火山和火山活動讓我們著迷。通過更加規(guī)律,傳感器被用于收集和分析數(shù)據(jù),從而可以創(chuàng)建準(zhǔn)確的火山活動預(yù)測。例如,考慮一些最近的報紙頭條新聞:“美國宇航局阿姆斯特朗領(lǐng)導(dǎo)團隊測試火山灰對飛機發(fā)動機的影響,”和“海底傳感器記錄可能的水下火山爆發(fā)”,以及“用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測火山爆發(fā)” “傳感器具有足夠的能力,可靠性,準(zhǔn)確性,并且基于傳感器融合提供的數(shù)據(jù),足以應(yīng)對如此大量的數(shù)據(jù)。
估計全世界大約有1,500個潛在活躍的火山 - 它們能夠造成很大的破壞,即使它可能并不明顯。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的數(shù)據(jù),在過去15年中,80多架商用飛機在飛行中和機場遇到了火山灰。這些遭遇中的七次導(dǎo)致飛機失去噴氣發(fā)動機動力,幾乎導(dǎo)致碰撞。
為了進一步調(diào)查這些事件背后的原因,自2011年以來,美國宇航局與第412空軍試飛部,空軍研究實驗室,聯(lián)邦航空管理局(FAA),波音研究所和波音研究所合作。技術(shù),普惠和惠特尼,通用電氣航空和勞斯萊斯Liberty Works通過實施車輛集成推進研究(VIPR)項目來測試和評估新的發(fā)動機健康管理技術(shù)。
傳感器現(xiàn)在用于測試飛機可以處理的火山灰量。通過使用空軍研究實驗室提供的C-17和兩臺F117發(fā)動機,目前的測試階段將將更多的Mount Mazama火山灰引入其中一個發(fā)動機,以評估健康監(jiān)測傳感器及其相關(guān)軟件的運行情況可以檢測并報告問題。根據(jù)負(fù)責(zé)挑戰(zhàn)的VIPR項目的主要調(diào)查員,“我們正在研究能夠在開始階段識別飛機進入故障的技術(shù),我們希望能夠識別和診斷它們,以及它們?nèi)绾螌㈦S著時間的推移而改變,“美國宇航局格倫研究中心的John Lekki和VIPR原理調(diào)查員說。 Lekki表示,調(diào)查小組將使用來自整個發(fā)動機的振動,排放和光纖溫度傳感器等多個傳感器的數(shù)據(jù)來識別和診斷問題。
除了空氣傳播危險,海底傳感器也是如此。記錄水下火山的噴發(fā)和潛在的噴發(fā)。舉例來說,華盛頓大學(xué)的深海天文臺和俄勒岡州海岸火山噴發(fā) 1 。學(xué)生們?nèi)旌蚬ぷ鳎瑤椭鷮I(yè)的深海機器人 2 更換傳感器和平臺進行年度維護,并幫助科學(xué)家和工程師檢查其他儀器,包括高清攝像機
作為研究的一部分,地震活動是由八個地震儀記錄的,這些地震儀在火山口周圍和3000英尺的底部測量每秒200次的震動。海上山。測量包括火山口的高度,頂部水的壓力,以及潮汐和波浪的影響的去除,以便準(zhǔn)確地計算位置。
不僅可以在火山地震之前測量地震變化,還可以用它們來測量地震后海底景觀的變化?,F(xiàn)在,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也被用于檢測地震,如圖1所示。
圖1:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可用于監(jiān)測活火山上的地震數(shù)據(jù)。 (由哈佛大學(xué)提供,Matt Welsh和其他人提供的插圖)
工作中的傳感器
用于此類科學(xué)目的的傳感器涵蓋從運動跟蹤到壓力傳感器,慣性測量單元的各個領(lǐng)域那些專門為地震監(jiān)測而創(chuàng)建的人。以下是一些傳感器,它們代表那些用于測量甚至預(yù)測強大的火山何時爆發(fā)的傳感器。
運動跟蹤在火山和地震測量應(yīng)用中起著重要作用。例如,InvenSense MPU-9250是一個多芯片模塊,由兩個集成在單個QFN封裝中的芯片組成。一個模具包含一個3軸陀螺儀和一個3軸加速度計。另一個模具包含來自Asahi Kasei Microdevices(AKM)Corporation的AK8963 3軸磁力計??偠灾?,MPU-9250(圖2)是一款9軸設(shè)備,包括支持高級運動處理的數(shù)字運動處理器(DMP)引擎; DMP從主處理器卸載運動處理算法的計算。 DMP從加速度計,陀螺儀,磁力計和其他第三方傳感器獲取數(shù)據(jù),并處理數(shù)據(jù)。結(jié)果數(shù)據(jù)可以從DMP的寄存器中讀取,也可以在FIFO中緩沖。 DMP可以訪問MPU的一個外部引腳,可用于產(chǎn)生中斷。
