرسکوپی انقلابی را هدایت موشک ها، پهپادها و سیستم هاي ناوبري ایجاد نمود. در سال 2004 از تکنولوژي ممز در ساخت ویدئو پروژکتورها به منظور افزایش کیفیت تصویر نمایش داده شده استفاده شد.[10] کاربردهاي شتاب سنج هاي ممز تا اویل قرن بیست و یکم به اندازه گیري هاي شتاب استاتیک محدود می شد. به عبارت دیگر فقط از آن ها در اندازه گیري زاویه انحراف نسبت به سطح قائم و ترازیابی استفاده می شد. با افزایش کیفیت حسگرهاي ممز به تدریج استفاده از شتاب دینامیک این حسگرها مورد توجه محققین و ژئوفیزیکدانان قرار گرفت.
به این ترتیب تعدادي از مراکز تحقیقاتی ژئوفیزیکی و زلزله شناسی علاقه مند به استفاده از تکنولوژي ممز شدند. برخی از دانشمندان این حوزه از این تکنولوژي به منظور ثبت زلزله ها در یک شبکه متراکم استفاده نمودند. در کالیفرنیا توسعه شبکه زلزله نگاري با استفاده از تکنولوژي ممز در حال حاضر آغاز شده است.[11] این پروژه شامل یک شبکه ثبت کننده زلزله می باشد و توسط دانشگاه استنفورد و انجمن شبکه زلزله نگاري اجرا می شود.[12] در این پروژه هر شخص می تواند به صورت داوطلبانه شتاب سنج هاي ممز را به صورت رایگان دریافت و در محل دلخواه خود نصب نمایند.
به این ترتیب شبکه متراکم از لرزه نگاره ها ایجاد شده است که می تواند اطلاعات فراونی را فراهم آورد. انجمن بین المللی زلزله بر روي چنین شبکه هایی که مشخصات زلزله را بهتر نمایان می کند متمرکز شده است.[13] در اویل سال 2014 تفاهم نامه اي بین دانشگاه پالرمو2، انستیتوي ملی ژئوفیزیک و آتشفشان شناسی3و سازمان محافظت شهري سیسیل به منظور ایجاد ﯾﮏ شبکه زلزله نگار شهري امضا شد. این پروژه تا حد زیادي قابلیت هاي ممز را در ایجاد یک شبکه زلزله نگاري آشکار نمود.[14] سینگ 4 و همکارانش به بررسی قابلیت هاي شبکه لرزه نگاري ایجاد شده با استفاده از حسگرها ممز پرداختند. آن ها روشی را معرفی کردن تا راحت تر بتوان در مورد آلارم هایی که حسگرهاي شتاب سنج در یک شبکه لرزه نگاري به مرکز می فرستند تصمیم گرفت.[15]
در تحقیق حاضر یکی از جدید ترین و حساس ترین این سنسورها راه اندازي شده است. دستگاه راه اندازي شده قادر است خود به صورت یک ایستگاه لرزه نگاري مستقل عمل کند و با رسیدن موج به آن به مدت 5 ثانیه دامنه ها، تاریخ و زمانی که موج به آن رسیده را روي یک کارت حافظه ذخیره نماید. به این ترتیب می توان حسگر مربوطه را در مجارت مکان مشکوك به زلزله نصب نمود و بعد از گذشت مدت دلخواه بازگشت و داده ها آن را مورد بررسی و ارزیابی قرار داد. همچنین می توان با اتصال حسگر به کامپیوتر به صورت برخط خروجی حسگر را مشاهد نمود.
-2 شتاب سنج هاي ممز
با پیشرفت تکنولوژي امکان تولید قطعاتی با مقایس میکروسکوپی فراهم شده است. به این ترتیب می توان شتاب سنج هاي ممز خازنی را به صورت انبوه و با هزینه اندك تولید نمود. شتاب سنج هاي سري ADXL که به وسیله شرکت آنالوگ دیوایس تولید می شوند یکی از معمول ترین شتاب سنج هاي ممز در بازار می باشند.[16] ساختمان درونی شتاب سنج هاي ممز همان طور که در شکل 1 نشان داده شده است از یک سري میکرو انگشتک ها و الکترودهاي متصل به بدنه تشکیل شده است.
میکرو انگشتک ها به وسیله یک فنر در فضاي بین الکترودها معلق نگه داشته شده اند. فضاي بین این دو، در عمل یک خازن را بوجود می آوردند. هنگامی که این مجموعه در معرض ارتعاش قرار می گیرد میکرو انگشت ها جابجا شده و فاصله آن با الکتروها تغییر می کند. این تغییر فاصله به نوبه خود منجر به تغییر در میزان ظرفیت خازن با توجه به رابطه زیر می شود. در این رابطه C ظرفیت خازن، 0 نفوذپذیري الکتریکی هوا، ثابت دي الکتریک، A مساحت هر صفحه الکترود و d فاصله بین الکترود و انگشتک ها می باشد.
شکل :1 شمایی از ساختمان یک شتاب سنج ممز.[17]
حال با اندازه گیري تغییر در مقدار ظرفیت خازن مقدار شتاب را اندازه گیري نمود.[18] مدار الکتریکی معادل ساختمان یک شتاب سنج ممز در شکل 2 نشان داده شده است. بخشی که در داخل مستطیل نشان داده شده است در خروجی به صورت دو خازن تفاضلی عمل می کنند. مدار معادل شامل منبع سیگنال ، یک تقویت کننده بافر ، فیلتر، دمولاتور همگام و یک حلقه بازخورد الکترومکانیکی همراه با تقویت کننده بازخورد می باشد. این ساختار حساسیتی در حدود 20 P9Jدر بازه صفر تا پنجاه g را داراست.[21 , 22]
شکل :2 مدار الکتریکی معادل شتاب سنج ممز[19 , 20]
اگر حسگر در معرض شتاب قرار نداشته باشد، مثلا با سرعت ثابت در حال حرکت باشد، خروجی مقدار صفر را نشان می دهد. در صورتی که حسگر در معرض شتاب متغیر قرار گیرد، مثلا به یک ارتعاش کننده متصل شود، خروجی با مقدار شتاب اعمال شده به آن رابطه مستقیم دارد . به این ترتیباساساً شتاب سنج هاي ممز داراي خروجی آنالوگ می باشند و براي ثبت و نمایش داده هاي آن بایستی از مبدل هاي آنالوگ به دیجیتال استفاده نمود. هر چند در برخی از نمونه هاي جدید تر، این حسگر ها همراه با مبدل آنالوگ به دیجیتال به صورت یک مدار مجتمع ارائه می شوند.
-3 مشخصات لرزه نگار راه اندازي شده
کاربرد شتاب سنج ها امروزه بسیار گسترده شده و نمی توان زمینه اياز علوم و مخصوصاً علوم مهندسی را یافت که نیاز به این نوع از حسگر ها را نداشته باشند.
