La Tavola Vibrante

 

Calibrazione dei sensori

Presso il CRS viene svolta anche attività di laboratorio. Attualmente essa è finalizzata alla precisa taratura dei sensori (velocimetri ed accelerometri, ossia dispositivi in grado di registrare la velocità e l'accelerazione del suolo) mediante l'utilizzo di una tavola vibrante. Quest'ultima è uno strumento in grado di riprodurre oscillazioni programmate dallo sperimentatore e di simulare gli effetti di un terremoto. Strumenti analoghi, ma di dimensione maggiore, sono utilizzati in altri laboratori per verificare la resistenza di riproduzioni in scala di edifici.

Disporre di sensori ben calibrati è fondamentale per qualsiasi studio che si avvale delle forme d'onda registrate. Poiché le caratteristiche dei sensori possono essere soggette a variazioni nel tempo, è necessario procedere a calibrazioni periodiche degli stessi. La calibrazione di tutti i sensori della RSFVG viene ripetuta annualmente, utilizzando sia il metodo indiretto (effettuato inviando un apposito impulso di calibrazione al geofono sulla stazione remota ed analizzandone la risposta) che quello diretto (effettuato in laboratorio tramite tavola vibrante).
Nel metodo indiretto si eccita il sensore tramite una bobina interna di calibrazione e si misura il segnale in uscita. Tramite una relazione matematica che descrive il funzionamento del sensore è possibile calcolare con buona approssimazione le caratteristiche strumentali dell stesso. Il metodo diretto si basa invece sull'utilizzo di una tavola vibrante per eccitare meccanicamente il sensore.

 

The Shaking Table

 

Sensor calibration

CRS carries out laboratory activities. One is aimed at the precise calibration of the sensors (velocimeters, accelerometers i.e. devices capable of recording velocity and acceleration of the ground) through the use of a shaking table. The latter is an instrument capable of reproducing oscillations programmed by the experimenter and of simulateing the effects of an earthquake. Similar instruments, but of larger size, are in use in other laboratories to verify the strength of scaled down reproductions of buildings.

Availability of properly calibrated sensors is critical to any study that is based on recorded waveforms. Since the characteristics of the sensors may be subject to change over time, it is necessary to make periodic calibrations of the same. Calibration of all CRS's sensors is repeated annually, using either the indirect method (carried out by sending an appropriate pulse of calibration to the geophone on the remote station and analyzing its response) or the direct one (carried out in the laboratory by means of the shaking table ).
In the indirect method, the sensor is energized by its internal calibration coil and the output signal is measured. Through a mathematical relation describing the sensor response one can calculate with good approximation the sensor characteristics. The direct method is based instead on the use of a shaking table, i.e. a board vibrating to mechanically excite the sensor.

La tavola vibrante di calibrazione

Il laboratorio meccanico-elettronico del CRS ha ideato e realizzato una tavola vibrante verticale ed orizzontale con vibrometro campione a raggio laser (Fig.1).

In pratica, lo spostamento della tavola (e quindi del sensore) viene misurato tramite un vibrometro che emette un raggio laser verso l'oggetto in movimento ed il raggio rinviato dall'oggetto permette una accurata misura dello spostamento nel tempo. Avendo la misura dello spostamento e il segnale del sensore sotto calibrazione è facile ricavare i parametri caratteristici dello stesso. Questo metodo viene applicato a campione permettendo sia di ottenere i parametri descrittivi del sensore che di verificare le costanti strumentali fornite dal produttore.

 

Sviluppo della tavola vibrante

Nel 2001 è stato effettuato l'acquisto con fondi MIUR (ex MURST) della tavola vibrante e della relativa strumentazione elettronica di controllo e misura. Nel corso del 2002 il sistema è stato migliorato. Le innovazioni introdotte sono le seguenti:

1. il Laser-Doppler della Optodyne (fig.2), per la misura dello spostamento dei sensori testati, è stato messo a punto, e i dati da esso forniti sono finalmente attendibili.

   

   Questo sensore ha una risoluzione (circa 6nm) migliore di quella (circa di 200nm) del sensore laser (LM300) che normalmente è stato utilizzato nelle prove eseguite nel 2001.
2. il segnale di pilotaggio della tavola vibrante risulta ora migliorato. Quello usato in precedenza, infatti, non permetteva la corretta escursione della tavola a tutte le frequenze. Dopo vari tentativi, si è giunti ad una buona soluzione cioè: il segnale di pilotaggio prodotto (vedi Fig.3) è un rumore di tipo gaussiano,

   

   opportunamente filtrato con un filtro passa basso (di tipo butterworth, visibile in Fig. 4),

   

   con frequenza di taglio di 1Hz (tutta l'elaborazione è stata effettuata mediante Matlab).

Calibration shaking table

The electronic laboratory of the SRC has conceived and realized a vertical and horizontal shaking table with a laser range meter (Fig.1).

In practice, the table (and therefore the sensor) displacement is measured by means of a vibrometer that emits a laser beam towards the moving object and the reflected beam from the object allows an accurate measurement of the displacement in time. Having the displacement amount and the signal output by the sensor, it is easy to obtain the characteristic parameters of the same. This method allows to obtain the descriptive parameters of the sensor and to verify the instrumental constants provided by the manufacturer.

 

Shaking table development

The purchase of the shaking table and its related electronic instrumentation was made in 2001 on MIUR funds (previously MURST). During 2002 the system was improved. The innovations introduced are as follows:

1. The Optodyne Doppler Laser (fig.2), for measuring the displacement of the tested sensors, has been fitted, and the data provided by it have been finally proven reliable.

   

   This sensor has a resolution (approx. 6nm) way better the 200nm of the laser sensor (LM300) used previously in tests carried out in 2001.
2. The signal driving the shaking table is now improved. The one used previously, in fact, did not allow the correct table excursion at all frequencies.

   

   After several attempts, a good solution has been reached, as the resulting driving signal is a Gaussian type noise,filtered with a low pass filter (butterworth type, Fig. 4), with 1Hz cut-off frequency (all the processing was carried out by Matlab).