圖2:MPU-9250框圖。 (由InvenSense提供)
通常,InvenSense報告稱,運動處理算法應(yīng)以高速運行,通常在200 Hz左右,以便以低延遲提供準(zhǔn)確的結(jié)果。即使應(yīng)用程序以更低的速率更新,也需要這樣做;例如,低功率用戶界面可以像5 Hz一樣緩慢更新,但運動處理仍應(yīng)以200 Hz運行。 DMP可用作工具,以最大限度地降低功耗,簡化時序,簡化軟件架構(gòu),并在主機處理器上節(jié)省寶貴的MIPS,以用于應(yīng)用程序中的其他用途。
MPU直接提供完整的9軸MotionFusion輸出。它設(shè)計用于在其輔助I 2 C端口上與多個非慣性數(shù)字傳感器(如壓力傳感器)連接,并具有三個用于數(shù)字化的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)陀螺儀輸出,三個用于數(shù)字化加速度計輸出的16位ADC,以及三個用于數(shù)字化磁力計輸出的16位ADC。對于快速和慢速運動的精確跟蹤,該器件具有用戶可編程陀螺儀,滿量程范圍為±250,±500,±1000和±2000°/秒(dps),用戶可編程加速度計滿量程范圍為±2g,±4g,±8g和±16g,磁力計的滿量程范圍為±4800μT。
霍尼韋爾6-D Motion Variant 6DF-1N6-C2-HWL慣性測量單元(IMU)傳感器(圖3)設(shè)計用于從耐用的單個設(shè)備提供運動,位置和導(dǎo)航感應(yīng)。使用MEMS技術(shù),它可以感知三個垂直軸(波動,起伏,搖擺)和圍繞三個垂直軸(滾動,俯仰,偏航)的旋轉(zhuǎn)運動的平移運動。
圖3:霍尼韋爾6DF IMU可從單個設(shè)備提供運動,位置和導(dǎo)航感應(yīng)。 (霍尼韋爾提供)
6 DF(六自由度)系列IMU測量其所連接的目標(biāo)的運動,并使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CAN SAEJ1939將數(shù)據(jù)傳送到設(shè)備的控制模塊通信協(xié)議。 6DF-1N6-C2-HWL有兩種版本,可承受振動和惡劣環(huán)境,可在惡劣環(huán)境中實現(xiàn)最佳性能,同時精度降低很少。鋁制外殼可保護設(shè)備免受因石塊,灰塵,污垢和濕氣造成的損壞,可在惡劣的室外環(huán)境中使用。它還具有耐腐蝕性,可最大限度地減少對惡化的敏感性,這在鹽水環(huán)境中經(jīng)常會發(fā)生。
德州儀器DAC1280IPW(圖4)是一款低失真數(shù)模轉(zhuǎn)換器,非常適合地震監(jiān)測。它提供來自比特流輸入的高精度輸出信號。該器件在小型封裝中實現(xiàn)了非常高的線性度,而功耗僅為18 mW。該器件與該公司的ADS1281和ADS1282 ADC一起,創(chuàng)建了一個測試和測量系統(tǒng),可滿足地震監(jiān)測設(shè)備的嚴(yán)格要求。
圖4:DAC1280框圖。 (德州儀器公司提供)
在地震監(jiān)測系統(tǒng)中,DAC1280IPW中的三個增益控制引腳將輸出范圍設(shè)置為從0 dB到-36 db(±2.5 V至±0.039 V差分)的6 dB步長。衰減范圍與ADS1282的增益相匹配,可在所有增益下進行測試。 DAC使用參考電壓和偏置電阻來設(shè)置滿量程輸出??梢哉{(diào)節(jié)電阻以精確調(diào)整DAC滿量程。 SYNC引腳將輸入數(shù)據(jù)采樣與CLK相位對齊。斷電引腳在不使用時會關(guān)閉設(shè)備。 DAC1280采用小型16引腳TSSOP封裝,工作在-40°C至+ 85°C溫度范圍,最高工作溫度為+ 125°C。
運動和熱觀測是用于火山監(jiān)測和監(jiān)測正在進行的火山活動的許多實地技術(shù)之一。例如,Mount St. Helens原位傳感器網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點都配備了一個地震儀來檢測地震,一個GPS接收器用于精確定位并測量小的地面變形,一個次聲傳感器用于探測火山爆發(fā)。本文研究了一些非常適合用于火山監(jiān)測的傳感器,并討論了這些傳感器如何投入使用。
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